Folien zum Kurs „Programmierung mit Java“ SS 2004 Siehe essen.de/SysMod/lehre/Chemie

Folien zum Kurs„Programmierung mit Java“

SS 2004Siehe www.informatik.uni-essen.dehttp://www.informatik.uni-essen.de/SysMod/lehre/Chemie/

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Einführung in die Programmierung

1. Der Begriff des Algorithmus2. Sprache und Grammatik3. Entwurf von Programmen4. Programmieren mit JAVA

Variablen und Typen, Operatoren Anweisungen, Wiederholungsanweisungen,

Verzweigungen Beispiele: Auswertung von Formeln, Monte-Carlo-

Simulation, Molekül-Kinetik, Zelluläre Automaten Einführung in die Objektorientierung Programmierung von Java-Applets

1. Der Begriff des Algorithmus

Definition (Algorithmus als Verarbeitungsvorschrift)

Ein Algorithmus ist eine präzise, vollständige Verarbeitungsvorschrift, die so formuliert ist, dass die in der Vorschrift verwendeten Elementaroperationen von einer Maschine ausgeführt werden können.

Die Elementaroperationen müssen eindeutig definiert sein und die Reihenfolge ihrer Ausführung muss eindeutig festgelegt sein.

Andere Sicht auf den Begriff Algorithmus

Definition (Algorithmus als Funktion)

Ein Algorithmus beschreibt eine

Funktion (oder Abbildung) f: E A,

wobei

E die Menge der zulässigen Eingabedaten und A die Menge der möglichen Ausgabedaten bezeichnet.

Eigenschaften von Algorithmen (1)

Abstraktion oder Abstrahierung

Durch einen Algorithmus wird kein Einzelproblem, sondern eine Klasse von Problemen gelöst. Das konkrete Einzelproblem wird dann durch Parameter definiert.

Beispiel: "Berechne die Fakultät von n" löst eine Problemklasse; ein konkreter Einzelfall ergibt sich durch Angabe eines konkreten Parameters, z.B. n=4711.


Finitheit

statische Finitheit (= Endlichkeit der Beschreibung des Algorithmus)

dynamische Finitheit (= Endlichkeit von Datenstrukturen und Zwischenergebnissen)


Terminierung

Terminierende Algorithmen enden nach endlich vielen Schritten mit einem Ergebnis.

Aber auch nicht-terminierende Algorithmen sind von Bedeutung. Beispiele sind:

Software zur Steuerung von technischen Prozessen Betriebssysteme Kommunikationsprotokolle für Rechnernetze


Determinismus

Zu jedem Zeitpunkt der Ausführung des Algorithmus besteht maximal eine Fortsetzung, ansonsten heißt der Algorithmus nicht-deterministisch.

Ordnet man den möglichen Fortsetzungen Wahrscheinlichkeiten zu, dann erhält man einen stochastischen Algorithmus.


Determiniertheit

Bei gleichen Startbedingungen liefert der Algorithmus im Wiederholungsfalle das gleiche Ergebnis.

D.h. es wird nicht notwendigerweise die eindeutige Reihenfolge gefordert.

Beispiel: Die Auswertung von 3+4+5 kann erfolgen durch (3+4)+5 oder durch 3 + (4+5).


Effizienz

Ressourcenverbrauch eines Algorithmus, v.a. bzgl. Laufzeit oder Anzahl von Rechenschritten, meist abhängig von der Problemgröße.

Man spricht z.B. von linearer Ordnung O(n), quadratischer Ordnung O(n2), oder logarithmischer Ordnung O(log n).


Portabilität oder Portierbarkeit,

Übertragbarkeit von Programmen zwischen verschiedenen Rechnern und verschiedenen Betriebssystemen.

Portabilität ist im allgemeinen nicht ohne weiteres gegeben (Ausnahme: Java-Programme)


Robustheit und Zuverlässigkeit

Wie gutmütig reagiert ein Programm auf fehlerhafte Eingabedaten?

Wartbarkeit und Änderbarkeit

Wie gut ist ein Algorithmus an veränderte Problemstellungen oder andere Anwendungsumgebungen anzupassen?

Beispiele für Algorithmen

Algorithmus zur Division von zwei Zahlen. (Ein robuster Algorithmus, muß den Fall der Division durch Null berücksichtigen).

Verfahren zur Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers (ggT) zweier natürlicher Zahlen.

Verfahren zur Auswertung des geklammerten Ausdrucks (a+b)*c. Hier kann man einen nicht-deterministischen Algorithmus konstruieren, der bei gleichen Eingabewerten a, b und c unterschiedlich abläuft, aber dennoch immer das gleiche Ergebnis liefert. Hinweis: (a+b)*c=a*c+b*c.

Beispiele für Algorithmen (2)

Ein Algorithmus zur Bestimmung der Lösungsmenge der quadratischen Gleichung ax2 +bx+c=0 muss für alle reellwertigen Parameter a,b und c korrekt arbeiten, also auch den Fall von nicht-reellen Lösungen berücksichtigen.

Ein Algorithmus zur Berechnung von π kann nicht dynamisch finit sein, die produzierte Darstellung von π besitzt ja unendlich viele Stellen.

Wie beschreibt man Programme präzise und vollständig?

Dazu benötigt man eine (formale) Sprache und eine Grammatik, d.h. es wird ein Formalismus oder Repräsentation benötigt um Programme aufschreiben zu können

2. Sprache und Grammatik

Programmentwicklung durchläuft verschiedene Stadien

Verstehen und Analysieren des Problems Finden und Präzisieren eines Lösungsweges Aufschreiben des Algorithmus in sog. Pseudo-Code, der

aus einer Mischung von natürlichsprachlichen und programmiersprachlichen Anteilen besteht

Übersetzen des in Pseudo-Code notierten Algorithmus in eine Programmiersprache

Das entstandene Programm auf dem Rechner von Syntaxfehlern befreit und auf Funktionsfähigkeit getestet

Einsatz des Rechners zum Bearbeiten des Programms und Finden von Lösungen für konkrete Parameterwerte

Rolle von Programmen auf einem Rechner

Algorithmen werden in unterschiedlicher Form benötigt

Maschinenprogramme (Maschinencode)

Für Menschen verständliche Programme (problemorientiert)

Lesbarkeit,Modifizierbarkeit,…

Sprachen müssen also definiert werden

Syntax

Aufbau von Worten und Sätzen einer Sprache

Semantik

Bedeutung der Sprachelemente (Worte und Sätze) der Sprache

Hier: nur künstliche (mathematische) Sprachen

Notwendige Elemente einer Sprachdefinition

Zunächst: Syntax …

Zeichenvorrat … Alphabet

Regeln, nach denen aus dem Alphabet neue zusammengesetzte Elemente der Sprache gebildet werden können

Grundbegriffe …

Alphabet A (Vorrat von Zeichen)

freies Monoid A* (Menge aller Zeichenfolgen über dem Alphabet A)

Wörter w A* (Elemente aus A*)

Sprache L A* (Eine Teilmenge von A*)

Beispiele für (künstliche) Sprachen

Wörter und Sprachen sind allgemein definiert

$$§§ ist ein Wort über dem Alphabet {$,§}

L={0, 1, 01, 11, 001, 011, 101, 111, ....} {0,1}* ist eine Sprache, welche sogar eine Interpretation hat (Binärzahlen), allerdings ist L hier nicht präzise definiert!

"Die Katze jagt die Maus!" ist ein Wort über dem Alphabet, welches auch die Leerzeichen enthält {Katze, Maus, Die, die, !, ,}. Die Elemente des Alphabets kann man als Atome der Sprache bezeichnen.

