10 Verfeinern von Assoziationen mit dem Java-2 Collection Framework 11 Programmieren gegen Schnittstellen

(1)

Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann

Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik 1

"Der Aufrufer programmiert gegen die Schnittstelle, er befindet sich sozusagen im luftleeren Raum."

Siedersleben/Denert,

Wie baut man Informationssysteme, Informatik-Spektrum, August 2000

Teil II) Objektorientierte Implementierung

11) Programmieren gegen Schnittstellen

Prof. U. Aßmann, Softwaretechnologie 2

Objektorientierte Implementierung mit Java-Datenstrukturen

10 Verfeinern von Assoziationen mit dem Java-2 Collection Framework 11 Programmieren gegen Schnittstellen

Auswahl von Datenstrukturen Persistente Datenhaltung

Schnittstellen und Implementierungen im Collection-Framework

<<interface>>

Collection

<<interface>>

Map

<<interface>>

SortedSet <<interface>>

SortedMap LinkedList

ArrayList

HashSet

TreeSet

HashMap

TreeMap

<<interface>>

Set

<<interface>>

List

Vererbung (extends)

Implementierung (implements)

<<interface>>

Queue

PriorityQueue Vector

Stack

import java.util.ArrayList;

...class Bestellung { private String kunde;

private ArrayList liste;

private int anzahl = 0;

public Bestellung(String kunde) { this.kunde = kunde;

this.liste = new ArrayList();

}

public void neuePosition (Bestellposition b) { liste.add(b);

}

public void loeschePosition (int pos) { liste.remove(pos);

}...

Typanpassungen mit Schnittstellen:

Geordnete Listen mit ArrayList (1)

(2)

Anwendungsbeispiel mit ArrayList (falsch!)

...

public void sonderpreis (int pos, int preis) { liste.get(pos).einzelpreis(preis);

} ...

►

Compilermeldung:

„Method einzelpreis(int) not found in class java.lang.Object.“

liste.get(pos).einzelpreis(preis);

?

ArrayList

defi niert auf

Bestellposition Object

Spezialisierung von Object auf Bestellposition?

Typanpassungen auf Elementtypen

Bestellung – kunde: String

– anzahl: int liste

java.util.ArrayList add(Object o) get(pos: int): Object

...

1

Object

*

Bestell- position

*

Typanpassung (cast):

• Operationen der Oberklasse passen immer auch auf Objekte der Unterklasse

• Operationen der Unterklasse auf Objekte einer Oberklasse anzuwenden, erfordert explizite Typanpassung (dynamic cast):

( Typ ) Objekt

hier: (Bestellposition)liste.get(pos) Zusicherung: Alle von einem Bestellung-Objekt über die liste-Assoziation erreichbaren Objekte

sind aus der Klasse Bestellposition.

Anwendungsbeispiel mit ArrayList (2)

public void sonderpreis (int pos, int preis) {

((Bestellposition)liste.get(pos)).einzelpreis(preis);

}

public int auftragssumme() { int s = 0;

for(int i=0; i<liste.size(); i++) s +=

((Bestellposition)liste.get(i)).positionspreis();

return s;

}

public void print () {

System.out.println("Bestellung fuer Kunde "+kunde);

for(int i=0; i<liste.size(); i++) System.out.println(liste.get(i));

System.out.println("Auftragssumme: "+auftragssumme());

System.out.println();

}} Online:

Bestellung1.java

Geordnete Collections II - java.util.LinkedList (Auszug)

public class LinkedList implements List { public boolean add (Object o);

public boolean remove (Object o);

public void clear();

public boolean isEmpty();

public boolean contains (Object o);

public int size();

public Object get (int index);

public Object set (int index, Object element) public Object remove (int index);

public int indexOf (Object o);

public void addFirst (Object o);

public void addLast (Object o);

...

}

Anwendungsbeispiel ^Online:Bestellung3.java

mit LinkedList:

(3)

Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann, Prof. Heinrich Hussmann 9

11.1 Polymorphe Container durch Schnittstellen

Programmieren gegen Schnittstellen

-- Polymorphe Container

class Bestellung { private String kunde;

private List liste;

... // Konstruktor sh. nächste Folien

public void neuePosition (Bestellposition b) { liste.add(b);

}

public void loeschePosition (int pos) { liste.remove(pos);

}

public void sonderpreis (int pos, int preis) {

((Bestellposition)liste.get(pos)).einzelpreis(preis);

}

List ist ein Interface, keine Klasse !

