Informatik Datenstrukturen und Dateien

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1 Informatik Datenstrukturen und Dateien Seite 1 Th Letschert

2 Datenstrukturen Datenstrukturen Sprachelemente zur Speicherung von vielen Daten Datentyp vs Datenstruktur Datentyp Format + Operationen für ein Datum z.b. ganze Zahl im 32 Bit 2er Komplement Format, Zeichen in einem Byte in ASCII-Codierung char c = 'a'; Das Zeichen a Datenstruktur Kollektion von Speicherstellen die zusammen eine (komplexe) Information ausmachen Vorgegebene Strukturen (Beispiele) Feld (Array) Liste Abbildung c Daten unter einem Index gespeichert Daten als Folge von Werten gespeichert Daten unter einem Schlüssel abgelegt Selbst definierte Strukturen erfordern meist spezielle Sprachmittel Seite int[] a = {1,2,3; Die Liste [1,2,3]

3 Datenstrukturen: Felder (Arrays) Felder (Arrays) Daten unter einem Index speichern älteste Datenstruktur in Programmiersprachen Vorbild: Vektoren und Matrizen in der Mathematik Wird von allen klassischen Programmiersprachen unterstützt (C, C++, C#, Java,...) Felder bestehen aus Feldelementen, die über einen Index angesprochen werden können Beispiel: Feld mit 10 Elementen int[] x = new int[10]; for (int i=0; i < 10; i++) { x[i] = i; x wird als ein Feld mit 10 Komponenten angelegt und mit 0, 1,.. 9 gefüllt. Seite 3

4 Felder (Arrays) Felder (Arrays) Geordnet: ein Element nach dem anderen, jedes Element hat einen Index Homogen: alle Elemente haben den gleichen Typ Struktur: Variable Speicher für Elemente Speicher Feld-Variable enthält Zeiger (Adresse) auf den Speicherbereich für die Elemente Speicherplatz für die Feldelemente Seite 4

5 Felder (Arrays) Felder (Arrays) definieren Variante 1 / Erzeugung eines Felds int [] a = new int[10]; Feldelement-Typ Feld-Variable Feld-Größe a Speicher 1. Eine Feld-Variable a wird angelegt. 2. Zusammenhängender Speicherplatz für die Feldelemente wird angelegt und mit 0-en gefüllt. 3. Die Feld-Variable wird mit der Adresse des Speicherplatzes gefüllt. Seite 5

6 Felder (Arrays) Felder (Arrays) definieren Variante 2 / Erzeugung eines Felds int [] a = {1,2,3,4,5,7,8,9,0; Feldelement-Typ Feld-Variable FeldElemente a Speicher 1. Eine Feld-Variable a wird angelegt. 2. Zusammenhängender Speicherplatz für die Feldelemente wird angelegt und mit den Werten gefüllt. 3. Die Feld-Variable wird mit der Adresse des Speicherplatzes gefüllt. Seite 6

7 Felder (Arrays) : Beispiele For-Schleife: Felder (Arrays) durchlaufen Feld durchlaufen mit klassische Schleife for ( int i = 0; i < feld.length; i++ )... verarbeite feld[i]... Für jeden Index i zwischen 0 und der Feldlänge feld.length mache Folgendes Feld durchlaufen mit for-each Schleife for ( Typ elem: feld )... verarbeite elem... Für jedes elem in feld mache Folgendes Nur lesender Zugriff möglich Seite 7

8 Felder (Arrays) : Beispiele Beispiel: Quadratzahlen von 0 bis 19 int[] quadzahl = new int[20]; for (int i=0; i < quadzahl.length; i++) { quadzahl[i] = i*i; for (int v : quadzahl) { System.out.print(v + ". "); System.out.println(); Feld mit 20 Elementen, Index 0.. Index 19 Zähl-Schleife: For-each -Schleife über den Inhalt des Feldes Seite 8

9 Felder (Arrays) : Beispiele Beispiel: Fakultäten f[i] = i! berechnen und ausgeben (1) static void compfak(int[] a) { a[0] = 1; for (int i = 1; i<a.length; i++) { a[i] = a[i-1]*i; Funktion: nimmt Feld an und verändert es public static void main(string args[]) { int[] f = new int[10]; compfak(f); for (int v : f) { System.out.print(v + " "); System.out.println(); Seite 9