Es wird ein Regelwerk zur Wortbildung benötigt

Grammatik G = (T,N, P,S) ist gegeben durch

T Menge von Terminalsymbolen (die "Atome" der Sprache) (in Java z.B.: float, if, else, while, ...)

N Menge von Non-Terminalsymbolen (in Java z.B.: variable, block, assignment, ...)

P Menge von Produktionsregeln (in Java z.B.: Wenn B eine Bedingung ist und S1 und S2 Anweisungen sind, dann ist auch "if (B) S1 else S2" eine Anweisung)

S Menge von Startsymbolen (z.B.: Program)

Formale Sprache & Grammatik

Definition (Formale Sprache)Die Menge aller Wörter, die aus dem Startsymbol S ableitbar sind und nur aus Terminalsymbolen bestehen, heißt die durch die Grammatik G erzeugte formale Sprache L(G).

Beispiel (Wort einer formalen Sprache)Sei G eine Grammatik welche die Programmiersprache XYZ beschreibt, d.h. es gelte L(G)=XYZ. Ein Wort dieser formalen Sprache ist ein syntaktisch korrektes XYZ-Programm.(Für XYZ kann stehen Pascal, Modula-2, C, C++, ..., Java).

Beispiel für formale SpracheDie Grammatik G1 = (N1 , T1 , P1 , S1) definiert einen kleinen Auszug der deutschen Sprache.

N1 {Satz, Subjekt, Prädikat, Objekt, Artikel, Substantiv, Leerzeichen}

T1 {”die ”, ”Maus ”, ”Katze ”, ”jagt ”, ”beißt ”, ”.”}

P1 {(Satz ->Subjekt Prädikat Objekt ”.”),(Subjekt -> Artikel Substantiv),(Prädikat -> ”jagt ”), (Prädikat -> ”beißt ”),(Artikel -> ”die ”),(Objekt -> Artikel Substantiv),(Substantiv -> ”Maus ”),(Substantiv -> ”Katze ”)}

S1 Satz.

Ein Beispiel für einen Ableitungsprozess

Satz Subjekt Prädikat Objekt „.“ Artikel Substantiv Prädikat Objekt „.“ „die“ Substantiv Prädikat Objekt „.“ „die“ „Maus“ Prädikat Objekt „.“ „die“ „Maus“ „beißt“ Objekt „.“ „die“ „Maus“ „beißt“ Artikel Substantiv „.“ „die“„Maus“ „beißt“ „die“ Substantiv „.“ „die“„Maus“ „beißt“ „die“ „Katze“„.“

Beschreibung des Regelwerks ist komplex

Die Angabe der Mengen N und T in der Regel einfach durch Aufzählung

Die Regelmenge P ist allerdings in den meisten praktischen Fällen etwas umfangreicher (zwar endlich aber groß)

Noch eine Bemerkung:bisher haben wir damit „nur“ die Syntax betrachtet!

Darstellung der Syntax von Sprachen

Syntaxdiagramme und EBNF

… sind Hilfsmittel um die Regelmengen für die Syntax zu beschreiben.

Wichtige Regeln für Syntaxdiagramme

Syntaxdiagramme repräsentieren Produktionsregeln. Syntaxdiagramme sind (oft) numeriert. Kreise stehen für Zeichen des Alphabets (wie a,b, ..z,

A,...,Z, +,-,*,/, ? <,>, ...) Ovale stehen für Terminalsymbole (Atome wie float, int, if,

else, ...) Rechtecke stehen für Nicht-Terminalsymbole (block, ...,

literal, variable, ...) Die Durchlaufrichtung eines Diagramms wird durch Pfeile

angegeben Syntaxdiagramme können auch rekursiv verwendet werden

Beispiel für Syntaxdiagramme

Übungen (Zur Syntax von Namen)

Beschreiben Sie das oben gezeigte Syntaxdiagramm verbal.

Geben Sie jeweils zwei gültige und zwei ungültige Java-Identifier an.

Geben Sie das (ziemlich triviale) Syntaxdiagramm für Java-Digit an.

Kommentare zur Namensgebung

Es gibt weitere Möglichkeiten zur Namensgebung in Java. So sind nach einem einleitenden Java-Letter auch Sonderzeichen wie *, % und @ erlaubt, sogar der komplette Unicode-Zeichensatz (nicht nur ASCII) ist erlaubt!

Aber man ahnt die Konfliktmöglichkeiten mit Java-Operatoren!

Also man beschränke sich am besten auf die ASCII-Zeichen A-Z und a-z. Positive Beispiele zur (pragmatischen) Namensgebung sind z.B. AnzahlVersuche,AnzahlErfolge, MittelwertDerMessreihe, aktuellerWert, etc.

Backus-Naur-Normal-Form (BNF) und Erweiterte BNF

Zwei ältere Notationen sind genauso mächtig wie die Syntaxdiagramme

BNF , Extended BNF Metasymbole in BNF sind:

::= bedeutet: ist definiert als ... | bedeutet: oder.

Nichtterminalsymbole (entsprechen den Rechtecken in den Syntaxdiagrammen) werden in spitze Klammern gesetzt, also z.B. <Programm>

Beispiel: Regeln für das Bilden beliebig langer Summen

<Summe> ::= <Summand> | <Summand> + <Summe>

<Summand> ::= a | b | c

a + c + b + c

EBNF und BNF

EBNF und BNF sind gleich mächtig EBNF ist komfortabler -> reichere Metasyntax = ”definiert als” (”::=” in BNF) (...|...) genau eine Alternative aus der Klammer muß stehen [ ... ] Inhalt der Klammer kann stehen oder nicht { ... } Inhalt der Klammer kann n–fach stehen, n ≥ 0 . Ende der Produktion (in BNF nicht speziell markiert). Nichtterminalsymbole sind einfach Symbole Terminalsymbole sind speziell gekennzeichnet,

durch Klammerung mit Anführungszeichen (”...”).

3. Entwurf von Programmen

3.1 Schrittweise Verfeinerung oder Top-Down-Entwurf

3.2 Bottom-Up-Entwurf

3.3 Greedy-Algorithmen

3.1 Schrittweise Verfeinerung

Betrachtung dieses Prinzips geht auch ohne Programmiersprache

Prinzip: Betrachte Algorithmus in Pseudosprache Ersetze eine Anweisung in der Pseudosprache durch

einfachere Anweisungen Mache das so lange bis alle Anweisungen sog.

elementare (oder „atomare“) Anweisungen sind, die von der „Maschine“ ausgeführt werden können.

Beispiel: Haushalts - Roboter

Koche eine Kanne Tee --- komplex (1) Gib Teebeutel in Kanne (2) Gib kochendes Wasser in die Kanne (3) Lasse 3 Minuten ziehen (4) Entferne Teebeutel aus der Kanne

Die Anweisungen (1)-(4) müssen weiter verfeinert werden!

Betrachte Anweisung (2)

"Gib kochendes Wasser in die Kanne" (2.1) Fülle Topf mit Wasser (2.2) Stelle Topf auf Herdplatte (2.3) Warte bis Wasser kocht (2.4) Gieße das Wasser vom Topf in die Kanne

Betrachte Anweisung (2.3)

"Warte bis Wasser kocht" (2.3.1) Schalte Herdplatte ein (2.3.2) Wiederhole "Messe die Wassertemperatur"

solange bis "Wassertemperatur nahe bei 100 C" (2.3.3) Schalte die Herdplatte aus

Bemerkungen zu Top-Down Ansatz

Beachte: manche Anweisungen oben müssen noch weiter präzisiert werden

Das Verfahren wird solange fortgesetzt, bis man auf „elementare“ Anweisungen kommt, die die Maschine (Haushaltsrobot oder Rechner/Java) direkt ausführen kann

Übung: Tic Tac Toe

Tic Tac Toe

Machen Sie einen Entwurf für ein Programm zum Spielen von Tic-Tac-Toe.