!

• ArrayList:

this.liste = new ArrayList();

} ...

• LinkedList:

class Bestellung { private String kunde;

this.liste = new LinkedList();

} ...

Polymorphe Container:

Wechsel der Datenstruktur

List ist ein Interface, keine Klasse !

!

Code muß bei Wechsel der Datenstruktur nur an einer Stelle (Konstruktor) geändert werden !

Standardalgorithmen in der Algorithmenklasse java.util.Collections

► Algorithmenklassen enthalten Algorithmen, die auf einer Familie

von anderen Klassen arbeiten

■ Hier: java.util.Collections enthält Algorithmen auf beliebigen Klassen, die das Collection- bzw. List-Interface implementieren

■ Bei manchen Operationen ist Ordnung auf Elementen vorausgesetzt.

■ Achtung: Statische Operationen!

public class Collections {

public static Object max (Collection coll);

public static Object min (Collection coll);

public static int binarySearch(List list, Object key);

public static void reverse (List list);

public static void sort (List list) ...

}

(4)

Prädikat-Schnittstellen (...able Schnittstellen)

► Prädikat-Schnittstellen drücken bestimmte Eigenschaft einer Klasse

aus. Sie werden oft mit dem Suffix “able” benannt:

■ Iterable

■ Clonable

■ Serializable

►

Beispiel: geordnete Standarddatentypen (z.B. String oder List) implementieren die Prädikatschnittstelle Comparable:

public interface Comparable { public int compareTo (Object o);

}

►

Resultat ist kleiner/gleich/größer 0:

genau dann wenn "this" kleiner/gleich/größer als Objekt o

Softwaretechnologie, © Prof. Uwe Aßmann

Technische Universität Dresden, Fakultät Informatik 14

11.2 Entwurfsmuster Iterator

Entwurfsmuster Iterator (Implementierungsmuster)

►

Name: Iterator (auch: Stream, Cursor, Enumeration)

►

Problem: Sequentielles, polymorphes Durchlaufen der Elemente eines strukturieren Objekts oder einer Collection.

■ Aufzählen der in einem “Behälter” befindlichen Elemente durch Herausziehen (pull)

■ Keine Aussage über die Reihenfolge!

►

Lösung:

elements(): Iterator

Container

Element

next() hasNext()

Iterator

ConcreteIterator {abstract}

<<create>>

pull..

*

Iterator-Beispiel in der JDK (ArrayList)

Bestellung 1 – kunde: String

– anzahl: int liste

Object java.util.ArrayList

add(o: Object) get(pos: int): Object

iterator(): Iterator ...

*

<<create>>

<<interface>>

java.util.Iterator hasNext()

next()

Concrete Iterator Aggregate

Element Iterator

Klassenname nicht bekannt, weil privat (z.B. ArrayListIterator)

(5)

Iterator-Implementierungsmuster

►

Verwendungsbeispiel:

List list;

.. Iterator i = list.iterator();

while (i.hasNext()) {

doSomeThing(i.next());

}

List list;

.. Iterator i = list.iterator();

while (i.hasNext()) {

doSomeThing(i.next());

}

Anwendungsbeispiel mit Iteratoren

import java.util.Iterator;

...

private ArrayList liste;

...

public int auftragssumme() { Iterator i = liste.iterator();

int s = 0;

while (i.hasNext())

s += ((Bestellposition)i.next()).positionspreis();

return s;

} ...

} Online:

Bestellung2.java

11.3 Auswahl von Implementierungen von Datenstrukturen

Weitere Implementierungen in der Collection- Hierarchie

<<interface>>

Collection

<<interface>>

Set

<<interface>>

SortedSet

<<interface>>

List <<interface>>

Map

<<interface>>

SortedMap

LinkedList ArrayList

TreeSet HashSet

TreeMap HashMap

Vererbung (extends)

Vector Hashtable

(6)

Welche Listen-Implementierung soll man wählen?

