252-0027 Einführung in die Programmierung 9.0 Generische Programmierung

252-0027

Einführung in die Programmierung 9.0 Generische Programmierung

Thomas R. Gross

Übersicht

§ 9.4 Mengen

§ 9.5 Abbildungen

§ 9.6 Iteratoren

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Java Collections Framework

<<Interface>

Collection

<<Interface>

List <<Interface>

Set

<<Interface>

SortedSet

<<Interface>

Map

<<Interface>

SortedMap

Mengen

§ Menge ("set"): Eine Sammlung eindeutiger und einzigartiger Elemente ( d.h., wir lassen keine Duplikate zu und können für 2

beliebige Elemente feststellen, ob sie gleich oder ungleich sind ) für die folgende Operationen ausgeführt werden können:

§ Hinzufügen (add), Entfernen (remove), Suche (contains)

§ Bei einer Menge erwarten wir keinen Zugriff über einen Index und eine Reihenfolge spielt keine Rolle

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set.contains("to") true

set.contains("be") false

Menge (set)

"the" "of"

"from"

"to"

"she"

"you"

"him"

"why"

"in"

"by"

"down"

"if"

Set Implementierungen

§ In Java können Mengen durch Klassen, die das Set Interface (aus java.util) implementieren, dargestellt werden

§ Set wird durch die Klassen HashSet und TreeSet implementiert

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Set Implementierungen

§ HashSet: Implementierung basiert auf einem "hash table" mit einem Array der schnelle Zugriffe erlaubt : O(1) für alle Operationen (mit bestimmten

Annahmen)

§ Elemente werden in irgendeiner (nicht bekannten) Reihenfolge gespeichert

§ TreeSet : Implementierung basiert auf einem "binären Baum";

Zugriff ist ziemlich schnell: O(log N) für alle Operationen

§ Elemente sind sortiert gespeichert

Beispiel

§ Thomas Mann, Die Buddenbrooks, 1'602'177 Bytes

§ Quelle: Projekt Guttenberg

§ Suche (1000 x, 18 Wörter)

§ Intel(R) Xeon(TM) CPU 2.40GHz

Klasse Zeit (ms)

LinkedList 31520 ArrayList 8083

HashSet 2

TreeSet 10

Set Objekte

List<String> list = new ArrayList<String>();

...

Set<Integer> set1 = new TreeSet<Integer>(); // empty Set<String> set2 = new HashSet<String>(list);

§ Es gibt den Defaultkonstruktor (liefert die leere Menge)

und einen Konstrukor, der eine Menge basierend auf

einer anderen Collection erstellt.

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Set Methoden

add(value) adds the given value to the set

contains(value) returns true if the given value is found in this set remove(value) removes the given value from the set

clear() removes all elements of the set isEmpty() returns true if the set's size is 0

toString() returns a string such as "[3, 42, -7, 15]"

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Sets und Ordnungsrelationen

§ HashSet : Elemente sind in irgendeiner Reihenfolge gespeichert

Set<String> names = new HashSet<String>();

names.add("Jake");

names.add("Robert");

names.add("Marisa");

names.add("Kasey");

System.out.println(names);

// [Kasey, Robert, Jake, Marisa]

Sets und Ordnungsrelationen

§ TreeSet : Elemente werden gemäss compareTo Ordnung gespeichert

Set<String> names = new TreeSet<String>();

names.add("Jake");

names.add("Robert");

names.add("Marisa");

names.add("Kasey");

System.out.println(names);

// [Jake, Kasey, Marisa, Robert]

§ LinkedHashSet : in der Reihenfolge des Hinzufügens gespeichert

Set<String> names = new LinkedHashSet<String>();

...

// [Jake, Robert, Marisa, Kasey] ²¹

∀ Elemente der Menge

§ Da die Ordnung der Elemente in der Mengen nicht bekannt ist müssen wir einen (stabilen) Weg finden, Operationen mit allen Elemente einer Menge auszuführen.

§ Die Operation kann einen Test einschliessen der dann – je nach Ergebnis – die Operationen genauer definiert

§ Wenn element.hasProperty() dann element.moreOps()

§ Idee: Schleife über alle Elemente einer Menge

Die "for each" Schleife

Syntax:

for (type name : collection) { statements;

}

§ Definiert einen Loop über alle Elemente einer Ansammlung (z.B., Set , List – die Interface Collection implementieren) oder eines Arrays

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Beispiel

Set<Double> scores = new HashSet<Double>();

scores.add(21.0);

scores.add(20.0);

scores.add(24.0);

scores.add(0.0);

//Double ist wrapper Typ!

for (double score : scores) {

System.out.println("The score is " + score);

}

Map<String, Double> staff = new HashMap<String, Double>();

staff.put("Peter", 1.0);

staff.put("Mary", 6.0);

Reihenfolge der Iteration

§ HashSet – nicht definiert.