Zwei Spieler setzen abwechselnd einen Kreis (O) bzw. ein Kreuz (X) in ein 3x3-Spielfeld. Der Spieler, welcher zuerst 3 Kreise bzw. 3 Kreuze in einer Reihe, Linie oder Diagonale hat, hat gewonnen.

Das Programm soll abwechselnd Kreise und Kreuze entgegen nehmen, die Korrektheit der Eingabe prüfen, nach jedem Zug die Spielposition ausgeben, etc.

Schreiben Sie Ihren Entwurf in Pseudo-Code auf.

3.2 Bottom-Up-Entwurf

Entgegengesetzt zu TopDown

Zunächst abgeschlossene Teilaufgaben lösen und implementieren

Lösungsalgorithmen für Teilaufgaben können dann in Form von Prozeduren oder Modulen vorliegen, aus denen größere Lösungsalgorithmen zusammengesetzt werden können.

Anwendungen des Bottom-Up Prinzips

Z. B. Numerik Vektorrechnung Matrizen Numerische Integration …

In der Regel wird man eine Kombination von TopDown und BottomUp verwenden

Java Programmierung

Variablen und Typen, Operatoren Anweisungen, Wiederholungsanweisungen,

Verzweigungen Beispiele:

Auswertung von Formeln Monte-Carlo-Simulation Molekül-Kinetik Zelluläre Automaten

Einführung in die Objektorientierung Programmierung von Java-Applets

Java Programmierung: Hello World

//HelloWorld

class HelloWorld{ public static void main (String args[ ]) { System.out.println("Hello" + "World!!"); }}

Aufbau von Java - Programmen

Klassen Klassen bestehen aus Variablen- und Methoden-

Vereinbarungen Methoden bestehen aus

Kopf Rumpf -> enthält Algorithmus

Startpunkt eines Programms: die spezielle Methode main

Variablen

Variablen haben Namen (frei wählbar) z. B. i Typ (ist fest kann in Java nicht geändert werden) Wert (kann durch Zuweisung geändert werden)

D. h. Variablen sind wie Behälter, die einen Wert aus einem bestimmten Wertevorrat (durch den Typ festgelegt) aufnehmen können

Deklaration von Variablen

Variablen existieren nicht automatisch, sie müssen deklariert werden:

int Ordnungszahl; boolean IstMetall;

float pi;String Name;int i,j,k;

Deklaration von Variablen (2)

mit gleichzeitiger Initialisierung:

int i = 123;float r = 5.5;boolean sunny = true;

123

5.5

true

i:

sunny:

r:

Datentypen

Datentypen (=Typen, Wertebereiche, Operationen) Es gibt drei Arten von Typen: sog "primitive" Datentypen

byte, short, int, long (von 8, 16, 32 bzw. 64 bit Länge) float, double (mit 32 bzw. 64 bit Länge) char (16 Bit, wegen Unicode) boolean (true, false)

Klassen (später) Arrays oder Felder (später)

Wertzuweisung (assignment)• // Mit sofortiger Initialisierung• double SpeedOfLight = 2.99792458E8,• Pi = 3.141592,• PlanckConstant = 6.26176E-34,• BoltzmannConstant = 1.38066E-23;• // … oder erst deklarieren• float Frequency, Temperature;• char EinZeichen;• boolean Hit;• // ... und spaeter initialisieren• Frequency = 5.1E12;• Temperature = 273.0;• EinZeichen = 'X‘;• Hit = false;

Konstante in Java (siehe Pascal)

Es gibt keine echten Konstanten. Diese werden durch den Zusatz final nachgebildet:

Beispiele:final float Pi = 3.141592;final double PlanckConstant = 6.26176E-34;

Das Java-System sorgt dafür, dass final -Variablen nicht modifiziert werden können

Die Klasse String (Zeichenkette)

Hier nur drei Beispiele für String-Variable (ausführlicher später).

String S0 = " Das Ergebnis lautet: ",S1 = "Hello",S2 = "Es geht auch \n Zeilenumbruch!",S3 = "... oder \t Tabulator!" ;

Übung: \n und \t sind sog. Character Escape Codes, die einen Zeilenumbruch bzw. Tabulatorvorschub durchführen!

Literale repräsentieren Werte primitiver Typen

Hier eine kleine Auswahl:13, -47, 10000000, 13L, 007, 011, 0XA, 0XB,5.677777, 5.677777F, -2.5, 10.1E45, .36E-2,true, false, 'a', 'b', '7', '#', "Hello", "7",

Zu welchen Datentypen gehören die o.g. Literale? Geben Sie ein paar plausible, aber nicht zulässige Literale

an!

Ausdrücke und Operatoren

Die grundlegenden arithmetischen Operatoren sind

+, -, *, /, und %.

Das %-Zeichen stellt die Modulo-Funktion dar. Es gibt eine Reihe weiterer Operatoren …

Beispiel: Arithmetische Operatorenclass ArithmeticOperators{ public static void main (String args[ ]) {System.out.println("Dealing with operators!!"); int e,m,c; m = 47; c = 11;// Wertzuweisung an m und c e = m*c*c; // Arithmetische Operation System.out.println("e = m*c*c = " + e); System.out.println("e = m*c*c = " + m*c*c); System.out.println("e = m+c = " + (m+c) ); System.out.println("e = m-c = " + (m-c) ); System.out.println("e = m/c = " + (m/c) ); System.out.println("e = m%c = " + (m%c) ); }}

Zuweisungsoperatoren

Wegen der Verwandtschaft von Java mit C und C++ gibt es (neben dem einfachen Zuweisungsoperator =) auch folgende, weitere Zuweisungsoperatoren.

Operator Wirkungx += y x = x + y

x -= y x = x - y

x *= y x = x * y

x /= y x = x / y

Inkrementieren & Dekrementieren

Die Operatoren ++ und -- dienen zum inkrementieren (+1) und dekrementieren (-1).

Problematisch ist, daß ++ und -- beide als postfix- und als präfix-Operatoren verwendet werden können, d.h

y=x++; postfix-Operator: Erst Zuweisung von x an y, dann Inkrementierung von x

y=++x; präfix-Operator: Erst Inkrementierung von x, dann Zuweisung von x an y,

Operator Wirkung

x++; x=x+1;x--; x=x-1;

Vergleichsoperatoren

Die Vergleichsoperatoren sind gegeben durch:==, !=, <,>, >=, <=,

beachtenswert ist der Gleichheitsoperator ==

Beispiele zur Anwendung von Vergleichsoperatoren:

a == 0b == b // ist immer truec<3E9epsilon < e-9

Logische Operatoren

Name Java-Notation Beispiel

Konjunktion AND & bzw. && A & B

Disjunktion OR | bzw. || A || B

Exklusives-Oder XOR

^ A ^ B

Negation NOT ! !A

Präzedenz von Operatoren

... ist natürlich geregelt, z.B. "Punkt- geht vor Strich-Rechnung".

Im Zweifelsfalle bitte Klammern setzen, auch im Hinblick auf die Lesbarkeit.

Wiederholungsanweisungen

Wiederholungsanweisungen oder Schleifen dienen dem mehrfachen Durchlaufen bestimmter Programmteile.