►

Innere Schleifen bilden die „heißen Punkte“ (hot spots) eines Programms

■ Optimierung von inneren Schleifen durch Auswahl von Implementierungen mit geeignetem Zugriffsprofil

►

Gemessener relativer Aufwand für Operationen auf Listen:

(aus Eckel, Thinking in Java, 2nd ed., 2000)

■ Stärken von ArrayList: wahlfreier Zugriff

■ Stärken von LinkedList: Iteration, Einfügen und Entfernen irgendwo in der Liste

■ Vector generell die langsamste Lösung

Typ Lesen Iteration Einfügen Entfernen

array 1430 3850 -- --

ArrayList 3070 12200 500 46850

LinkedList 16320 9110 110 60

Vector 4890 16250 550 46850

Collection Framework (Überblick) (Mengen ohne Mehrfacheintrag)

<<interface>>

Collection

<<interface>>

Set

<<interface>>

SortedSet

<<interface>>

List <<interface>>

Map

<<interface>>

SortedMap

TreeSet HashSet

TreeMap HashMap

Vererbung (extends)

Ungeordnete Mengen: java.util.Set (Auszug)

// Query methods + Object get(int index);

// Zustandsveränderer + boolean add (Object o);

<<interface>>

Set // Query methods

+ boolean isEmpty();

+ boolean contains(Object o);

+ boolean equals(Object o);

+ int hashCode();

+ Iterator iterator();

// Repräsentations-Trans- // formierer

+ Object[] toArray();

+ boolean remove (Object o);

+ void clear();

<<interface>>

Collection

Anwendungsbeispiel für Set

Artikel – name: String

– preis: int + preis(): int Warengruppe – name: String – lagerplatz: String

*

1

+ add (a: Artikel) + anzahl(): int

(7)

java.util.HashSet (Auszug)

(Anmerkung: Erläuterung von Hashfunktionen folgt etwas später !)

<<interface>>

// Query methods Set + boolean isEmpty();

+ int hashCode();

+ void clear();

<<interface>>

Collection

// Konstruktor

# HashSet(int initialCapacity, float loadFactor);

+ Object get(int index);

+ int hashCode() // Zustandsveränderer + boolean add (Object o);

<<interface>>

HashSet

Anwendungsbeispiel mit HashSet

class Warengruppe { private String name;

private String lagerplatz;

private Set inhalt;

public Warengruppe

(String name, String lagerplatz) { this.name = name;

this.lagerplatz = lagerplatz;

this.inhalt = new HashSet();

}

public void add (Artikel a) { inhalt.add(a); }

public int anzahl() { return inhalt.size(); }

public String toString() {

String s = "Warengruppe "+name+"\n";

Iterator it = inhalt.iterator();

while (it.hasNext()) {

s += " "+(Artikel)it.next();

};

} }

Online:

Warengruppe0.java

Wann sind Objekte gleich? (1)

►

Vergleich mit Operation == :

■ Referenzgleichheit, d.h. physische Identität der Objekte

■ Typischer Fehler: Stringvergleich mit "=="

(ist nicht korrekt, geht aber meistens gut!)

►

Vergleich mit o.equals()

:

■ deklariert in java.lang.Object

■ überdefiniert in vielen Bibliotheksklassen

♦ z.B. java.lang.String

■ für selbstdefinierte Klassen

♦ Standardbedeutung Referenzgleichheit

♦ bei Bedarf selbst überdefinieren !

(Ggf. für kompatible Definition der Operation o.hashCode() aus

java.lang.Object sorgen) Online:

Warengruppe1.java

Wann sind Objekte gleich? (2) Referenzgleichheit

public static void main (String[] args) {

Warengruppe w1 = new Warengruppe("Moebel","L1");

w1.add(new Artikel("Tisch",200));

w1.add(new Artikel("Stuhl",100));

w1.add(new Artikel("Schrank",300));

w1.add(new Artikel("Tisch",200));

System.out.println(w1);

}

Systemausgabe beim Benutzen der Standard-Gleichheit:

Warengruppe Moebel

Tisch(200) Tisch(200) Schrank(300) Stuhl(100)

Online:

Warengruppe0.java

(8)

Wann sind Objekte gleich? (3) Referenzgleichheit

public static void main (String[] args) { Artikel tisch = new Artikel("Tisch",200);

Artikel stuhl = new Artikel("Stuhl",100);

Artikel schrank = new Artikel("Schrank",300);

Warengruppe w2 = new Warengruppe("Moebel","L2");

w2.add(tisch);

w2.add(stuhl);

w2.add(schrank);

w2.add(tisch);

System.out.println(w1);

}

Systemausgabe:

Schrank(300) Tisch(200) Stuhl(100)

Es wurde zweifach dasselbe Tisch-Objekt übergeben !