§ LinkedHashSet – wie eingefügt.

§ ArrayList – wie eingefügt.

§ LinkedList – wie eingefügt.

§ TreeSet – aufsteigend (nach compareTo).

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9.4 Abbildungen

Mengen (Sets) und Abbildungen (Maps)

§ Eine Menge ist eine Abbildung (map) der Elemente auf bool’sche Werte.

§ Set: Ist "ETH" in der Menge? (true/false)

§ Map: Was ist die Postleitzahl der "ETH"?

"ETH" Set true

false

"ETH" Map "8092"

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Abbildungen ("Map")

§ Abbildung ("map"): Hält eine Menge Schlüssel (keys) und eine (An)Sammlung von Werten (values), wobei jeder

Schlüssel mit einem Wert assoziiert ist.

§ Auch als "dictionary", "associative array",

"hash" bekannt.

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Einsatz von Abbildungen

§ Eine Abbildung stellt eine Assoziation zwischen Schlüssel und Werten her.

§ Speichert einen Wert für jeden Index (Schlüssel).

§ Später brauchen wir nur einen Schlüssel angeben und erhalten den entsprechenden Wert zurück:

Map // key value

put("ETH", "044-632-1111")

Abbildungen

§ Wichtigste Operationen:

§ put(key, value): Hinzufügen eines Schlüssels mit einem Wert

§ get(key): Lesen des Wertes der mit dem Schlüssel assoziiert ist.

§ remove(key): Entfernen des Schlüssels (und des mit ihm assoziierten Wertes)

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Map Implementation

§ In Java, Abbildungen ("maps") werden durch Map Interface in java.util unterstützt .

§ Map wird durch die Klassen HashMap und TreeMap implementiert

§ HashMap: mit einem Array, dem "hash table", implementiert;

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Map Methoden

put(key, value) adds a mapping from the given key to the given value;

if the key already exists, replaces its value with the given one get(key) returns the value mapped to the given key (null if not found) containsKey(key) returns true if the map contains a mapping for the given key remove(key) removes any existing mapping for the given key

clear() removes all key/value pairs from the map

size() returns the number of key/value pairs in the map isEmpty() returns true if the map's size is 0

Konstruktion von Abbildungen

Map<KeyType, ValueType> name = new TreeMap<KeyType,

ValueType>();

§ Könnte auch Referenzvariable

TreeMap<KeyType, ValueType> name deklarieren

§ Wollen vielleicht flexibel bleiben

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keySet

§ Die Methode keySet liefert die Menge ( Set ) aller "Keys"

(Schlüssel) in der Abbildung (Map)

§ Kann die Menge aller Keys in einer for each Schleife bearbeiten

§ Kann den Wert, der zu einem Key gehört, durch Aufruf von get für die Map erhalten

Map<String, Integer> ages = new TreeMap<String, Integer>();

ages.put("Roland", 19);

ages.put("Clara", 2); // ages.keySet() returns Set<String>

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Map Verhalten

§ Diese Abbildung (Map) speichert einen Wert (Integer) für einen Schlüssel (ein String, der "Name")

Map<String, Integer> ages = new TreeMap<String, Integer>();

ages.put("Roland", 19);

ages.put("Clara", 2);

ages.put("Sarah", 57);

ages.put("Clara", 3); // Clara had her birthday

for (String name : ages.keySet()) { // Clara -> 3

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values

§ Die Methode values liefert eine Ansammlung aller in der Map auftretenden Werte

§ Kann diese Werte mit einer for each Schleife abarbeiten

§ Es gibt keinen einfachen Weg die Keys für einen Wert zu finden

Weitere Map Methoden

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keySet() returns a set of all keys in the map

values() returns a collection of all values in the map

putAll(map) adds all key/value pairs from the given map to this map equals(map) returns true if given map has the same mappings as this

one

Umkehrfunktion der Abbildung

§ Es ist erlaubt, eine Map von Mengen, oder eine Liste von Listen, oder … zu definieren.