Dabei wird meist ein Zähler (oder auch mehrere Zähler ) aufwärts (oder auch abwärts) gezählt.

for-Schleifen (Zählschleifen)

Sog. for-Schleifen bestehen aus den drei Teilen

1. Initialisierung der Schleife (Startwert festlegen, z.B. i=0)2. Test der Zählvariablen (z.B. i<10)3. Inkrementieren der Zählvariablen

(z.B. durch i++ oder i=i+1)

for (i = 0; i<10; i++) { ...<Schleifenrumpf ... }

Beispiel for-Schleife

Als sog. Pseudo-Code:

Beginne mit i=0Für i tue , (falls i < 10) folgendes

Drucke den Wert von i… und erhöhe den Wert von i um 1.

Als Java-Code:

for (i=0; i<10; i++)System.out.println("Loop: " + i);

Beispiel: Summation von Werten

Endliche bzw. abbrechende Reihen können einfach mit for-Schleifen berechnet werden, wenn die Zahl der Summanden bekannt ist und die Form der Summanden eine Funktion des Index ist, wie z.B. bei der geometrischen Reihe.

1+2+3+4+ ... + 9.int summe = 0;for (i=1; i<10; i++)

summe = summe + i;

Geschachtelte (for-) Schleifen

for (…) { s1;

for (…) { s2;…} }

Wie häufig werden die jeweiligen Anweisungen durchlaufen?

Beispiel:Schreiben Sie eine 3-fache for-Schleife, welche alle Sekunden eines Tages im Format hh:mm:ss angibt, also von 00:00:00, 00:00:01, ...., über 11:55:59, .. bis 23:59:59.

Schleifenabbruch durch Bedingungen

while , do - Schleifenwhile (condition){<Schleifenrumpf>}

Beispiel zur while-Schleifeint i = 1;while (i <5){System.out.println ("Nr: " + i); i++;

}

Übungen & Fragen

Ersetze die Anweisung i++ durch eine gleichwertige Anweisung!

Was passiert, wenn i++ durch i-- ersetzt wird?

Schreibe das Beispiel mit einer for-Schleife statt einer while-Schleife.

do-Schleife

do{

<Schleifenrumpf>}while (condition)

Beispiel do-Schleife

/* Simple do loop */class DoTest {

public static void main (String args[]) {int x = 1;do

{System.out.println ("Looping, round " + x);x++;} while (x <= 10);

}}

Wichtige Aspekte von Schleifen

Die while- und die do-Schleife sind die allgemeinere Form im Vergleich zur for-Schleife

Grundsätzlich kann es passieren, dass Schleifen während des Ablaufs nicht terminieren:(1) while (true) { … }(2) for (i=0; i>=0; i++) { … }

Die Formulierung von Schleifen sollte daher mit Sorgfalt geplant werden

Verzweigungsanweisungen

Man kann den Programmablauf aber abhängig davon machen, ob bestimmte Bedingungen (Boolesche Ausdrücke) erfüllt sind.

Bedingungen sind logische (=Boolesche) Ausdrücke, deren Auswertung entweder true oder false ergibt.

Beispiele für typische Bedingungen sindm > 0 (* hängt ab vom Wert von m *)n=m (* hängt ab von Wert von n und m *)2<3 (* ist immer true *)

Allgemeinste Form: if-Anweisung

Die Syntax der if-Anweisung istif (condition)

{ <Anweisungsfolge1>} else { <Anweisungsfolge2> }

Der else-Teil kann auch entfallen, dann spricht man von bedingter Anweisung.

Beispiel (Bedingte Anweisung)if (a>b) System.out.println("a ist groesser als b!");

Beispiel (AlternativAnweisungen)

if (a>b) System.out.println("a ist groesser als b!"); else System.out.println ("a ist nicht groesser als b!“);

Übungen und Fragen: Was bedeutet "condition"? Geben Sie Beispiele für "conditions"

an Konstruieren Sie ein Beispiel! Kann in den Anweisungsfolgen wiederum eine if-Anweisung

stehen?

Switch-Anweisung

Das switch-Konstrukt erlaubt die Auswahl zwischen mehreren (evtl. sehr vielen) Alternativen.

//Switch-Exampleimport java.lang.System;class SwitchExample{public static void main (String args[ ]){System.out.println("Switch-example");System.out.println("--------------");

Switch (Fortsetzung)

double x = 7.0, y = 3.0; char operator; operator = '-'; switch (operator) { case '+': System.out.println("x + y = " + (x+y)); break; case '-' : System.out.println("x - y = " + (x-y)); break; case '*' : System.out.println("x * y = " + (x*y)); break; case '/' : System.out.println("x / y = " + (x/y)); break; } }}

Bemerkungen zur switch-Anweisung

Die Auswahl erfolgt aus einer zu int kompatiblen Wertemengeswitch ( int-ausdruck) { … }

Die einzelnen switch - Arme laufen „ineinander“ wenn sie nicht explizit mit break; abgebrochen werden

Es gibt noch die Möglichkeit auch einen sogenannten default - Arm zu definieren

Weitere Beispiele (1)

//temperaturclass dh_temperatur_for{ public static void main (String args[ ]) { System.out.println("Umrechnung für verschiedene Temperaturskalen"); int kelvin, celsius, fahrenheit; for (kelvin=250;kelvin<=320; kelvin++) { celsius = kelvin-273; fahrenheit = celsius*9/5 + 32 ; System.out.println("Kelvin : "+kelvin+" Celsius :"+celsius+ " °"+ " Fahrenheit : "+fahrenheit+" °"); } }}

Achtung!

Weitere Beispiele (2)// Bestimmung von Pi mit Monte Carlo Simulationclass piberechnung{ public static void main (String args []){ int i; int treffer=0; double x,y; double pi; for (i=1; i<=5000; i++) { x=Math.random(); y=Math.random(); if ((x*x+y*y)<=1) treffer++; pi=(4*treffer/(double)i); System.out.println("Pi(n="+i+")="+pi); } }}

Beachte denType-Cast (= Typanpassung)

durch (double)i


public class Mittelwert {

public static void main(String args[]) { int Anzahl; float Summe, Mittel;System.out.println( "Mittelwert einer Folge von float-Werten" );

Anzahl = 4;Summe = 10.0f;Mittel = Summe / Anzahl;

System.out.println("Der Mittelwert beträgt " + Mittel);

}}


Nun wirklich eine Folge von Werten Folge repräsentiert durch eine Datei Ein/Ausgabe ist in Java etwas aufwändiger, da viele

Spezialitäten sichtbar werden, die sonst versteckt werden

Mittelwertbestimmung (1): Start des Programms

public class Mittelwert {

public static void main(String args[]) {System.out.println( "Mittelwert einer Folge von float - Werten" );System.out.println("Bitte den Dateinamen eingeben, “+

"der die Werte enthaelt");boolean weiter = true;String line;String DateiName = StringEingabe();float f;float Summe=0.0f, Mittel=0.0f;int Anzahl=0;

Mittelwertbestimmung (2): Eingabe

static String StringEingabe () { String s = ""; try {java.io.BufferedReader d = new java.io.BufferedReader( new java.io.InputStreamReader(System.in)); s = d.readLine(); } catch (java.io.IOException e) {} return s.trim(); }

KomplexesObjekt zur Darstellung

von Eingabedateien

Standard-Eingabe

Leerzeichenentfernen

Beginn des try-catch Blocks zum Abfangen

von E/A-Fehlern

Mittelwertbestimmung (3):Datei eröffnen

java.io.BufferedReader DieDatei; try {DieDatei = new java.io.BufferedReader(

new java.io.InputStreamReader(new java.io.FileInputStream(DateiName)));