(Gleiches Verhalten bei Strukturgleichheit, s. Warengruppe1.java)

java.util.SortedSet (Auszug)

<<interface>>

// Query methods Set + boolean isEmpty();

+ int hashCode();

+ void clear();

<<interface>>

Collection

+ Object first();

+ Object last()

<<interface>>

SortedSet

java.util.TreeSet

►

java.util.TreeSet implementiert ein geordnete Menge mit Hilfe eines Baumes und benötigt zum Sortieren dessen die Schnittstelle

Comparable

►

Modifi kation der Klasse Warengruppe:

►

Aber Systemreaktion:

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: Artikel at java.util.TreeMap.compare(TreeMap.java, Compiled Code)

► in java.util.TreeSet:

public class TreeSet … implements SortedSet … { … }

class Warengruppe { private Set inhalt;

public Warengruppe (…) { …

this.inhalt = new TreeSet();

} … }

class Artikel implements Comparable { ...

public int compareTo (Object o) {

return name.compareTo(((Artikel)o).name);

} }

Anwendungsbeispiel mit TreeSet

►

Artikel muss zusätzlich von Schnittstelle

Comparable

erben

►

Modifikation der Klasse „Artikel“:

Systemausgabe:

Schrank(300) Stuhl(100) Tisch(200)

Online:

Warengruppe3.java

(9)

HashSet oder TreeSet?

►

Gemessener relativer Aufwand für Operationen auf Mengen:

(aus Eckel, Thinking in Java, 2nd ed., 2000)

►

Stärken von HashSet:

■ in allen Fällen schneller !

►

Stärken von TreeSet:

■ erlaubt Operationen für sortierte Mengen

Typ Einfügen Enthalten Iteration

HashSet 36,14 106,5 39,39

TreeSet 150,6 177,4 40,04

Collection Framework (Überblick) (Maps)

<<interface>>

Collection

<<interface>>

Set

<<interface>>

SortedSet

<<interface>>

List <<interface>>

Map

<<interface>>

SortedMap

TreeSet HashSet

TreeMap HashMap

Vererbung (extends)

java.util.Map (Auszug)

<<interface>>

HashMap

// Anfragen (query methods) + int size();

+ boolean isEmpty();

+ boolean containsKey(Object key);

+ boolean containsValue(Object value);

+ Object get (Object key);

+ int hashCode();

+ Set keySet();

+ Set values();

// Zustandsveränderer + void clear();

+ Object put (Object key, Object value);

<<interface>>

Map

►

Eine Map ist ein „assoziativer Speicher“ (associative array), der Objekte als Werte (value) unter Schlüsseln (key) zugreifbar macht

■ Ein Schlüssel liefert einen Wert (Funktion).

■ Map liefert funktionale Abhängigkeit zwischen Schlüssel und Wert

Anwendungsbeispiel

Artikel – name: String

– preis: int + preis(): int

Katalog – name: String

1

+ put (code: String, a: Artikel) + get (code: String): Artikel

+ anzahl(): int code: String

*

HashMap ist eine

sehr günstige Umsetzung für qualifizierte Assoziationen:

Der Qualifikator bildet den Schlüssel;

die Zielobjeke den Wert Hier:

•Schlüssel: code:String

•Wert: a:Artikel

(10)

Anwendungsbeispiel mit HashMap

class Katalog {

private String name;

private Map inhalt;

public Katalog (String name) { this.name = name;

this.inhalt = new HashMap();

}

public void put (String code, Artikel a) { inhalt.put(code,a);

}

public int anzahl() { return inhalt.size();

}

public Artikel get (String code) { return (Artikel)inhalt.get(code);

} ...