10 Felder (Arrays) : Beispiele Beispiel: Fakultäten f[i] = i! berechnen und ausgeben (2) static int[] compfak() { int[] a = new int[10]; a[0] = 1; for (int i = 1; i<a.length; i++) { a[i] = a[i-1]*i; return a; Funktion: erzeugt Feld und gibt es zurück public static void main(string args[]) { int[] f = compfak(); for (int v : f) { System.out.print(v + " "); System.out.println(); Seite 10

11 Felder (Arrays) : Beispiele Beispiel: Suche nach dem Maximum in einem Feld static int max(int[] a) { int max = a[0]; for (int i = 1; i<a.length; i++) { if (a[i] > max) { max = a[i]; return max; public static void main(string args[]) { int[] f = new int[]{4,3,0,1,2,3,7,4,5,2,4,7; System.out.println(max(f)); 7 Seite 11

12 Felder (Arrays) : Zuweisung und Vergleich Felder zuweisen '=' kopiert bei Feldern nicht den Inhalt sondern nur die Zeiger int [] a1 = { 1, 2, 3 ; int [] a2 = { 9, 8, 7 ; a2 = a1; a a a2 = a1; Zuweisung a a Seite 12 vorher nachher

13 Felder (Arrays) : Zuweisung und Vergleich Felder vergleichen '==' testet bei Feldern nicht auf gleichen Inhalt sondern auf Identität int [] a1 = { 1, 2, 3 ; int [] a2 = { 1, 2, 3 ; a1==a2 ist falsch! int [] a1 = { 1, 2, 3 ; int [] a2 = a1; a1==a2 ist wahr! a a a a2 Seite 13 unterschiedliche Zeiger in a1 und a2 gleiche Zeiger in a1 und a2

14 Felder (Arrays) und Funktionen Felder als Funktionsargumente Zahlwerte als Argumente werden in die Parameter-Variablen der Funktion kopiert Felder als Argumente werden nicht kopiert. Lediglich der Verweis auf den Elementspeicher wird zu Funktion kopiert. static void f(int[] a, int v) { for (int i = 1; i<a.length; i++) { a[i] = a[i]+v; f(a,x); int int [] f(a,x); v a Aufruf der Funktion 5 ParameterVariablen der Funktion 5 Übertragung der Argumente x = 5; a = new int[10]; a x Seite 14 5 Variablen in main

15 Felder (Arrays) voller Felder Mehrdimensionale Felder Felder können Felder enthalten Dies kann zur Modellierung mehrdimensionaler Felder genutzt werden. int[][] matrix = { { 10, 20, 30, { 21, 22, 23, matrix { 31, 32, 33 ; for (int[] zeile : matrix) { for (int elem : zeile) { System.out.print(elem + " "); System.out.println(); Seite 15

16 Felder (Arrays) voller Felder Mehrdimensionale Felder Beispiel Matrix-Multiplikation (1) /** * Matrixmultiplikation. matrix1 MxK Matrix matrix2 KxN Matrix MxN Matrix als Produkt von matrix1 und matrix2; * null falls die Dimensionen der Matrizen nicht passen */ static double[][] matmult(double[][] matrix1, double[][] matrix2) { int M = matrix1.length; // Zeilen matrix1 int K = matrix2.length; // Zeilen matrix2 int N = matrix2[0].length; // Spalten matrix2 if (K!= matrix1[0].length) { // Spalten matrix1!= Zeilen matrix2 return null; double[][] resultat = new double [N][M]; for(int i = 0; i < N; i++) { for(int j = 0; j < M; j++) { double s = 0.0; for(int k = 0; k < K; k++) { s = s+ matrix1[i][k] * matrix2[k][j]; resultat[i][j] = s; return resultat; Seite 16

17 Felder (Arrays) voller Felder Mehrdimensionale Felder Beispiel Matrix-Multiplikation / (2) Aufruf der Funktion public static void main(string args[]) { double[][] matrix1 = {{ 1, 2, 3, { 4, 5, 6 ; double[][] matrix2 = {{ 1, 3, { 2, 2, { 3, 1 ; double[][] matrix3 = matmult(matrix1, matrix2); for (double[] zeile : matrix3) { for (double elem : zeile) System.out.print(elem + " "); System.out.println(); Seite 17