Objekt zurDarstellung derDatei, die Werte

enthält

Mittelwertbestimmung (4): Verarbeitung der Werte

while (weiter) { try { line = DieDatei.readLine(); if (line != null) { try { f= Float.valueOf(line).floatValue(); Summe = Summe +f; Anzahl ++; } catch (NumberFormatException e) {System.out.println ("String Conversion to float failed" + e);} } else weiter = false; // EOF occurred } catch (java.io.IOException e) {System.out.println (e); weiter = false;} }

Zeile einlesen

String -> Float

Mittelwertbestimmung (5): Abschluss: Datei schließen Mittelwert ausgeben try {DieDatei.close();} catch (java.io.IOException e) {System.out.println ("Error in closing file:"+DateiName+":" + e);} if (Anzahl > 0) { Mittel = Summe / Anzahl; System.out.println

("Der Mittelwert der " + Anzahl + " Werte beträgt " + Mittel ); } else System.out.println("Zu wenig Werte!");

Arrays bzw. Felder

Prinzip eines linearen Arrays

Prinzip von Arrays

Das zugrundeliegende Modell ist das homogene Cartesische Produkt.

Alle Komponenten eines Arrays sind alle vom gleichen Grundtyp (Basistyp oder Komponententyp)

Auf die Komponenten kann über Indizes (= Nummern) zugegriffen werden.

Wichtige Aspekte von Arrays Die einzelnen Elemente werden von 0 bis n-1

durchnummeriert (-> Indexbereich) Die einzelnen Elemente sind über einen sogenannten

Index zugreifbar, der aus dem Indexbereich sein muss. In Java werden Array-Objekte zuerst deklariert, danach

generiert! Das Generieren geschieht mit new! Deklarieren und Generieren kann auch in einer einzigen

Anweisung formuliert werden Beide Phasen sollten unterschieden werden! In der Regel haben Arrays eine feste Größe, nachdem

sie generiert wurden.

Erstes Array - Beispielclass ArrayExample1{

public static void main (String args[ ]){

System.out.println("Array-Example"); System.out.println("--------------"); int[ ] Feld; // Deklaration einer Array-

// Variablen Feld = new int[10]; // Erzeugung eines Array-

// Objekts !! // mit subscripts

// 0,1,2, ..., 9 Feld [0] = 17; // Zugriff auf Array-Elemente Feld [1] = -5; System.out.println("Feld [0] :" + Feld [0]); System.out.println("Feld [1] :" + Feld [1]);

}}

Weitere Eigenschaften von Arrays

Arrays lassen sich besonders gut durch for-Schleifen bearbeiten. Die Zählvariable durchläuft einfach den Index-Bereich des Arrays!

Ein Array kann nicht erweitert oder verkleinert werden (stattdessen umkopieren! s.u.)

Die Anzahl der Elemente in einem Array kann über das Attribut length abgefragt werden.

Beispiel (Umkopieren von Werten mit Hilfe einer for-schleife)int i;int[ ] Quelle, Ziel; // Namen für 2 int-ArraysQuelle = new int[20];// Array der Laenge 20Ziel = new int[Quelle.length + 10]; // Array der Laenge 30..for (i=0; i<Quelle.length;i++){ Ziel[i] = Quelle[i]; System.out.println(i + „: „+ Quelle[i]);}

Mehrdimensionale Arrays Tabellen float[ ][ ] mat ; // Deklarationmat = new float [4][4]; // Erzeugen der Matrix...// Zeilenweises Ausdrucken der Matrix matfor (int y = 0; y < 4; y++)// y ist nur innerhalb des for-Schleifenrumpfs verfügbar { for (int x = 0; x < 4; x++) // für x gilt dies auch { System.out.print(mat[y][x] + „ ”); }; System.out.println();};

Deklaration mit Initialisierung

Initialisierung einer Array-Variablen: in geschweifte Klammern eingeschlossene Initialisierungswerte

Beispiel (ein-dimensionales Arrays)String[ ] Element = { "Dummy", "Hydrogen", "Helium", "Lithium"};// ist äquivalent zuString[ ] Element = new String[4];Element[0] = "Dummy" ;Element[1] = "Hydrogen" ;Element[2] = "Helium";Element[3] = "Lithim" ;

Initialisierung im mehrdimensionalen Fall

Beispiel (zwei-dimensionales Array)

// 4x4-Einheits-Matrixdouble[ ][ ] identity = // die 4 x 4 //Einheits - Matrix{ {1.0 , 0.0 , 0.0 , 0.0 } , {0.0 , 1.0 , 0.0 , 0.0 } , {0.0 , 0.0 , 1.0 , 0.0 } , {0.0 , 0.0 , 0.0 , 1.0 } ,};

Programmierung von Modellen aus Chemie und Physik

Formelauswertung Monte-Carlo-Techniken Molekül-Kinetik Game of Life

Beispiel: Mittlere freie Weglänge von Gasmolekülen (1)

Formel zur Berechnung:

mitN

l22

1

TRpNN A


import java.lang.System;class weglaenge {

public static void main (String args [ ]) {

int i=0;double L; // mittlere freie Weglaenge [m]

double sigma=3.64E-10; // Molekueldurchmesser [m] double p=1013.25; // Druck [mbar] double T=298.15; // Temperatur [K]

double U; // mittlere Geschwindigkeit [m*s^-1] double M=4.0; // Molmasse [g*mol^-1] double Na=6.022E23; // Avogadrokonst. [mol^-1] double R=8.314; // Gaskonst. [J*(mol*K)^-1] double

pi=3.1415; // Pi


U=Math.sqrt(3*R*T/M);L=1/(Math.sqrt(2)*pi*sigma*sigma*Na*p/(R*T));System.out.println("");System.out.println("Angabe von U in [m*s^-1]");System.out.println("Angabe von L in [m]");

System.out.println("Standardtemperatur T="+T+"K");System.out.println("Standarddruck p="+p+"mbar");System.out.println("U="+U+" L="+L);System.out.println("");for (T=273.15; T<=373.15; T+=10) { System.out.print("T="+T+" "); U=Math.sqrt(3*R*T/M); System.out.println("U="+U+" ");


for (p=900.0; p<1100; p+=10){L=1/(Math.sqrt(2)*pi*sigma*sigma*Na*p/(R*T));i++;if ((i%5)>0) System.out.print("p="+p+" L="+L+" : ");if ((i%5)==0) System.out.println("p="+p+" L="+L+" ");

} System.out.println(""); }

}}

Berechnung von mit Monte-Carlo-Techniken (1)

Bestimmung der Zahl kann durch „Werfen“ von zufälligen Punkten (x,y) in den Einheitskreis durchgeführt werden

Wir betrachten ein Quadrat mit Seitenlänge 1 im I. Quadranten mit dem einbeschriebenen Viertelkreis mit Radius 1 (Fläche

Sei die Zahl der Treffer T und die Gesamtzahl der Würfe N, so ist T/N

Mit wachsender Zahl der Würfe sollte das Ergebnis genauer werden



import java.lang.System;class piberechnung

{public static void main (String args [ ]) {int i;int treffer=0;double x,y;double pi; for (i=1; i<50001; i++)

{ x=Math.random(); y=Math.random(); if ((x*x+y*y)<=1) treffer++;

pi=(4*treffer/(double)i); System.out.println("Pi(n="+i+")="+pi); }

} }

Molekül-Kinetik und Monte-Carlo-Simulation (1)

