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Informatik 10

Informatik 10. Themen Objekte und Zustände Algorithmen und Programme Zustandsmodellierung Interaktion Generalisierung

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Themen

• Objekte und Zustände

• Algorithmen und Programme

• Zustandsmodellierung

• Interaktion

• Generalisierung

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Objekte und Klassen

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Objekte

Objekte sind Dinge (z.B. Autos, Räume), Lebewesen (z.B. Bakterien, Kunden) oder Begriffe (z.B. Buchungen, Konten).

Jedes Objekt besitzt einen eindeutigen Objektnamen, auch Bezeichner genannt.

Welche Eigenschaften eines Objekts wesentlich sind, hängt von der zu modellierenden Situation ab. Entsprechend werden Attribute und Attributwerte eines Objekts gewählt.

Ein Objekt kann durch eine Objektkarte grafisch dargestellt werden.

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Beispiel einer Objektkarte:

auto12:Auto

maxGeschw = 180aktGeschw =55aktPosit = 123

anhalten()weiterfahren()

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Methoden

Ein Objekt bietet Dienste an, man sagt auch (öffentliche) Methoden.

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KlassenKlassen

Eine Klasse beschreibt Objekte mit gleichen Attributen und gleichen Methoden. Eine Klasse kann mit einer Fabrik verglichen werden, sie kann viele Objekte erzeugen. Die Attribute eines Objekts nehmen bestimmte Werte an.

Die Methoden werden in der Klassenkarte notiert.

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Beispiel einer Klassenkarte.

Auto

maxGeschwaktGeschwaktPosit

anhalten()weiterfahren() . .

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Aufgabe:

Stelle die Klassen SCHÜLER und LEHRER gegenüber. Welche Attribute können sie gemein haben, wo gibt es Unterschiede Wie würdest du ganz allgemein die Klasse MENSCH beschreiben?

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Datenflussdiagramme

Datenflussdiagramme bestehen aus Ein- und Ausgaben (Rechtecke), Datenflüssen (Pfeilen) und geeigneten Diensten/Methoden (Ellipsen oder Rechtecken mit abgerundeten Ecken). Sie beschreiben, welche Daten und Methoden nötig sind, um eine Berechnung durchzuführen.

Dabei kann es Eingaben geben, die ein Dienstnutzer bestimmt. Weiter kann es Eingaben geben, die vom Objekt selbst bereitgestellt werden, welches den entsprechenden Dienst anbietet.

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Öffentliche Methoden (Dienste) eines Objekts können von Nutzern aufgerufen werden.

Private Methoden stehen nur den Objekten einer Klasse selbst zur Verfügung. Sie können von anderen Nutzern nicht aufgerufen werden.

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Algorithmen und Methoden

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Nimmt man beim Vorliegen zweier ungleicher Zahlen abwechselnd immer die kleinere von der größeren weg, so müssen, wenn niemals ein Rest die vorangehende Zahl genau misst, bis die Einheit übrig bleibt, die ursprünglichen Zahlen gegeneinander prim sein.

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Zur Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers zweier ganzer Zahlen subtrahiert man die kleinere von der größeren und erhält ein neues Zahlenpaar aus der ursprünglich kleineren Zahl und dem Ergebnis der Subtraktion, mit dem man diesen Vorgang gegebenenfalls so lange wiederholt, bis man als Ergebnis der Subtraktion 0 erhält. Der letzte Subtrahend ist dann der ggT.

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public class ggt {

public int ggT(int a, int b )

{ int k;

int g;

int d = 1;

int h;

if (a > b) { // Sortieren

g = a ; k = b ;

}

else {

g = b ; k = a;

}

if (a == b) {

return (a) ;

}

while (g > k) { // Euklidischer Algorithmus

d = g - k;

g = d ;

if (g < k) {

h = g;

g = k;

k = h;

}

}

d = g;

return (d);

}

}

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Unter einem Algorithmus versteht man eine endliche und eindeutig formulierte Verarbeitungsvorschrift, deren Operationen tatsächlich ausgeführt werden können. Für die Beschreibung kann eine natürliche oder auch eine künstliche Sprache (Programmiersprache) verwendet werden.

Als Operationen können dabei z.B. Methodenaufrufe dienen. Diese Methoden kann man jeweils wiederum als Beschreibung eines Algorithmus betrachten.

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Die Struktur von Algorithmen

Neben elementaren Verarbeitungsschritten (z.B. println) treten auch zusammengesetzte Strukturelemente auf:

Folgen von Verarbeitungsschritten, Verarbeitungsschritte, die nur unter bestimmten Bedingungen ausgeführt werden sollen sowie Wiederholungen von Verarbeitungsschritten.

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Grafische Darstellung von Algorithmen

Mithilfe von Struktogrammen lassen sich die Strukturen von Algorithmen übersichtlich darstellen.