18 Felder (Arrays) : Zusammenfassung Vorteile der Felder einfache effiziente Verwaltung von Mengen gleichartiger Daten Nachteile der Felder feste Größe Änderung der Größe nicht direkt möglich muss bei Bedarf simuliert werden (Neues Feld anlegen, Elemente umkopieren) Einfügen und Entfernen von Elementen nicht direkt möglich muss bei Bedarf simuliert werden (umkopieren und verschieben) Seite 18

19 Datenstrukturen : Listen Listen Definition def Listen-Variable = Listen-Wert Beispiel List<Integer> liste = new ArrayList<Integer>(); Zugriff auf Listen-Elemente lesend Listen-Variable.get( Index ) schreibend Listen-Variable.add( Index, Wert ) An einer bestimmten Position einfügen Listen-Variable.add( Wert ) Am Ende anhängen Seite 19

20 Listen Beispiel: Zahlen einlesen und sortiert ausgeben package hallo; import import import import javax.swing.joptionpane; java.util.arraylist; java.util.collections; java.util.list; public class Listenbeispiel { public static void main(string args[]) { List<Integer> liste = new ArrayList<Integer>(); while (true) { String zahlstr = JOptionPane.showInputDialog("Bitte Zahl eingeben"); if (zahlstr == null) { break; int zahl = Integer.parseInt(zahlString); liste.add(zahl); Collections.sort(liste); System.out.println(liste); Seite 20 Th Letschert

21 Abbildungen Abbildung (Zuordnung, engl. Map) Abbildung Wert-Zuordnung Beispiel Telefonbuch: Name ~> Nummer beliebige endliche Tabellen mit 2 Spalten Schlüssel ~> Wert (Key ~> Value) Beziehung Notation eng verwandt mit Listen Definition Map<String, Integer> telefonverz = new HashMap<String, Integer>(); Schlüssel Wert telefonverz ~ { "Hugo" ~> 4711, "Karla" ~> 4712, "Egon" ~> 4713 Abb.-Variable Abb.-Wert Seite 21 Ideell, kann so (leider) in Java nicht hingeschrieben werden.

22 Abbildungen Abbildung (Zuordnung, engl. Map) Zugriff auf Map-Elemente lesend Map-Variable.get( Schlüssel ) schreibend Listen-Variable.put( Schlüssel, Wert ) Seite 22

23 Abbildungen Abbildung Beispiel package hallo; import java.util.hashmap; import java.util.map; import javax.swing.joptionpane; public class MapBeispiel { public static void main(string args[]) { Map<String, Integer> telefonverz = new HashMap<String, Integer>(); while(true) { String name = JOptionPane.showInputDialog("Eintrag: Bitte Name eingeben"); if (name == null) { break; String nrstring = JOptionPane.showInputDialog("Eintrag: Bitte TelefonNr eingeben"); if (nrstring == null) { break; telefonverz.put(name, Integer.parseInt(nrString)); System.out.println(telefonverz); while(true) { String name = JOptionPane.showInputDialog("Suche: Bitte Name eingeben"); if (name == null) { break; JOptionPane.showMessageDialog(null, "Die gesuchte Nr " + (telefonverz.get(name)!= null? "ist " + telefonverz.get(name) : "gibt es nicht") ); Seite 23 Th Letschert

24 Datenmodellierung mit Listen und Abbildungen These: (Fast) Alle Informationsstrukturen der realen Welt lassen sich als Mengen, Listen und Abbildungen über Zahlen und Zeichenketten darstellen. In Programmiersprachen bilde dies nach mit int / double (für Zahlen) String (für Zeichen und Zeichenketten) array (für Listen und Abbildungen mit Schlüssel vom Typ int) List (für Listen und Mengen) Map (für Abbildungen) Seite 24 Th Letschert

25 Datenmodellierung Daten-Modellierung Zentrales Anliegen der Informatik: Informationsstrukturen der realen (Anwendungs-) Welt darstellen. vielfältige Anwendungen der Datenmodellierung in der Programmierung im System-Entwurf vielfältige Methoden und Notationen in diversen Programmiersprachen in der Systementwicklung zwischen denen u.u. gewechselt werden muss Seite 25 Th Letschert

