Programmierung 1 Studiengang MI / WI

(1)

FB Automatisierung und Informatik: Programmierung 1, MI/WI 1

Programmierung 1 Studiengang MI / WI

Dipl.-Inf., Dipl.-Ing. (FH) Michael Wilhelm

Hochschule Harz

FB Automatisierung und Informatik

mwilhelm@hs-harz.de

http://mwilhelm.hs-harz.de

Raum 2.202

Tel. 03943 / 659 338

Inhalt der Vorlesung

Überblick:

• Erste Beispiele, Interaktion

• elementare Datentypen

• Variablen und Kontrollstrukturen

• Arrays und Funktionen

• Objekte

• Methoden

• Algorithmen und Pseudocode

• Laufzeitverhalten

• Simulation

• Bibliotheken

Grundlegende Algorithmen und Methoden:

• Suchen und Sortieren

• Hashing

• Rekursion

• Graphen

• Dynamische Programmierung

Von Processing zu Java

(2)

Kapitel

Arrays

•

Wozu Arrays?

•

Was ist ein Array?

•

Deklaration und Erzeugung

•

Initialisierung

•

Operationen auf und mit Arrays

•

Mehrdimensionale Arrays

Funktionen

•

Rückgabewert

•

Parameter

Wofür kann man Arrays benutzen?

•

Wie geht man mit mehreren Rechtecken, Bällen, Figuren usw. um?

•

int ball1X, ball1Y, ball2X, ball2Y, ....?

•

Könnte man die Daten nicht in einer Tabelle halten?

•

Etwa die ballX-Tabelle:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

•

Jede Spalte hat eine Nummer,

•

Für den 3. Ball wird Spalte 3 in der ballX-Tabelle angesprochen.

Beachte:

•

Alle Daten in einer Zeile müssen vom selben Datentyp sein!

(3)

Wofür kann man Arrays benutzen?

•

Wie geht man mit mehreren Rechtecken, Bällen, Figuren usw. um?

•

int ball1X, ball1Y, ball2X, ball2Y, ....?

•

Könnte man die Daten nicht in einer Tabelle halten?

•

Etwa die ballX-Tabelle:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

•

Jede Spalte hat eine Nummer,

•

Für den 3. Ball wird Spalte 3 in der ballX-Tabelle angesprochen.

Beachte:

•

Informatiker zählen von NULL

Was ist ein Arrays?

•

Eine Variable ist eine benannte Speicherstelle.

•

Ein Array ist eine benannte Menge von Speicherstelle.

(Eine Liste von Variablen)

•

Gemeinsamer Name

•

Ein Datentyp

•

Feste Größe

•

Jedem Element der Liste ist ein Index zugeordnet

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

4 17 19 21 5 88 4 9 77 3 14

int –Array mit dem Namen „Feld“

(4)

Wie deklariert man einen Array (1. Schritt)

int [] arrayOfInts;

Datentyp der Arrayelemente

Eckige Klammern geben an: Es handelt sich um einen Array

Name des Arrays Es gelten alle Regeln für Variablennamen

•

Es wurde noch nicht festgelegt:

•

Wie viele Elemente soll das Array enthalten?

•

(Es wurde noch kein Speicher für die Array-Elemente reserviert)

Wie man einen Array erzeugt (2. Schritt)

Es soll Speicher für die Arrayelemente reserviert werden.

•

int numberOfElements = 42;

•

arrayOfInts = new int [numberOfElements];

Enthält Referenz auf Array im Speicher

Schlüsselwort new:

Nutzt Datentyp und Anzahl um

Speicher zu reservieren. Liefert Speicheraddresse zurück

Datentyp der Elemente

Anzahl der Elemente Fest, kann nachträglich nicht geändert werden.

(5)

Wie man einen Array benutzt (3. Schritt)

int numberOfElements = 5;

arrayOfInts = new int numberOfElements];

arrayOfInts[0] = 12;

arrayOfInts[1] = 1;

arrayOfInts[2] = 22;

arrayOfInts[3] = 55;

arrayOfInts[4] = 43;

for (int i=0; i<5; i=i+1) { arrayOfInts[i] = i+44;

}

Übung: Deklarieren Sie Arrays inklusive dem zugehörigen Speicher

100 Fließkommazahlen:

float[] hundredFloats = new float[100];

12 Ganzzahlarrays:

int faktor=33;

int[] someIntArrays = new int[12];

for(int i=0; i<12; i++) {

someIntArrays[i] = (i+2)*(faktor);

}

(6)

Mehrdimensionales Array

Beispiele:

Bild: Pixel pro Zeile, pro Spalte Matrix: Mathematik

Spielfeld: Schach, Dame

Anzahl der Dimensionen ist nur durch den Speicherplatz begrenzt

0 1 2 3 0

1 2 3 Beispiel einer

Matrix 4x4

Deklaration einer 10x10 Matrix

int n=10;

int m=10;

int[][] a = new int[n][m];

int[][] b = new int[n][m];

for(int i=0; i<n; i++) { for(int j=0; j<m; j++) {

a[i][j] = i+j;

b[i][j] = i+i + j<<1;

} }

// << bedeutet Multiplikation mit zwei

// >> bedeutet Multiplikation mit 0,5

(7)

Sichere Initialisierung von Arrays

Anstatt

float[] werte = new float[6];

for(int i = 0; i < 6; i++) { werte[i] = 0;

}

lässt sich sicherer schreiben:

int[]

float[] werte = new float[6];

for(int i = 0; i < werte.length; i++) { werte[i] = 0;

}

Kurzform für kleine Arrays:

Anstatt

int[] meinFeld = new int[3];

meinFeld[0] = 8;

meinFeld[1] = 3;

meinFeld[2] = -1;

lässt sich kürzer schreiben:

int[] meinFeld = { 8, 3, -1};

•

prog1

(8)

Übungen

int[] nums = { 5, 4, 2, 7, 8, 14, 6, 4};

Aufgabe

•

Addieren Sie zu jedem Arrayelement seinen Nachfolger im Array.

•

Ignorieren Sie den letzten Wert

Übungen

int[] nums = { 5, 4, 2, 7, 8, 14, 6, 4};

Aufgabe

•

Berechnen Sie die Summe aller Arrayelemente.

(9)

Übungen

int[] feldA = { 5, 4, 2, 7, 8, 14, 6, 4};

int[] feldB = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8};

Aufgabe

•

Addieren Sie die beiden Arrays in ein neues Feld feldC

Zusammenfassung

Arrays vereinfachen das Speichern von Gruppen oder Listen

•

Arrayelemente haben einen gemeinsamen Datentyp

•

Beliebige Länge, aber nach Festlegung unveränderlich

•

jedes Element hat einen Index (ab 0)

Erzeugen von Arrays geschieht in zwei Schritten:

•

Deklariere des Arrays (Typ und Name)

•

Reserviere Speicher (legt Länge fest, Schlüsselwort new)

•

Kann auch mit einer Zeile erledigt werden.

Arrays können direkt initialisiert werden: { 1, 17, 28 } For-Schleifen und Arrays treten oft gemeinsam auf:

•

initialisiere alle Elemente

(10)

Übungen

int[] nums = { 5, 4, 2, 7, 8, 14, 6, 4};

•

Berechnen Sie die Summe aller Arrayelemente.

Teilkapitel Funktionen

•

Modularität

•

Deklaration und Definition

•

Aufruf

•

Parameterübergabe

•

Rückgabewerte

•

Wiederbenutzbarkeit

(11)

Was ist eine Funktion?

Ein benannter Code-Block Bereits bekannte Beispiele:

setup(), draw(), mousePressed() background(), ellipse(), rect()

In Pseudocode: Überschriften auf einer “höheren” Ebene

•

Lösche den Hintergrund

•

Zeichne Raumschiff

•

Zeichne Gegner

•

Bewege Raumschiff abhängig von der Tastatur

•

Bewege Gegner

Funktionsaufruf Nassi-Shneiderman

Vom Pseudocode zu Funktionen

Bei jedem draw-Durchlauf:

•

Lösche den Hintergrund

•

Zeichne das Raumschiff

•

Zeichne die Gegner

•

Bewege das Raumschiff

•

Nimm Tastatureingabe entgegen

•

Bewege das Raumschiff

•

Bewege die Gegner

void draw() { background(0);

drawSpaceship();

drawEnemies();

moveShip();

moveEnemies();

}

(12)

Vom Pseudocode zu Funktionen: Server

Schleife mit kompletten Code:

•

Ist am Port eine Nachricht

•

Lese Nachricht

•

Erzeuge freie Portadresse

•

Sende Empfänger den freien Port

void main() { isMessage();

readMessage();

createfreePort();

sendfreePort();

}

Vorteile:

•

Code wird ausgelagert

•

Kann mehrfach verwendet werden, auch von Kollegen

•

Aufruf-Code ist übersichtlich

•

Information-Hiding (Details interessieren JETZT nicht)

Weshalb nutzt man Funktionen?

Wird die draw-Funktion lang und unübersichtlich?