Wichtige Strukturelemente sind:

-Sequenz

- Bedingte Verarbeitungsschritte

- Wiederholungen

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Sequenz:

Schlüssel ins Schloss stecken

Schlüssel bis zum Anschleggegen den Uhrzeigersinn drehen

Tür öffnen

Schlüssel zur senkrechtenStellung zurühdrehen

Schlüssel abziehen

durch die Tür gehen

Tür schließen

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Bedingte Verzweigung

Name gehörtalphabetisch hinter den folgenden

wahr falsch

die beiden Namen ver-tauschen

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Wiederholung mit fester Anzahl von Wiederhlungen

wiederhole 4-mal

Ziffer eingeben

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wiederhole bis 0 eingegeben

Ziffer eingeben

Wiederholung mit Bedingung

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Zusammenfassung:

Neben elementaren Verarbeitungsschritten benötigt man für die Beschreibung von Algorithmen auch zusammengesetzte Strukturelemente:

Sequenz

Bedingte Verarbeitung

Wiederholung

Diese können beliebig verschachtelt werden.

Struktogramme stellen de Struktur von Algorithmen grafisch dar.

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Zustände von Objekten

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Durch die Veränderung des Wertes eines Attributs wird der Zustand eines Objekts verändert.Diese Zustandsänderung kann durch unmittelbare Zuweisung eines neuen Wertes an das Attribut oder durch indirekte Wertzuweisung durch eine andere Methode ausgelöst werden.

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Der Zustand eines Objekts wird durch die Gesamtheit der Werte aller seiner Attribute definiert. Ein Objekt ändert seinen Zustand, wenn sich der Wert mindestens eines seiner Attribute ändert (Zustandsübergang).

Zwei Objekte der gleichen Klasse sind im gleichen Zustand, wenn sie in den Werten aller ihrer Attribute übereinstimmen.

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Zahl der möglichen Zustände

Ein Objekt habe n Attribute, a1, a2, ... an , die jeweils k1, k2, ....... kn verschieden Werte unabhängig voneinander annehmen können.

Dann kann das Objekt

K = k1 k2 .... kn

verschieden Zustände annehmen.

Oft werden nicht alle möglichen Zustände angenommen (da sie z.B. zu Widersprüchen führen können).

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Ampel1

ror = truegelb = falsegruen = false

Ampel1

ror = falsegelb = falsegruen = true

Ampel1

ror = truegelb = truegruen = false

Ampel1

ror = falsegelb = truegruen = false

gelb einsch.rot aussch.gelb asusch.gruen einsch.

gruen aussch.gelb einsch.

gelb aussch.rot einsch.

Zustandsübergangsdiagramm am Beispiel Ampel

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Diagramme und Beziehungen

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Objekte sind oft durch Beziehungen miteinander Verbunden. Eine der häufigsten ist die Aggregation („Enthält Beziehung“), die ausdrückt, dass ein Objekt ein anderes enthält.

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Objektdiagramme

Die Beziehungsstruktur einer Menge von Objekten kann man übersichtlich durch ein Objektdiagramm darstellen. Dabei werden die Objekte in Form von Objektkarten dargestellt und die Beziehungen als Verbindungslinien dazwischen, die gegebenenfalls genau ein Objekt mit genau einem anderen verbinden.

(Buch Seite 29f )

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Definition von Klassen / Wertzuweisungen

Struktur von Klassendefinitionen

Vergleicht man Klassendefinitionen mit Klassenkarten, so stellt man fest, dass sie den gleichen Aufbau haben. Eine Klassendefinition beginnt mit dem Klassenbezeichner, gefolgt von der Deklaration der Attribute. Danach kommen die Definitionen der Methoden für die Objekte dieser Klasse, in denen festgelegt wird, was bei der Ausführung dieser Methoden passieren soll. Ein Programm wird durch den Aufruf einer Methode gestartet, die eventuell weitere Methoden aufruft.

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Definition und Deklaration

Unter einer Definition versteht man die Festlegung einer neuartigen Struktur, z.B. einer neuen Klasse oder Methode. Eine Deklaration ist dagegen eine Vereinbarung auf der Basis bereits definierter Strukturen. So werden z.B. einem Attribut in seiner Deklaration lediglich ein Bezeichner und ein bereits vorher definierter Datentyp zugeteilt.

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Zugriffsmodifikatoren

Wird ein Attribut als privat markiert, so können nur Objekte der gleichen Klasse seinen Wert direkt lesen oder verändern. Eine private Methode kann nur von Objekten der gleichen Klasse aufgerufen werden. Dahinter steht der Wunsch nach Kapselung der Objekte, mit der man die inneren Strukturen von Objekten nach außen hin so weit wie möglich abgeschottet wird.

Auf öffentliche Attribute bzw. Methoden können dagegen auch alle anderen Objekte zugreifen, d.h. Attribute lesen oder schreiben bzw. Methoden aufrufen. In der Regel definiert man Attribute als privat und Methoden als öffentlich.