Wir betrachten hier nur ein einziges Molekül in der x/y-Ebene, d.h. der Ort des Moleküls werde nur durch ein Koordinatenpaar (x, y) beschrieben

Die mittlere freie Weglänge sei L. Bei einer Kollision wird das Molekül mit dem Winkel (phi) abgelenkt und fliegt die Strecke (rho) m weit bis zur nächsten Kollision


Der neue Ort ergibt sich durch (x0+dx, y0+dy) wobei wir dx und dy durch eine Transformation der Polarkoordinaten und in das Cartesische Koordinatensystem erhalten:

dx = cos dy = sin

Nach N Kollision befindet sich das Molekül am Ort (xN, yN).Die sog. Diskolation ergibt sich durch

)( NNNN yyxxd


//Monte-Carlo-Simulation-Molekülausbreitung import java.lang.System;class Dislocation {public static void main (String args[ ])

{System.out.println("Gas molecule located at (x=0,y=0)");int i, number = 0;

double x=0.0, y=0.0, /* Aktuelle Koordinaten */dx=0.0, dy=0.0, /* aktuelle Verschiebung */phi=0.0, rho=0.0, /* Phi Winkel, Rho Länge */L=0.0, /* L mittlere freie Pfadlänge */disloc=0.0; /* dislocation */

L = 5.0E-10; // Halbwegs plausibler WertSystem.out.println("mean free path length: " + L);

number = 100;System.out.println("Number of steps " + number);

System.out.println("Simulation starts now!");


for (i=0; i<number; i++){phi = 360.0*Math.random(); // Winkelrho = L*Math.random()*2.0; // Zufallswert aus [0, 2*L]dx = rho*Math.cos(phi); // Transformation von dy = rho*Math.sin(phi); // Polar-> Cartesischen Koord.

x = x + dx;y = y + dy;}

disloc = Math.sqrt(x*x+y*y); // Berechnung der Dislokation d System.out.println("dislocation after " + number + "steps: " + disloc); }}

Game of Life und Zelluläre Automaten Das Game of Life wird auf einer Fläche durchgeführt, die in

rechteckige Zellen aufgeteilt ist Im Originalmodell wird die Fläche als unbegrenzt

betrachtet. Aber um die Generierung von Mustern auf dem Bildschirm zu verfolgen, werden wir die begrenzte Bildschirmfläche betrachten, unter der Annahme, daß der linke Rand mit dem rechten verbunden ist und ebenso die obere Bildschirmzeile mit der unteren. Diese Abwandlung spielt das “Game of Life” auf der Oberfläche eines Torus

Zu Beginn nimmt man eine Anfangspopulation an. Die belegten Felder werden mit einem Stern auf dem Monitor gekennzeichnet, die leeren Zellen ergeben eine leere Fläche. Von der ursprünglichen Population ausgehend wird die folgende Generation unter Anwendung folgender Regeln berechnet:

Game of Life und Zelluläre Automaten

Belegte Zellen werden nur überleben, wenn sie zwei oder drei belegte Nachbarzellen haben. Nachbarzellen sind Zellen mit einer gemeinsamen Linie oder mit einer gemeinsamen Ecke

Belegte Zellen sterben und werden zu leeren Zellen, wenn es mehr als drei Nachbarn gibt (überfüllt) oder wenn es nur einen oder überhaupt keinen Nachbarn gibt (Isolationstod)

Eine Geburt findet in einer leeren Zelle statt, wenn diese Zelle genau drei belegte Nachbarzellen hat

Game of Life und Zelluläre Automaten

Tod (T), Geburt (G) und Überleben (Ü) von Zellen

Aufgabe: Ferromagnetismus

Schreiben Sie ein Programm zur Simulation des zweidimensionalen Ising-Modells für Ferromagnetismus

Jede Zelle kann in einem von zwei Spin-Zuständen sein

In diesem Modell werden nur vier Nachbarn in Betracht gezogen (West, Nord, Ost und Süd)

Wenn eine Zelle zwei Nachbarn mit Aufwärtsspin und zwei mit Abwärtsspin hat, dann kann die Zelle in der nächsten Generation mit derselben Wahrscheinlichkeit einen der beiden Spins haben


Wenn es mehr Nachbarn mit einer Art von Spin gibt, geht man bei dieser Zelle von einer höheren Wahrscheinlichkeit aus, daß sie diesen Spin belegen wird

Darüber hinaus sind diese Wahrscheinlichkeiten temperaturabhängig


Man könnte z.B. annehmen, daß drei Nachbarn mit identischem Spin mit der Wahrscheinlichkeit p = 0.5+0.25/(1+a*T) zu einer Belegung mit demselben Spin führen

Wenn es vier identische Nachbarn gibt, kann diese Wahrscheinlichkeit 0.5+0.5/(1+a*T) sein. Die Konstante a ist charakteristisch für das Material (Stichwort: Curie-Temperatur).

Aufgabe: Legierungen

Gegeben ist eine n x n - Matrix, die mit As und Bs gefüllt ist. Dies sollte in einem Zufallsprozeß geschehen, in dem die Wahrscheinlichkeit der Füllung eines bestimmten Matrixelements mit A durch pa gegeben ist

Um die Matrix vollständig zu füllen, muß die Wahrscheinlichkeit für B pB = 1 - pA sein. Dies kann als ein sehr einfaches Modell für eine Legierung betrachtet werden

Was ist die Mindestwahrscheinlichkeit pA , um Strukturen in der Matrix zu erhalten, wo alle (oder fast alle) As verbunden sind?

Das Programm zur linearen Regression

Zunächst der Kern

Dann alles drum herum : Eingabe, Darstellung,…

Ausgangspunkt: Tabelle (zwei-dimensionales Array) für die

Speicherung der Werte Methoden zur Berechnung der Mittelwerte …

Das Array zur Speicherung der Werte

double [] [] theArray = new double [10] [2];

theArray [i] [0]; theArray [i] [1];X-Werte Y-Werte

Zu berechnende Formeln …

double sumx = 0.0d;double sumy = 0.0d; for (int i = 0; i<theArray.length;i++) {sumx = sumx + theArray[i][0]; sumy = sumy + theArray[i][1]; } meanx = sumx/theArray.length; meany = sumy/theArray.length;

Ziel: die Geradengleichung

Mittelwert der y-WerteMittelwert der x-Werte

Empirischer Regressionskoeffizient

Nun rückwärts …

empirische Kovarianz

Empirische Kovarianz …

double sum=0.0d; for (int i = 0; i<theArray.length;i++) {sum = sum + (theArray[i][0]-meanx) * (theArray[i][1]-meany); }covariance = sum/(theArray.length-1);

Die Quadrate der Differenzen

double sumxdiffs=0.0d, sumydiffs=0.0d; for (int i = 0 ; i<theArray.length;i++) { sumxdiffs = sumxdiffs + (theArray[i][0]-meanx) *(theArray[i][0]-meanx); sumydiffs = sumydiffs + (theArray[i][1]-meany) *(theArray[i][1]-meany); } sdiff2x = sumxdiffs/(theArray.length - 1); sdiff2y = sumydiffs/(theArray.length - 1);

Nun muss alles zusammengefügt werden

Die Mittelwerte berechnen Der Mittelwert der Quadrate der Abweichungen Die empirische Kovarianz Die Regressionskoeffizienten

-> Abstraktionen schaffen -> Methoden

Abstraktion: Berechne alles

void computeCoeffiecients() { computeMeans(); computeSquareDiffs(); computeCovariance(); regressioncoeff_x = covariance/sdiff2x; regressioncoeff_y = covariance/sdiff2y; }