26 Datenstrukturen / Datenmodellierung : Beispiel Stücklisten-Verwaltung Stammdaten: wichtige statische Informationen eines Betriebs über Lieferanden, Kunden, Erzeugnisse etc. Stücklisten: Stammdaten zu Erzeugnissen: Eine Stückliste beschreibt die mengenmäßige Zusammensetzung eines Erzeugnisses aus seinen Einzelteilen. Die Stückliste gibt dabei an, wie viele Mengeneinheiten eines bestimmten Teils oder einer bestimmten Baugruppe auf untergeordneter Erzeugnisstrukturebene benötigt werden, um eine Einheit des Erzeugnisses auf übergeordneter Erzeugnisstrukturebene herzustellen. Baukasten-Stückliste: Stücklisten können in unterschiedlicher Form gespeichert werden. Eine davon ist die Baukasten-Stückliste. Baukastenstücklisten (englisch: unit list ) zeichnen sich dadurch aus, dass jeweils nur eine Ebene der Produktstruktur betrachtet wird: Baugruppen erhalten eigene Stücklisten, die in den Stücklisten der übergeordneten Gruppen verwendet werden. Seite 26

27 Datenstruktur : Beispiel Beispiel Baukasten-Stückliste Produkt P besteht aus einem Einzelteil E1 und einer Baugruppe B Baugruppe B besteht aus aus zwei Einzelteilen E1 und und einem Einzelteil E2 Stückliste = Produkt ~> Menge( (Anzahl x (Baugruppe Teil)) ) E1 E1 P B E1 E2 Baugruppe = Menge( (Anzahl x (Baugruppe Teil)) ) Eine Stückliste ist eine Zuordnung - von Produkten (-nummern) - zu Mengen von Paaren - von Anzahl und Baugruppe (-nummern) oder Teil (-nummern). Eine Baugruppe ist eine Menge Paaren bestehend aus Anzahl und Baugruppe oder Teil. Seite 27 Wie können Stücklisten mit Hilfe von Arrays, Listen und / oder Abbildungen gespeichert werden?

28 Dateien Umgang mit Dateien - Beispiele Der Umgang mit Dateien ist komplex, wir beschränken uns auf einige Beispiele Datei auswählen Dateien können durch Eingabe ihres Pfads oder mit einem speziellen DialogFenster ausgewählt werden. Dateiauswahl durch Angabe eines Pfads public static void main(string[] args) throws FileNotFoundException { String filenane = JOptionPane.showInputDialog("Bitte Datei-Pfad eingeben"); File f = new File(fileNane); Scanner scan = new Scanner(f); while (scan.hasnext()) { System.out.println(scan.next()); Der Benutzer wird in einem Dialog um die Angabe einer Datei gebeten. Diese wird falls gefunden dann wortweise ausgegeben. Seite 28

29 Dateien Dateiauswahl mit Datei-Auswahl-Dialog public static void main(string[] args) throws FileNotFoundException { File f = null; JFileChooser fc = new JFileChooser(); int chooseresult = fc.showdialog(null, "Bitte Datei auswählen"); if (chooseresult == JFileChooser.APPROVE_OPTION) { f = fc.getselectedfile(); if (f!= null) { Scanner scan = new Scanner(f); while (scan.hasnext()) { System.out.println(scan.next()); scan.close(); Der Benutzer wird in einem Dialog um die Auswahl einer Datei gebeten. Diese wird dann wortweise ausgegeben. Seite 29

30 Dateien Datei analysierend lesen Text-Dateien können auf verschiedene Art analysierend gelesen werden. Zeilenweise lesen Wortweise lesen File f =...; Zahlenweise lesen Scanner scan = new Scanner(f); while (scan.hasnextline()) {... System.out.println(scan.nextLine()); scan.close(); File f =...; Scanner scan = new Scanner(f); while (scan.hasnext()) { System.out.println(scan.next()); scan.close(); File f =...; Scanner scan = new Scanner(f); while (scan.hasnextint()) { System.out.println(scan.nextInt()); scan.close(); Seite 30

31 Dateien Datei schreiben Text-Dateien können einfach beschrieben werden. Beispiel 1: File f =...; if (f!= null) { PrintWriter pw = new PrintWriter(f); pw.println("hallo"); pw.close(); Beispiel 2: public static void main(string[] args) throws IOException { String filepath = JOptionPane.showInputDialog("Ausgabe-Datei?"); PrintWriter pw = new PrintWriter(new FileWriter(filePath)); pw.println("hallo"); pw.println("welt!"); pw.close(); Seite 31