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Attributdeklaration

Die Klassendefinition beginnt mit der Festlegung der Attribute, die folgende Angaben enthalten:

- Zugriffsrechte auf die Attribute (private oder public)

- Datentyp des Attributs ( int, boolean, ....)

- Bezeichner des Attributs (z.B. xPosition, farbe, ......)

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Methodendefinition

Die Methoden bestehen selbst wieder aus einer Folge von Rechenoperationen oder Aufrufen anderer Methoden. Zusätzlich muss angegeben werden:

-Zugriffsmodifikator ( public, private )

- Typ des Rückgabewertes ( z.B. int, double, ..... Void )

- Bezeichner der Methode

- Liste der Parameter die von der Methode übernommen werden

- Zwischen geschweiften Klammern die Beschreibung des Algorithmus, der beim Aufruf der Methode ausgeführt werden soll.

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Konstruktor

In jeder Klasse gibt es eine Methode,die den gleichen Beteichner trägt wie diese Klasse, jedoch wie alle Methoden mit Klammern versehen ist, z,B, summe(). Diese Methode heißt Konstruktor und dient zum Anlegen neuer Objekte.

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Signatur einer Methode

Für den Aufruf der Methoden eines Objekts sind vor allem folgende Angaben notwendig:

-der Bezeichner der Methode

- die Anzahl und der Typ ihrer Parameter

- der Typ des Rückgabewertes

Die Menge dieser Angaben nennt man die Signatur dieser Methode.

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Schnittstelle

Mit dem Begriff „Schnittstelle“ bezeichnet man die Beschreibung der möglichen Kommunikationsformen zwischen zwei Systemen.

Unter den Schnittstellen einer Klasse versteht man die Menge ihrer öffentlichen Attribute sowie die Signaturen ihrer öffentlichen Methoden.

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Ein objektorientiertes Programm besteht aus Klassendefinitionen, in denen Attribute und Methoden vereinbart werden. Dabei regeln die Zugriffsmodifikatoren, ob Attribute und Methoden nur von Objekten derselben Klasse bzw. ebenso von Objekten anderer Klassen benutzt werden können.

Konstruktoren sind besondere Methoden zur Erzeugung von Objekten. Sie haben denselben Bezeichner, wie die Klasse. Ihr Rückgabewert wird nicht angegeben.

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Wertzuweisung

Die Wertzuweisung dient zur direkten Änderung des Werts eines Attributs. Sie wird (in vielen Programmiersprachen) durch das Operatorsymbol „ = „ dargestellt, das in der Mathematik zur Darstellung der Gleichheitsaussage verwendet wird.

Gleichheitssymbol

In Java verwendet man für die Gleichheitsaussage das doppelte Gleichheitszeichen „ == „.

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Auf der linken Seite einer Zuweisung steht immer ein Attributbezeichner, auf der rechten Seite ein Term, dessen Wert berechnet und dem Attribut auf der linken Seite als Wert zugewiesen wird, z.B.

radius1.laenge = 5 + 7 – 3

Eine Zuweisung ändert immer den Zustand eines Attributs, wenn sie diesem einen anderen Wert zuweist, als das Attribut vorher hatte.

z.B. radius1.laenge = radius1.laenge + 5

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Bei der Zuweisung geht der Wert, den das Attribut vorher hatte, verloren.

Beispiel: Vertauschen der Werte zweier Attribute

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Kommunikation mit Methoden

Eingabe von Werten

Methoden können Parameter anbieten, mit denen man ihnen Werte übergeben kann.

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Ausgabe von Werten

Methoden verarbeiten während ihres Ablaufs Informationen. Für die Ausgabe der Ergebnisse dieser Verarbeitung gibt es im Wesentlichen drei Möglichkeiten.

- Speicherung in einem Attribut des Objektes

- Direkte Ausgabe

- Definition des Ergebnisses als Rückgabewert

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Der Ausgabewert kann in einem Attribut des Objektes gespeichert werden, zu dem die Methode gehört ( globales Attribut). Dieser veränderte Wert des globalen Attributs kann dann von anderen Methoden weiterverwendet werden.

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Direkte Ausgabe von Werten am Bildschirm mithilfe spezieller Ausgabemethoden des Systems

z.B (Java) System.out.println(...........);

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Die eleganteste Art der Ausgabe ist die Definition des Ergebnisses als Rückgabewert der Methode. Die Methode kann dann als Funktion betrachtet werden, deren Wert das auszugebende Ergebnis der Berechnung ist.

z.b. (Java)

public int tuwas (int a, int b)

{

s = a + b;

return (s);

}

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Lokale Variable

Benötigt man neben den Attributen von Objekten weitere Datenspeicher für Zwischenergebnisse, die nach Abschluss der Berechnung nicht mehr benötigt werden, so verwendet man spezielle Variablen innerhalb von Methoden. Diese Variablen sind nur während des Ablaufs dieser Methoden definiert und heißen deshalb lokale Variablen. Nach Ende der Ausführung der Methode wird der dafür reservierte Speicherplatz wieder freigegeben.