… stützt sich auf einfachere Abstraktionen

void computeMeans() { double sumx = 0.0d; double sumy = 0.0d; for (int i = 0; i<theArray.length;i++) {sumx = sumx + theArray[i][0]; sumy = sumy + theArray[i][1]; } meanx = sumx / theArray.length; meany = sumy / theArray.length; }

Punkte zur Beachtung

Einige Variablen sind lokal

Die anderen sind für die Methode global, d.h. sie müssen an anderer Stelle deklariert sein

Fortsetzung (1) …

void computeSquareDiffs() { double sumxdiffs=0.0d, sumydiffs=0.0d; for (int i = 0 ; i<theArray.length;i++) { sumxdiffs = sumxdiffs + (theArray[i][0]-meanx) *(theArray[i][0]-meanx); sumydiffs = sumydiffs + (theArray[i][1]-meany) *(theArray[i][1]-meany); } sdiff2x = sumxdiffs/(theArray.length - 1); sdiff2y = sumydiffs/(theArray.length - 1); }

Fortsetzung (2)

void computeCovariance() { double sum=0.0d; for (int i = 0; i<theArray.length;i++) {sum = sum + (theArray[i][0]-meanx) *(theArray[i][1]-meany); } covariance = sum/(theArray.length-1); }

Noch ist nicht alles zusammen gefügt

Wo sind die bisher nicht deklarierten Variablen aufgeführt?

Es werden alle Eigenschaften zu einer Klasse zusammengefasst

Wie kommen die Daten zu der Berechnung? Die Daten werden bei der Initialisierung übergeben

(siehe new)

Die Idee der Objektorientierung

Zusammenfassung der Daten und der diese Daten manipulierenden Methoden in einer Einheit

Klassendefinition enthält Variablendeklarationen und Methodenvereinbarungen

Von einer Klasse können Instanzen gebildet werden Mit anderen Worten: Eine Klasse ist ein Bauplan für

Instanzen Instanzen heißen Objekte

Im Beispiel lineare Regressionclass Table{ double [ ] [ ] theArray; double meanx, meany; double sdiff2x,sdiff2y; double covariance, regressioncoeff_x, regressioncoeff_y; void computeMeans() { … } void computeSquareDiffs() {…} void computeCovariance() {…} void computeCoeffiecients() { computeMeans(); computeSquareDiffs(); … }}

Nun müssen noch die Daten her …

Ein neues Objekt der Klasse Table wird mit Hilfe von new hergestellt

Table Messwerte = new Table();

Eine Möglichkeit: Zuweisung an die Variable theArray … z.B.:

Messwerte.theArray = new double …Messwerte.computeCoeffiecients();

… ist unschön

Besser: Werte bei Objekterzeugung übergeben

Formulierung eines speziellen sogenannten Konstruktor, der für die richtige Initialisierung und Werteübergabe sorgt

Table (double [] xs, double [] ys) {theArray = new double [xs.length][2]; for (int i=0;i< theArray.length; i++) {theArray[i][0] = xs[i]; theArray[i][1] = ys[i]; } }

Konstruktor …

Ist keine Methode Daher eigene Syntax (kein Rückgabewert) Vordefinierte Konstruktoren sorgen für Speicherplatz und

Standardinitialisierung Benutzerdefinierte Konstruktoren werden anschließend

ausgeführt Im obigen Beispiel werden die als Parameter übergebenen

Arrays in die Variable theArray kopiert Vorteil?

Das gesamte Programm

public class LineareRegression {public static void main(String args[]) {

System.out.println( “…" );double [] xs = {1d, 2d, 3d},

ys = {1d,1.5d,3d};Table T = new Table(xs,ys); T.computeCoeffiecients();System.out.println(T.meanx + " "

+ T.meany + " " + T);

}}

Beachte

T.meany -> Zugriff auf die Variable meany des Objektes auf das T verweist

System.out.println( … T); funktioniert, da in der Klasse Table eine Methode toString() definiert wurde!

public String toString(){ return "Coefficients:“ +regressioncoeff_x + " , " + regressioncoeff_y;}

Zusammenfassend

Programm ist in mancher Hinsicht noch nicht ausgereift: Nicht sehr fehlertolerant (z.B. nur ein Wertepaar) Es muss immer ein neues Objekt erzeugt werden,

wenn ein Wertepaar hinzugefügt wird …

Verwendung von Vector statt Array

Zusammenfassend Nachteile / Vorteile Wichtigster Nachteil des Arrays: nach der Initialisierung ist

die Größe fest Wichtigster Vorteil des Array: einfacher Zugriff auf einzelne

Elemente […] Vector (siehe Java package java.util)

Kann in seiner Größe variieren Zugriff ein wenig komplizierter (mittels spezieller

Methoden) Sonst kann der Programmcode fast so bleiben

Hier kurz der Vergleich Array Vector

void computeMeans() { double sumx = 0.0d; double sumy = 0.0d; for (int i = 0; i<theArray.length;i++) {sumx = sumx + theArray[i][0]; sumy = sumy + theArray[i][1]; } meanx = sumx/theArray.length; meany = sumy / theArray.length; }

Hier kurz der Vergleich Array Vector

void computeMeans() { double sumx = 0.0d; double sumy = 0.0d; for (int i = 0; i<theArray.size();i++) {sumx = sumx + ((WertePaar)theArray.elementAt(i)).x(); sumy = sumy + ((WertePaar)theArray.elementAt(i)).y(); } meanx = sumx/theArray.size(); meany = sumy / theArray.size(); }

Objektorientierung: Prinzipien Klasse

Eine Klasse (in Java genannt ”class”) ist ein Muster oder eine Schablone zur Erzeugung von Objekten mit identischen oder ähnlichen Eigenschaften. Das heißt, in Java werden nicht direkt Objekte definiert, sondern zunächst Klassen, welche diese Objekte beschreiben.

Instanz, ObjektEine Instanz (englisch ”instance”) einer Klasse ist ein anderes Wort für ”tatsächlich existierendes Objekt”. Während Klassen sozusagen abstrakte Repräsentationen von Objekten sind, ist eine Instanz eine Konkretisierung, manchmal auch "Inkarnation" genannt.

Objektorientierung (2): Attribute

AttributeObjekte besitzen Attribute, welche das Aussehen, den Zustand oder andere Eigenschaften des Objekts beschreiben. Solche Attribute werden durch Instanzenvariablen (englisch ”instance variables”) beschrieben.

Bei Erzeugung eines konkreten Objekts, also einer Instanz, erhalten diese Variablen konkrete Werte, die während der Lebenszeit des Objekts konstant sein oder auch während des Programmablaufs verändert werden können.

Objektorientierung (3): Methode

Methoden zur Beschreibung von VerhaltenKlassen besitzen auch ein sogenanntes Verhalten (englisch ”behaviour”). Das Verhalten einer Klasse legt fest, ob und wie sich der interne Zustand einer Klasse ändert oder was eine Instanz gegebenenfalls als Auftrag ausführen kann. Dieses Verhalten wird durch sogenannte Methoden (englisch ”methods”) beschrieben, welche klasseninterne Funktionen beschreiben. Methoden arbeiten also auf den Instanzen dieser Klassen.

Objektorientierung (4): Konstruktoren

KonstruktorenDas Erzeugen von Instanzen als konkreten Objekten geschieht mit Hilfe von sogenannten Konstruktoren. Wir haben das schon im Zusammenhang mit den Arrays kennen gelernt, als ein konkreter Array mit Hilfe von new erzeugt wurde. Ähnliches gilt auch für Objekte der Klasse String. Bemerkenswert ist, dass in Java eine Klasse über mehrere Konstruktionsmethoden verfügen kann.