}

^Online:Katalog.java

Testprogramm für Anwendungsbeispiel:

Speicherung der Waren mit Schlüsseln

public static void main (String[] args) { Artikel tisch = new Artikel("Tisch",200);

Artikel stuhl = new Artikel("Stuhl",100);

Artikel schrank = new Artikel("Schrank",300);

Artikel regal = new Artikel("Regal",200);

Katalog k = new Katalog("Katalog1");

k.put("M01",tisch);

k.put("M02",stuhl);

k.put("M03",schrank);

System.out.println(k);

k.put("M03",regal);

System.out.println(k);

}

Katalog Katalog1 M03 -> Schrank(300) M02 -> Stuhl(100) M01 -> Tisch(200) Katalog Katalog1 M03 -> Regal(200) M02 -> Stuhl(100) M01 -> Tisch(200)

Systemausgabe:

put(...) überschreibt vorhandenen Eintrag (Ergebnis = vorhandener Eintrag).

Ordnung auf den Schlüsseln: SortedMap (Implementierung z.B.TreeMap).

value: Object

Prinzip der Hashtabelle

Effekt von hashtab.put(key,value)

key.hashCode()

Object hashCode(): int

key: Object

value: Object

0

capacity

hashtab

►

Typischerweise wird der Schlüssel (key) transformiert:

■ Das Objekt liefert seinen Hashwert mit der Hash-Funktion hashCode()

■ Mit dem Hashwert wird in eine Hashtabelle eingestochen, d.h. der Hashwert wird auf einen Zahlenbereich modulo der Kapazität der Hashtabelle abgebildet, d.h., der Hashwert wird auf die Hashtabelle

“normiert”

value?: Object

Kollision beim Einstechen

0

capacity key1: Object

value1: Object

key2: Object value2: Object

key1.hashCode()

= key2.hashCode()

Verfahren zur Kollisionsauflösung:

– Überlauflisten

– Überlauf in der Hashtabelle

►

Die Hashfunktion ist mehrdeutig (nicht injektiv):

■ Bei nicht eindeutigen Schlüsseln, oder auch durch die Normierung, werden Einträge doppelt “adressiert” (Kollision)

(11)

Vorgehensweise beim Datenstruktur-Entwurf

Identifi kation der Anforderungen an die Datenstruktur:

Funktionalität, häufi g benutzte Operationen

Abstraktion auf die wesentlichen Eigenschaften

Suche nach vorgefertigten Lösungen (Nutzung der Collection-Bibliothek)

Ggf. Experimente (experimentelle Prototypen)

Anpassung an vorgefertigte Lösung

Entwicklung einer neuartigen Lösung

Suche nach vorgefertigten Lösungen (Collection-Klassen der Bibliothek)

Einfügen eines Elements Entfernen eines Elements Aufzählen aller Elemente

"ist enthalten"-Abfrage dynamisch erweiterbar

Collection

Einfügen eines Werts für einen Schlüssel Entfernen eines Schlüssel/Wert-Paars Abfrage eines Werts für einen Schlüssel

"ist enthalten"-Abfrage für Schlüssel dynamisch erweiterbar

Map

Einfügereihenfolge relevant?

List

Abfrage an i-ter Position Ersetzen an i-ter Position Entfernen an i-ter Position

ja nein

Set

kleinstes/größtes Element Elemente "über"/"unter" x

SortedSet

Sortierung relevant?

Sortierung der Schlüssel relevant?

SortedMap

Beispiel: Realisierung von Assoziationen

A * B

assoc

Anforderung Realisierung

1) Assoziation anlegen 2) Assoziation entfernen

3) Durchlaufen aller bestehenden Assoziationen zu B-Objekten 4) Manchmal: Abfrage, ob

Assoziation zu einem B-Objekt besteht 5) Keine Obergrenze der

Multiplizität gegeben

Datenstruktur im A-Objekt für B-Referenzen

1) Einfügen (ohne Reihenfolge) 2) Entfernen (ohne Reihenfolge) 3) Aufzählen aller Elemente 4) "ist enthalten"-Abfrage

5) Maximalanzahl der Elemente unbekannt;

dynamisch erweiterbar

Set

Realisierung von ungeordneten Assoziationen mit Set

A assoc * B

class A {

private Set assoc;

...

public void addAssoc (B b) { assoc.add(b);

}

public boolean testAssoc (B b) { return assoc.contains(b);

}

public A { ...

assoc = new HashSet();

}

(12)

Beispiel: Raumverwaltung

static Besprechungsraum freienRaumSuchen (int groesse, Hour beginn, int dauer)

►

Suche unter vorhandenen Räumen nach Raum mit mindestens der Kapazität groesse, aber möglichst klein.