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Globale Variablen

Speicherstrukturen wie Attribute oder Variablen bezeichnet man als global bezüglich einer Methode, wenn sie vor dem Aufruf dieser Methode schon definiert sind und auch nach dem Ablauf der Methode noch definiert bleiben. Im Programmtext werden solche globalen Variablen außerhalb der Methode in übergeordneten Strukturen deklariert, z.B. in der Klasse, in der die Methode definiert wird.

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Wenn man zur Laufzeit eines Programms Werte an eine Methode übergeben will, benutzt man dazu deren (Eingabe)Parameter. Die Ergebnisse von Berechnungen gibt man am besten über die Rückgabewerte von Methoden aus.

Variablen sind Datenspeicher in einem Programm, die ebenso wie Attribute verschiedener Werte eines bestimmten Datentyps annehmen können.

Lokale Variablen werden innerhalb einer Methode definiert und sind nur dort gültig. Variablen bzw. Attribute heißen global bezüglich einer Methode, wenn sie außerhalb dieser deklariert und damit sowohl dort als auch innerhalb dieser Methode gültig sind.

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Anlegen von Objekten

Beim Anlegen eines Objektes (zur Laufzeit des Programms) wird im Arbeitsspeicher des Rechners ein bestimmter Bereich für dieses Objekt reserviert. In diesem Bereich müssen dann alle Informationen über dieses Objekt gespeichert werden, wie der Bezeichner und die Klasse des Objekts sowie die aktuellen Werte seiner Attribute.

(siehe Konstruktor)

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Referenzen

Nach ihrer Erzeugung werden Objekte grundsätzlich über Referenzen angesprochen. Eine Referenz ist nichts anderes als die Angabe der ersten Speicherzelle des Arbeitsspeicherbereichs, in dem das Objekt angelegt wurde.

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Initialisierung

Nach der Erzeugung eines Objekts sollten die Werte seiner Attribute möglichst bald mit Anfangswerten belegt werden.

Dies kann mithilfe eines Konstruktors auf dreierlei Arten geschehen:

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Die Klasse legt selbst Standardwerte für Texte und Zahlen fest.

public class Kreis {

radius = 20;

xposition 60;

...

public methode1 ( ... ){

flaeche = radius*radius*3.14

.....

}

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Im Programm werden Anfangswerte vorgegeben, indem man die entsprechenden Zuweisungen in die Konstruktormethode einbaut.

public Kreis() {

radius = 30;

xposition = 60;

......

}

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Flexibler ist die Programmierung einer Konstruktormethode, die passende Anfangswerte als Parameter aufnehmen kann.

Beim interaktiven Aufruf dieser Methode werden die aktuellen Werte dieser Parameter abgefragt und den Attributen zugewiesen.

public Kreis(int radius0, int xpos0,....){

radius = radius0;

xposition = xpos0;

...

}

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Löschen von Objekten

In manchen Sprachen muss sich der Programmierer selbst darum kümmern, dass nicht mehr benötigte Objekte wieder gelöscht werden

In Java wird das in gewissen Zeitabständen durch ein automatisches System zur Speicherfreigabe erledigt ( Garbage Collection ).

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Implementieren von Algorithmen

Ein Programm implementiert einen Algorithmus. Es besteht aus Befehlen in einer bestimmten Programmiersprache. Jede Programmiersprache stellt zur Implementierung von Algorithmen spezielle Sprachkonstrukte für Kontrollstrukturen ( Sequenz, Alternative, bedingte Anweisung, Wiederholung ) zur Verfügung.

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Felder

Häufig benötigt man eine Reihe von Variablen der gleichen Struktur, d.h. vom gleichen Typ. Für diesen Zweck bieten die meisten Programmiersprachen einen zusammengesetzten Datentyp Feld (engl. array) an.

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Indizes

In der Mathematik verwendet man (tiefgestellte) Indizes zur Bezeichnung von Zahlen, die gleichartig sind, aber verschiedene Werte annehmen sollen:

p1 = 2; p2 = 5; ................

In der Informatik verwendet man den datentyp Feld und schreibt die Indizes zwischen eckige Klammern.

double[] zins = new double[5];

Es wird zunächst ein leeres Feld mit dem Bezeichner zins der Länge 5 und dem Datentyp double definiert und dafür Speicherplatz reserviert.

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Felder dienen der Zusammenfassung mehrerer Objekte der gleichen Klasse oder Variablen gleichen Typs in einer zusammenhängenden Folge fester Länge. Auf die einzelnen Elemente des Feldes kann über Indizes (nichtnegative ganze Zahlen) zugegriffen werden.