Erstes Beispiel für ein Java-Programm mit Klasse (1)

Betrachte Punkte in einem 2-dimensionalen Koordinatensystem mit ganzzahlig eingeteilten x- und y- Koordinaten (z.B. Bildschirmspeicher, Pixelgraphik oder auch Atome in einem Kristallgitter)

Die Klasse zur Beschreibung von Punkten könnte so aussehen:class Punkt // Der Name der Klasse ist Punkt{

int x,y; // Die Attribute sind x und y . . .

}

Da ein Klassenname auch ein Typname ist, können Variablen angelegt werden durch

Punkt P1, P2;

Die Variablen P1 und P2 stellen aber noch keine aktuellen Punkte dar, sondern sie müssen erst mit aktuellen Objekten ”versorgt” werden. Die Erzeugung erfolgt mit der Anweisung new z.B.:

Punkt P1;P1 = new Punkt();


Da Objekte etwas komplexer sind als einfache Werte (int, float, char …) ist dieser etwas aufwendigere Prozeß notwendig

Für die Erzeugung eines neuen Objektes eines Typs können spezielle Vorschriften angegeben werden, damit schon zu diesem Zeitpunkt bestimmte Eigenschaften des Objektes sichergestellt werden können

Zunächst soll jedoch betrachtet werden, wie objektspezifische Vorschriften – die Operationen oder Methoden aussehen


Es soll die Methode move für das Bewegen von Punkten definiert werden. Die Eingabe für move ist der Versatz dx bzw. dy in x- bzw. y- Richtung. Die Beschreibung von move wird Teil der Deklaration der Klasse Punkt:

class Punkt{ int x,y;

void move(int dx, int dy) // Methode mit Parametern { x = x + dx; // Rumpf der Methode y = y + dy; } . . .

}


Wichtig: Methoden besitzen eine sog. Signatur. D.h. sie haben

einen Rückgabetyp (hier void = keine Rückgabe) einen Namen (hier move) und eine Liste von sog. Formalparametern (hier dx und dy)

Insgesamt ergibt sich folgendes Fragment zur Klassenbenutzung:Punkt P1; // Deklaration einer Variablen P1P1 = new Punkt(); // Erzeugung des ObjektesP1.x = 5; P1.y = 2; // Attribute erhalten WerteP1.move(-1,1); // Aufruf der Methode move


// Erstes Java Programm ... mit Klassen public class Punkte {public static void main(String args[ ]) { Punkt P;P = new Punkt(); // ... hier mit Konstruktor 1P.x = 5;System.out.println(”x: ”+P.x + ”; y: ” + P.y);

P = new Punkt(4,6); // ... hier mit Konstruktor 2System.out.println(”x: ”+P.x + ”; y: ” + P.y);

P.move(1,-10); // ... Benutzung der MethodeSystem.out.println(”x: ”+P.x + ”; y: ” + P.y);}}


class Punkt // Hier beginnt die Klassendefinition{ int x,y; void move(int dx, int dy) { x = x + dx; y = y + dy; } Punkt () // Konstruktor 1 { x = 0; y = 0; } Punkt (int xx, int yy) // Konstruktor 2 { x = xx; y = yy; }}


Ausgabe:

x: 5; y: 0x: 4; y: 6x: 5; y: -4

Zur Übung:

Entwerfen ( oder programmieren Sie sogar) ein Java-Programm zur Darstellung und Manipulation von Punkten im 3-dimensionalen reellen Raum


Die class Motorcycle könnte z.B. die Attribute Farbe und Fabrikat haben. Das Verhalten wäre durch Methoden wie Starte den Motor, stoppe den Motor, Beschleunigen, Gang wechseln beschrieben.

// Programm mit Klasseclass Motorcycle // Hier beginnt die Klassendefinition{

// Attribute des MotorradsString make; // FabrikatString color;boolean engineState; // Motor an oder aus? // Methode zum Starten des Motorsvoid startEngine ( ){

Noch ein Beispiel: Die Klasse Motorcycle

if (engineState == true){

System.out.println ("The engine is already on.");}else{engineState = true;System.out.println ("The engine is now on.");}} // Ende dieser Methode

// Methode zum Anzeigen der Attributevoid showAtts ( ){System.out.println ("This motorcycle is a " + color + " " + make);


if (engineState == true){System.out.println ("The engine is on.");}else{

System.out.println ("The engine is off.");}

} // Ende dieser Methode} // Ende der Klassendefinition fuer Motorcycle

public class MotorcycleTest // Beginn des eigentlichen Programms{

public static void main (String args [ ]){ // Definition und Generierung eines Objekts!!

Motorcycle m = new Motorcycle ( );


// ... und jetzt erhalten die Attribute ihre Wertem.make = "Yamaha RZ2350";m.color = "yellow";System.out.println ("Calling showAtts...");m.showAtts ( );System.out.println ("--------");System.out.println ("Starting engine...");m.startEngine ( );System.out.println ("---------");System.out.println ("Calling showAtts...");m.showAtts ( );System.out.println ("---------");System.out.println ("Starting engine...");m.startEngine ( );

}}


Compilieren generiert zwei Klassen, nämlich Motorcycle.class und MotorcycleTest.class. Die Klasse Motorcycle.class kann auch von anderen main-Klassen benutzt werden.

/home/bmc/MyJava>javac MotorcycleTest.java

Das Ausführen erfolgt durch die Zeile

/home/bmc/MyJava>java MotorcycleTest


Ausgabe:Calling showAtts...This motorcycle is a yellow Yamaha RZ2350The engine is off.--------Starting engine...The engine is now on.---------Calling showAtts...This motorcycle is a yellow Yamaha RZ2350The engine is on.---------Starting engine...The engine is already on.


Unter einem Applet versteht man ein „kleines“ Anwendungsprogramm in Java für eine spezielle Aufgabe

Ein Applet ist an eine WWW-Seite gekoppelt

Es wird mit der WWW-Seite über das Internet übertragen und auf dem Client ausgeführt

Ein Applet wird durch einen Web-Browser nach dem sogenannten Sandkastenprinzip (Sandbox) abgearbeitet, d. h. es hat keine Rechte für die Bearbeitung lokaler (Client) Dateien

Java-Applet Programmierung (1)

Erzeuge eine Datei namens "HelloWorld.java" mit folgendem Inhalt:

import java.applet.*;import java.awt.*;public class HelloWorld extends Applet

{ public void paint(Graphics g) { g.drawString("Hello World",25,50); }

}

Java-Applet Beispiel (1)

Compiliere die Datei: javac HelloWorld.java

Erzeuge eine Datei namens "HelloWorld.html" im selben Verzeichnis:<HTML><HEAD><TITLE>Java-Applet Beispiel</TITLE></HEAD><BODY>Applet:<APPLET code="HelloWorld.class" width=150 height=100></APPLET></BODY></HTML>


Lade die HTML-Datei in einen WWW-Browser, der Java-Applets ausführen kann:


Alternativ kann das Applet auch im Appletviewer (Bestandteil des Java Development Kit) gestartet werden:


Java-Applet / Applikation Unterschiede

Applet Applikation

Einbindung in HTML-Seite

Eigenständiges Programm

Enthält keine main() - Methode

Enthält main() - Methode

Eingeschränkt Rechte bei der Ausführung

Keine Einschränkung der Rechte

Documents

Folien zum Kurs „Programmierung mit Java“ SS 2004 Siehe essen.de/SysMod/lehre/Chemie