32 Dateien Datei mit strukturiertem Inhalt lesen Beispiel: Einlesen einer Tabelle Anlage; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; Bezeichnung; Rollstuhl Venezia XTRA; Rollstuhl Venezia XTRA; Hunderolli HappyWuff; Seniorenrollstuhl Evolution; Seniorenrollstuhl Esprit; Seniorenrollstuhl Esprit; Personenrollstuhl Budget; Seniorenrollstuhl Esprit; Personenrollstuhl Esprit; Personenrollstuhl Esprit; Personenrollstuhl Esprit; Personenrollstuhl AVO 1000; Personenrollstuhl AVO 1000; Personenrollstuhl AVO 1000; Personenrollstuhl AVO 1000; Personenrollstuhl Esprit; Seniorenrollstuhl Esprit; Personenrollstuhl Esprit; Personenrollstuhl Esprit; Personenrollstuhl Esprit; Personenrollstuhl Esprit; Baujahr; 2005; 1985; 2007; als Liste( [ Attribut ~> Wert ] ) Seite 32 Attribut Anlage Garantie; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; Typbezeichnung; Venezia 923; Venezia 923; XZR61E00; BC61E00; XZR71A30; XZR71A30; XZR51E55; XZR71A40; XZR71A30; XZR71A30; XZR71A00; XZR61 E54; XZR61 E54; XZR61 E54; XZR61 E54; XZR71A30; XZR71A30; XZR71A30; XZR71A30; XZR71A00; XZR71A00; Stoerungen; 4; 0; 2; 0; 11; 9; 10; 0; 0; 0; 0; 1; 0; 0; 0; 5; 0; 0; 0; 0; 0;

33 Dateien Datei mit strukturiertem Inhalt lesen Beispiel public static void main(string[] args) throws IOException { List<Map<String, String>> stock = new ArrayList<Map<String, String>>(); File f = null; JFileChooser fc = new JFileChooser(); int chooseresult = fc.showdialog(null, "Bitte Datei auswählen"); if (chooseresult == JFileChooser.APPROVE_OPTION) { f = fc.getselectedfile(); if (f!= null) { Scanner scan = new Scanner(f); String header = scan.nextline(); String[] attrname = header.split(";"); for(int i =0; i<attrname.length; i++) { attrname[i] = attrname[i].trim(); while (scan.hasnextline()) { Map<String,String> entry = new HashMap<String,String>(); String line = scan.nextline(); String[] values = line.split(";"); int i = 0; for(string a: attrname) { String value = values[i++].trim(); entry.put(a, value); stock.add(entry); scan.close(); Seite 33

34 Dateien... und wieder in Datei ausgeben f = null; fc = new JFileChooser(); chooseresult = fc.showdialog(null, "Bitte Datei auswählen"); if (chooseresult == JFileChooser.APPROVE_OPTION) { f = fc.getselectedfile(); if (f!= null) { PrintWriter pw = new PrintWriter(f); for (String attr: attrname) { pw.print(attr+";\t"); pw.println(); for(map<string, String> entry: stock) { for (String key: attrname) { pw.print(entry.get(key)+";\t"); pw.println(); pw.close(); Seite 34

35 Dateien Alle Dateien eines bestimmten Verzeichnisses mit einer bestimmten Endung lesen private static File finddirectory(string msg) { JFileChooser fc = new JFileChooser(); fc.setfileselectionmode(jfilechooser.directories_only); int returnval = fc.showdialog(null, msg); if (returnval == JFileChooser.APPROVE_OPTION) { return fc.getselectedfile(); else return null; private static File[] findfilesindirectory(file directory, final String extension) { FilenameFilter extensionfilter = new FilenameFilter() { public boolean accept(file f, String name) { if (name.endswith(extension)) { return true; else { return false; ; return directory.listfiles(extensionfilter); public static void main(string[] args) { File dir = finddirectory("csv-verzeichnis"); File[] csvfiles = findfilesindirectory(dir, "csv"); for (File f: csvfiles) { System.out.println(f); Seite 35