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Zweidimensionale Felder:

Erzeugung:

int [] [] z = new int [10] [20];

Zugriff:

for (int i=0, i <10; i++) {

for (int j=0; j<20; j++) {

Z [i] [j] = i*j, } }

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Achtung:

double[] zins = new double[5];

stellt ein Feld für fünf Zahlen bereit, die Indizes laufen von

0 bis 4

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Definition von Klassen / Wertzuweisungen

Struktur von Klassendefinitionen

Vergleicht man Klassendefinitionen mit Klassenkarten, so stellt man fest, dass sie den gleichen Aufbau haben. Eine Klassendefinition beginnt mit dem Klassenbezeichner, gefolgt von der Deklaration der Attribute. Danach kommen die Definitionen der Methoden für die Objekte dieser Klasse, in denen festgelegt wird, was bei der Ausführung dieser Methoden passieren soll. Ein Programm wird durch den Aufruf einer Methode gestartet, die eventuell weitere Methoden aufruft.

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Definition und Deklaration

Unter einer Definition versteht man die Festlegung einer neuartigen Struktur, z.B. einer neuen Klasse oder Methode. Eine Deklaration ist dagegen eine Vereinbarung auf der Basis bereits definierter Strukturen. So werden z.B. einem Attribut in seiner Deklaration lediglich ein Bezeichner und ein bereits vorher definierter Datentyp zugeteilt.

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Zugriffsmodifikatoren

Wird ein Attribut als privat markiert, so können nur Objekte der gleichen Klasse seinen Wert direkt lesen oder verändern. Eine private Methode kann nur von Objekten der gleichen Klasse aufgerufen werden. Dahinter steht der Wunsch nach Kapselung der Objekte, mit der man die inneren Strukturen von Objekten nach außen hin so weit wie möglich abgeschottet wird.

Auf öffentliche Attribute bzw. Methoden können dagegen auch alle anderen Objekte zugreifen, d.h. Attribute lesen oder schreiben bzw. Methoden aufrufen. In der Regel definiert man Attribute als privat und Methoden als öffentlich.

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Attributdeklaration

Die Klassendefinition beginnt mit der Festlegung der Attribute, die folgende Angaben enthalten:

- Zugriffsrechte auf die Attribute (private oder public)

- Datentyp des Attributs ( int, boolean, ....)

- Bezeichner des Attributs (z.B. xPosition, farbe, ......)

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Methodendefinition

Die Methoden bestehen selbst wieder aus einer Folge von Rechenoperationen oder Aufrufen anderer Methoden. Zusätzlich muss angegeben werden:

-Zugriffsmodifikator ( public, private )

- Typ des Rückgabewertes ( z.B. int, double, ..... void )

- Bezeichner der Methode

- Liste der Parameter die von der Methode übernommen werden

- Zwischen geschweiften Klammern die Beschreibung des Algorithmus, der beim Aufruf der Methode ausgeführt werden soll.

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Konstruktor

In jeder Klasse gibt es eine Methode,die den gleichen Beteichner trägt wie diese Klasse, jedoch wie alle Methoden mit Klammern versehen ist, z,B, summe(). Diese Methode heißt Konstruktor und dient zum Anlegen neuer Objekte.

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Signatur einer Methode

Für den Aufruf der Methoden eines Objekts sind vor allem folgende Angaben notwendig:

-der Bezeichner der Methode

- die Anzahl und der Typ ihrer Parameter

- der Typ des Rückgabewertes

Die Menge dieser Angaben nennt man die Signatur dieser Methode.

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Schnittstelle

Mit dem Begriff „Schnittstelle“ bezeichnet man die Beschreibung der möglichen Kommunikationsformen zwischen zwei Systemen.

Unter den Schnittstellen einer Klasse versteht man die Menge ihrer öffentlichen Attribute sowie die Signaturen ihrer öffentlichen Methoden.

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Ein objektorientiertes Programm besteht aus Klassendefinitionen, in denen Attribute und Methoden vereinbart werden. Dabei regeln die Zugriffsmodifikatoren, ob Attribute und Methoden nur von Objekten derselben Klasse bzw. ebenso von Objekten anderer Klassen benutzt werden können.

Konstruktoren sind besondere Methoden zur Erzeugung von Objekten. Sie haben denselben Bezeichner, wie die Klasse. Ihr Rückgabewert wird nicht angegeben.

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Wertzuweisung

Die Wertzuweisung dient zur direkten Änderung des Werts eines Attributs. Sie wird (in vielen Programmiersprachen) durch das Operatorsymbol „ = „ dargestellt, das in der Mathematik zur Darstellung der Gleichheitsaussage verwendet wird.

Gleichheitssymbol

In Java verwendet man für die Gleichheitsaussage das doppelte Gleichheitszeichen „ == „.