§ Wir wollen für jeden Assistenten seine Durchschnittsnote festhalten. Abbildung Name->Note

Map<String, Double> note = new HashMap<String, Double>();

note.put("Jared", 4.6);

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System.out.println("Jared's Note ist " +

note.get("Jared")); // 4.6

§ Aber die Abbildung erlaubt es nicht, einfach nach all den Assistenten zu fragen, die eine bestimmte Note erreichten.

§ Was für eine Abbildung bräuchten wir dafür?

Umkehrabbildung

§ Wir können die Abbildung umkehren so dass es eine Abbildung von Noten auf Assistenten ist.

Map<

> note = new HashMap<

>();

note.put(4.6, "Jared");

note.put(5.0, "Alyssa");

note.put(5.9, "Steve");

note.put(4.6, "Stef");

note.put(4.0, "Rob");

...

System.out.println("Wer hatte eine 4.6? " + note.get(4.6)); // ???

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§ Aber dieser Ansatz ist keine Lösung.

§ Wo ist das Problem?

§ Mehr als ein Assistant kann den selben Notendurchschnitt haben.

§ Die Map speichert nur den letzten Eintrag

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Korrekte Umkehrabbildung

§ Jede Note muss auf eine Sammlung (Collection) von Assistenten abgebildet werden.

Map<Double, Set<String>> note =

new HashMap<Double, Set<String>>();

Korrekte Umkehrabbildung

Map<Double, Set<String>> note =

new HashMap<Double, Set<String>>();

note.put(4.6, new TreeSet<String>());

note.get(4.6).add("Jared");

note.put(5.0, new TreeSet<String>());

note.get(5.0).add("Alyssa");

note.put(5.9, new TreeSet<String>());

note.get(5.9).add("Steve");

note.get(4.6).add("Stef");

note.put(4.0, new TreeSet<String>());

note.get(4.0).add("Rob");

...

System.out.println("Wer hatte eine 4.6? " +

note.get(4.6)); // [Jared, Stef]

§ Wichtig ist dass die Menge initialisiert ist bevor das 1. Element

hinzugefügt wird.

Übung

1. Schreiben Sie ein Programm, das zählt wieviele verschiedene Wörter in einem Text auftauchen.

§ Speichern Sie die Wörter in einer (An)Sammlung und halten Sie fest wie oft ein Wort in dem Text auftritt.

§ Nach dem Einlesen des Textes sollte es möglich sein, festzustellen wie oft ein bestimmtes Wort im Text auftritt.

2. Geben Sie jedes Wort das mindestens 1000mal auftritt aus

(sortiert nach der Häufigkeit (von 1000 an aufwärts)) und entfernen es aus der Menge.

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Lösung der 1. Übungsaufgabe

// read file into a map of [word --> number of occurrences]

Map<String, Integer> wordCount = new HashMap<String, Integer>();

Scanner input = new Scanner(new File("mobydick.txt"));

while (input.hasNext()) {

String word = input.next();

if (wordCount.containsKey(word)) {

// seen this word before; increase count by 1 int count = wordCount.get(word);

wordCount.put(word, count + 1);

} else {

Scanner console = new Scanner(System.in);

System.out.print("Word to search for? ");

String word = console.next();

System.out.println("appears " + wordCount.get(word) +

" times.");

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9.6 Iteratoren

Mit den Elementen einer Menge (Map) arbeiten

§ Auf die Elemente eines Java Set s oder einer Java Map kann nicht mit einem Index zugegriffen werden

§ Dafür gibt es den "for each" Loop:

Set<Double> scores = new HashSet<Double>();

for (double score : scores) {

System.out.println("The score is " + score);

}

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Die "for each" Schleife

Syntax:

for (type name : collection) { statements;

}

§ Definiert einen Loop über alle Elemente einer Collection

(z.B., Set , List – die Interface Collection implementieren)

oder eines Arrays

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Beispiel

Set<Double> scores = new HashSet<Double>();

scores.add(21.0);

scores.add(20.0);

scores.add(24.0);

scores.add(0.0);

for (double measured : scores) {

System.out.println("The score is " + score);

}

Map<String, Double> staff = new HashMap<String, Double>();

staff.put("Peter", 1.0);

staff.put("Mary", 6.0);

for (String s : staff.keySet()) {

System.out.println("Info: " + s +" -- " + staff.get(s));

}

Die "for each" Schleife

§ Problem: Die "for each" Schleife ist "read-only", d.h. die Menge darf nicht modifiziert werden während der Loop ausgeführt wird.

for (int score : scores) { if (score < 4.0) {

// throws a ConcurrentModificationException scores.remove(score);

}