■ Datenstruktur für vorhandene Räume in Klasse Raumverwaltung

» SortedSet (Elemente: Besprechungsraum)

►

Überprüfung eines Raumes, ob er für die Zeit ab beginn für die Länge dauer bereits belegt ist.

■ Operation in Klasse Besprechungsraum:

boolean frei (Hour beginn, int dauer)

■ Datenstruktur in Klasse Besprechungsraum für Zeiten (Stunden):

» Set (Elemente: Hour)

►

Zusatzanforderung (Variante): Überprüfung, welcher andere Termin eine bestimmte Stunde belegt.

■ Datenstruktur in Klasse Besprechungsraum:

» Map (Schlüssel: Hour, Wert: Teambesprechung)

Raumverwaltung: Freien Raum suchen

class Raumverwaltung {

// Vorhandene Raeume, aufsteigend nach Größe sortiert // statisches Klassenattribut und -methode

private static SortedSet vorhandeneRaeume

= new TreeSet();

// Suche freien Raum aufsteigend nach Größe static Besprechungsraum freienRaumSuchen

(int groesse, Hour beginn, int dauer) { Besprechungsraum r = null;

boolean gefunden = false;

Iterator it = vorhandeneRaeume.iterator();

while (! gefunden && it.hasNext()) { r = (Besprechungsraum)it.next();

if (r.grossGenug(groesse)&& r.frei(beginn,dauer)) gefunden = true;

};

if (gefunden) return r;

else

return null;

} ...

}

11.4 Persistente Datenhaltung

Art is long, and Time is fleeting.

H. W. Longfellow

Temporäre und persistente Daten

►

Daten sind

■ temporär, wenn sie mit Beendigung des Programms verloren gehen, das sie verwaltet;

■ persistent, wenn sie über die Beendigung des verwaltenden Programms hinaus erhalten bleiben.

►

Objektorientierte Programme benötigen Mechanismen zur Realisierung der Persistenz von Objekten.

►

Möglichkeiten zur Realisierung von Objekt-Persistenz:

■ Einsatz eines Datenbank-Systems

♦ Objektorientiertes Datenbank-System

♦ Relationales Datenbank-System

Java: Java Data Base Connectivity (JDBC)

♦ Zugriffsschicht auf Datenhaltung Java: Java Data Objects (JDO)

■ Speicherung von Objektstrukturen in Dateien

♦ Objekt-Serialisierung (Object Serialization)

(13)

Objekt-Serialisierung in Java

►

Die Klassen java.io.ObjectOutputStream

und

java.io.ObjectInputStream stellen Methoden bereit, um ein Geflecht von Objekten linear darzustellen (zu serialisieren) bzw. aus dieser Darstellung zu rekonstruieren.

►

Eine Klasse, die Serialisierung zulassen will, muß die (leere!) Schnittstelle java.io.Serializable

implementieren.

class ObjectOutputStream {

public ObjectOutputStream (OutputStream out) throws IOException;

public void writeObject (Object obj) throws IOException;

}

Objekt-Serialisierung: Abspeichern

import java.io.*;

class XClass implements Serializable { private int x;

public XClass (int x) { this.x = x;

} } ...

XClass xobj;

...

FileOutputStream fs = new FileOutputStream("Xfile.dat");

ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(fs);

os.writeObject(xobj);

...

Objekt-Serialisierung: Einlesen

import java.io.*;

class XClass implements Serializable { private int x;

public XClass (int x) { this.x = x;

} } ...

XClass xobj;

...

FileInputStream fs = new FileInputStream("Xfile.dat");

ObjectInputStream os = new ObjectInputStream(fs);

xobj = (XClass) os.readObject();

The End

►