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Auf der linken Seite einer Zuweisung steht immer ein Attributbezeichner, auf der rechten Seite ein Term, dessen Wert berechnet und dem Attribut auf der linken Seite als Wert zugewiesen wird, z.B.

radius1.laenge = 5 + 7 – 3

Eine Zuweisung ändert immer den Zustand eines Attributs, wenn sie diesem einen anderen Wert zuweist, als das Attribut vorher hatte.

z.B. radius1.laenge = radius1.laenge + 5

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Bei der Zuweisung geht der Wert, den das Attribut vorher hatte, verloren.

Beispiel: Vertauschen der Werte zweier Attribute

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Ab hier beginnt der Stoff für die Kurzarbeit

Natürlich gehört auch Grundwissen zum Stoff.

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Kommunikation mit Methoden

Eingabe von Werten

Methoden können Parameter anbieten, mit denen man ihnen Werte übergeben kann.

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Ausgabe von Werten

Methoden verarbeiten während ihres Ablaufs Informationen. Für die Ausgabe der Ergebnisse dieser Verarbeitung gibt es im Wesentlichen drei Möglichkeiten.

- Speicherung in einem Attribut des Objektes

- Direkte Ausgabe

- Definition des Ergebnisses als Rückgabewert

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Der Ausgabewert kann in einem Attribut des Objektes gespeichert werden, zu dem die Methode gehört ( globales Attribut). Dieser veränderte Wert des globalen Attributs kann dann von anderen Methoden weiterverwendet werden.

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Direkte Ausgabe von Werten am Bildschirm mithilfe spezieller Ausgabemethoden des Systems

z.B (Java) System.out.println(...........);

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Die eleganteste Art der Ausgabe ist die Definition des Ergebnisses als Rückgabewert der Methode. Die Methode kann dann als Funktion betrachtet werden, deren Wert das auszugebende Ergebnis der Berechnung ist.

z.b. (Java)

public int tuwas (int a, int b)

{

s = a + b;

return (s);

}

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Lokale Variable

Benötigt man neben den Attributen von Objekten weitere Datenspeicher für Zwischenergebnisse, die nach Abschluss der Berechnung nicht mehr benötigt werden, so verwendet man spezielle Variablen innerhalb von Methoden. Diese Variablen sind nur während des Ablaufs dieser Methoden definiert und heißen deshalb lokale Variablen. Nach Ende der Ausführung der Methode wird der dafür reservierte Speicherplatz wieder freigegeben.

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Globale Variablen

Speicherstrukturen wie Attribute oder Variablen bezeichnet man als global bezüglich einer Methode, wenn sie vor dem Aufruf dieser Methode schon definiert sind und auch nach dem Ablauf der Methode noch definiert bleiben. Im Programmtext werden solche globalen Variablen außerhalb der Methode in übergeordneten Strukturen deklariert, z.B. in der Klasse, in der die Methode definiert wird.

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Wenn man zur Laufzeit eines Programms Werte an eine Methode übergeben will, benutzt man dazu deren (Eingabe)Parameter. Die Ergebnisse von Berechnungen gibt man am besten über die Rückgabewerte von Methoden aus.

Variablen sind Datenspeicher in einem Programm, die ebenso wie Attribute verschiedener Werte eines bestimmten Datentyps annehmen können.

Lokale Variablen werden innerhalb einer Methode definiert und sind nur dort gültig. Variablen bzw. Attribute heißen global bezüglich einer Methode, wenn sie außerhalb dieser deklariert und damit sowohl dort als auch innerhalb dieser Methode gültig sind.

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Anlegen von Objekten

Beim Anlegen eines Objektes (zur Laufzeit des Programms) wird im Arbeitsspeicher des Rechners ein bestimmter Bereich für dieses Objekt reserviert. In diesem Bereich müssen dann alle Informationen über dieses Objekt gespeichert werden, wie der Bezeichner und die Klasse des Objekts sowie die aktuellen Werte seiner Attribute.

(siehe Konstruktor)

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Referenzen

Nach ihrer Erzeugung werden Objekte grundsätzlich über Referenzen angesprochen. Eine Referenz ist nichts anderes als die Angabe der ersten Speicherzelle des Arbeitsspeicherbereichs, in dem das Objekt angelegt wurde.

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Initialisierung

Nach der Erzeugung eines Objekts sollten die Werte seiner Attribute möglichst bald mit Anfangswerten belegt werden.

Dies kann mithilfe eines Konstruktors auf dreierlei Arten geschehen:

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Die Klasse legt selbst Standardwerte für Texte und Zahlen fest.

public class Kreis {

radius = 20;

xposition 60;

...

public methode1 ( ... ){

flaeche = radius*radius*3.14

.....

}

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Im Programm werden Anfangswerte vorgegeben, indem man die entsprechenden Zuweisungen in die Konstruktormethode einbaut.

public Kreis() {

radius = 30;

xposition = 60;

......

}

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Flexibler ist die Programmierung einer Konstruktormethode, die passende Anfangswerte als Parameter aufnehmen kann.

Beim interaktiven Aufruf dieser Methode werden die aktuellen Werte dieser Parameter abgefragt und den Attributen zugewiesen.

public Kreis(int radius0, int xpos0,....){

radius = radius0;

xposition = xpos0;

...

}

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Löschen von Objekten

In manchen Sprachen muss sich der Programmierer selbst darum kümmern, dass nicht mehr benötigte Objekte wieder gelöscht werden

In Java wird das in gewissen Zeitabständen durch ein automatisches System zur Speicherfreigabe erledigt ( Garbage Collection ).

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Implementieren von Algorithmen

Ein Programm implementiert einen Algorithmus. Es besteht aus Befehlen in einer bestimmten Programmiersprache. Jede Programmiersprache stellt zur Implementierung von Algorithmen spezielle Sprachkonstrukte für Kontrollstrukturen ( Sequenz, Alternative, bedingte Anweisung, Wiederholung ) zur Verfügung.

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Felder

Häufig benötigt man eine Reihe von Variablen der gleichen Struktur, d.h. vom gleichen Typ. Für diesen Zweck bieten die meisten Programmiersprachen einen zusammengesetzten Datentyp Feld (engl. array) an.

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Indizes

In der Mathematik verwendet man (tiefgestellte) Indizes zur Bezeichnung von Zahlen, die gleichartig sind, aber verschiedene Werte annehmen sollen:

p1 = 2; p2 = 5; ................

In der Informatik verwendet man den datentyp Feld und schreibt die Indizes zwischen eckige Klammern.

double[] zins = new double[5];

Es wird zunächst ein leeres Feld mit dem Bezeichner zins der Länge 5 und dem Datentyp double definiert und dafür Speicherplatz reserviert.

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Felder dienen der Zusammenfassung mehrerer Objekte der gleichen Klasse oder Variablen gleichen Typs in einer zusammenhängenden Folge fester Länge. Auf die einzelnen Elemente des Feldes kann über Indizes (nichtnegative ganze Zahlen) zugegriffen werden.

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Zweidimensionale Felder:

Erzeugung:

int [] [] z = new int [10] [20];

Zugriff:

for (int i=0, i <10; i++) {

for (int j=0; j<20; j++) {

Z [i] [j] = i*j, } }

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Achtung:

double[] zins = new double[5];

stellt ein Feld für fünf Zahlen bereit, die Indizes laufen von

0 bis 4

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Informatik 10 - 3

Endliche Automaten

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Bisher haben wir bei Zustandsdiagrammen an den Übergängen jeweils nur die Aktion aufgeführt, die den Übergang auslöst. Häufig benötigt man jedoch auch die Beschreibung von Aktionen, die zeitgleich mit dem Übergang gestartet werden. Man bezeichnet sie als ausgelöste Aktionen.

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Lift im OG

Lift im EG

Lift im UG

OG anfordernhochfahren(1)

EG anfordernhochfahren1

EG anfordernherunterfahren1

UG anfordernherunterfahren1

OG anfordernhochfahren2

UG anfordernherunterfahren2

Beispiel Aufzug:

Ein Beispiel für ausgelöste Aktionen zeigt das nebenstehende Diagramm. Der Aufzug verkehrt zwischen drei Stock- werken. Er soll von jedem Stockwerk aus mit einem Knopf angefordert werden können. In der Aufzugskabine kann man wiederum für jedes Stockwerk einen Knopf drücken, was wir auch als Stockwerk anfordern bezeichnen. Die auslösende Aktion besteht hier also im Drücken eines der sechs Anforderungs-knöpfe, die ausgelöste Aktion in der Be-wegung des Fahrstuhls zum ange-forderten Stockwerk. Die ausgelösten Aktionen werden durch die Methoden hochfahren bzw. herunterfahren dar-gestellt, die als Parameterwerte die Anzahl der überwundenen Stockwerke erwarten.

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Endliche Automaten

Mit diesem Zustandsdiagrammen kann man eine bestimmte Sorte von Automaten, die als endliche Automaten bezeichnet werden, beschreiben.

Damit sind aber nicht alle Systeme, die vom Computer simuliert werden können, modellierbar. Man benötigt hierzu noch bedingte Zustandsübergänge, die wir später behandeln.

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auslösende Aktion

Ausgangs-zustand

OG anfordern EG anfordern UG anfordern

Lift im OG keine Aktion

Lift im OG

herunterfahren(1)

Lift im EG

herunterfahren(2)

Lift im UG

Lift im EG hochfahren(1)

Lift im OG

keine Aktion

Lift im EG

herunterfahren(1)

Lift im UG

Lift im UG hochfahren(2)

Lift im OG

hochfahren(1)

Lift im EG

keine Aktion

Lift im UG

Zustandsübergangstabelle

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Neben Zustandsdiagrammen kann man die Funktionsweise endlicher Automaten auch durch Zustandsübergangstabellen darstellen.

Jede Zelle beschreibt einen Zustandsübergang.

In der Kopfzelle steht die Aktion, die den Übergang auslöst, in der Spalte ganz links, der Ausgangszustand.

In der Zelle selbst notiert man die ausgelöste Aktion und den Zielzustand des Übergangs.

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Man implementiert einen Automaten durch ein spezielles Objekt. Ein bestimmter Zustand dieses Programmobjekts wird durch eine bestimmte Kombination von Werten seiner Attribute definiert.

Oft ist es praktisch, ein spezielles Attribut zustand zu verwenden, dessen Wert genau den jeweiligen Zustand des simulierten Automaten beschreibt.

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Je nach Ausgangszustand löst eine bestimmte Aktion oft unterschiedliche Übergänge bzw. Aktionen aus.

Die zentrale Struktur bei der Implementierung von Automaten besteht daher aus einer Fallunterscheidung über die aktuellen Zustände, die mithilfe geschachtelter bedingter Anweisungen implementiert wird.

(Die Methode der Fallunterscheidung über die Zustände darf<je Zustandswechsel nur einmal durchlaufen werden. Deshalb müssen die bedingten Anweisungen unbedingt geschachtelt werden.)

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Mehrfache Fallunterscheidung:

Für die Fallunterscheidung haben wir bereits die if – Anweisung kennen gelernt, mit der durch Schachtelung auch eine mehrfache Fallunterscheidung realisiert werden kann. Das wird aber schnell unübersichtlich.

Übersichtlicher ist die switch – Anweisung.

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public class Fallunterscheidung

{

public void mehrfachunterscheidung (int i) {

System.out.println("Diese Anweisung(1) wird immer ausgeführt");

switch (i) {

case 0:{

System.out.println ("i = "+i);}

break;

case 1:{

System.out.println ("i = "+i);}

break;

case 2:{

System.out.println ("i = "+i);}

break;

}

System.out.println("Diese Anweisung(2) wird immer ausgeführt");

}

}

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Ein Nachteil dieser Kontrollstruktur ist der Zwang, die Zustände durch Zahlen oder einzelne Zeichen darstellen zu müssen. Man kann keine aussagekräftigen Namen wie z.B. Lift_im_UG verwenden sondern muss diesen Zustand z.B. durch einen Buchstaben kennzeichnen.

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Bedingte Übergänge

Mit den bisher verwendeten Zustandsdiagrammen kann man noch nicht alle mit Algorithmen darstellbare Übergänge beschreiben. Dazu müssen wir die Zustandsdiagramme noch um die Möglichkeit erweitern für Übergänge eine Bedingung angeben zu können, unter der diese Übergänge stattfinden sollen.

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Beispiel Fahrkartenautomat

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Die Aktion Fahrkarte anfordern löst hier nur dann einen Zustandswechsel vom Zustand Zahlungsannahme in den Zustand Bereit aus, wenn die Bedingung Einzahlung >= Preis wahr ist. Der Zustand Zahlungsannahme wird so lange beibehalten (Zustandsübergang zum gleichen Zustand) bis der Preis vollständig bezahlt ist. Durch diesen Übergang wird lediglich die Anzeige für den Einzahlungsbetrag, solange Einzahlung < Preis gilt.

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Variablen- und Modellzustände

Mit bedingten Zustandsübergängen hat man die Möglichkeit, einen Zustand des simulierten Modells (Modellzustand) durch eine Menge von Variablen- bzw. Attributzuständen darzustellen.So handelt es sich im Beispiel beim Zustand Tarif gewählt um einen Modellzustand, der mehrere Zustände der Variablen Rabatt umfasst ( z.B. Rabatt = 0%, Rabatt = 25%, Rabatt = 50% usw.). Ebenso besteht der Zustand Zahlungsannahme aus mehreren Variablenzuständen der Variablen Einzahlung (z.B. Einzahlung = 1€, Einzahlung = 2€ usw.)

Wir haben nun alle nötigen Elemente von Zustandsdiagrammen zur Verfügung um alle algorithmisch simulierbaren Systeme darzustellen.

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Bedeutung der Elemente vollständiger Zustandsdiagramme

Der Übergang eines Objekts von einem Zustand z1 zu einem Zustand z2 findet genau dann statt, wenn

- sich das System im Zustand z1 befindet

- die auslösende Aktion a1 stattfindet

- unmittelbar vor dem Übergang die Bedingung b erfüllt ist

Dann wird mit dem Übergang auch die Aktion a2 ausgelöst.

Der Zustandsübergang wird dabei so idealisiert, dass er in unendlich kurzer Zeit erfolgt.

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Implementierung bedingter Übergänge

Die Übergangsbedingungen werden mithilfe von bedingten Anweisungen bzw. Alternativen realisiert, in deren Ausführungsteil alle für den Übergang notwendigen Anweisungen eingeschlossen sind.