Zwei Grundprinzipien guter Programmierung:

•

1) Modularität

•

Teile den Code in kleinere Teile

•

Besser zu managen und lesen

•

Vermindert Anzahl lokaler Variable

•

2) Wiederverwendbarkeit

•

Duplizierter Code (Copy/Paste) ist nicht gut

•

Muss an mehreren Stellen unterhalten werden

•

Besser: Stecke duplizierten Code in eine neue Funktion

und rufe diese von verschiedenen Stellen auf.

(13)

Deklaration einer Funktion

Rückgabewert Fkt-Name ( Parameterliste ) { Variablendeklaration

Verarbeitender Code Optionale Rückgabe } // Ende von Fkt-Name

Funktionsdeklaration:

•

Teilt dem Compiler mit, dass ein neuer, benannter Codeblock vorhanden ist und wie dieser funktioniert

Weitere Regeln:

•

Funktionen werden außerhalb anderer Funktionen deklariert.

Namensgebung:

•

dieselben Regeln wie für Variable.

Gruppiere Code in verwandte Teile: Funktionen

void draw() { background(255);

// Aendere Ort x um Geschw.

x = x + speed;

// Reflektieren von Kanten if(x > width || x < 0) {

speed = -speed;

}

// Zeichne Kreis bei x stroke(0);

fill(175);

ellipse(x, 100, 32, 32);

Bewege den Ball Init Screen

Reflektiere Ball an Kanten

Zeichne alle

Elemente

(14)

Benenne die Blöcke, deklariere Funktionen

// MAIN

void draw() { initCanvas();

bewege();

abprallen();

zeichnen();

}

void abprallen() {

if(x > width || x < 0) { speed = -speed;

} }

void bewege() { x += speed;

}

void zeichnen() { stroke(0);

fill(175);

ellipse(x, 100, 32, 32);

}

void initCanvas() { background(255) }

Parameter

•

Wie geht man vor, wenn die Funktion beim Aufruf unterschiedliche Dinge tun soll?

•

„drawRectangles“ mit unterschiedlichen Farben

Einige Beispiele:

•

size(200, 200);

•

ellipse(x, y, width, height);

Frage:

•

Wie schreibe ich eigene Funktionen, die Parameter empfangen?

(15)

Argumente und Parameter

Argumente werden gesendet, Parameter werden empfangen

/**

* Zeichne einen schwarzen Kreis

* Parameter: diameter, der Durchmesser

*/

void drawBlackCircle(int diameter) { fill(0);

// uebergibt den Durchmesser als Argument ellipse(50, 50, diameter, diameter);

}

Regeln für Funktionen

•

Es muss dieselbe Anzahl an Argumenten übergeben wie Parameter definiert sind

•

Die Argumente müssen einen zum Parameter kompatiblen Typ besitzen. Eventuelles Casting

•

double Parameter kann double, float, int, ... empfangen

•

int Parameter kann int, short, ..., aber kein float, double, long empfangen.

•

Die übergebenen Werte können sein:

•

Explizite Werte (Literale: 20, 4.3, ...)

•

Variablen (x, y, size, ...)

•

Der Wert eines Ausdrucks (8 + 3, 4*x)

(16)

void draw() {

float aktuellerStundenlohn = 10.25;

float prozentErhoehung = 3.0;

zeigeNeuenStundenlohn(

aktuellerStundenlohn, prozentErhoehung);

} /*

•

Die Funktion gibt den neuen Stundenlohn aus.

•

lohnAktuell ist der zur Zeit gültige Stundenlohn

•

erhoehung ist die prozentuale Erhoehung

*/

schreiben Sie die passende Funktion:

Parameter und Code

Kann eine aufgerufenen Funktion die übergebenen Argumente verändern?

•

Die ist potentiell gefährlich.

•

In Processing und Java gelten folgende Regeln:

•

Die Werte aller atomaren Datentypen (int, float, ...) werden bei der Übergabe kopiert. (pass by value)

•

Die Adressen aller nicht atomaren Datentypen

(Arrays) werden bei der Übergabe kopiert, nicht jedoch

die Werte (pass by reference).

(17)

“Pass by Value” vs. “Pass by Reference”

void draw() { int n = 10;

println(n);

byValue(n);

println(n);

}

void byValue(int num) { num = 73;

println(num);

}

void draw() {

int[] n = { 10 };

println(n[0]);

byRef(n);

println(n[0]);

}

void byRef(int[] num) { num[0] = 73;

println(num[0]);

}

Ausgabe1 Ausgabe2

10 10

73 73

73 10

Ausgabe1 Ausgabe2

10 10

73 73

73 10

✘ ✘

✔ ✔

Rückgabewerte

•

Bisher wurden von den Funktionen keine Werte zurückgegeben.

•

Die wird durch das Schlüsselwort void für den Rückgabewert ausgedrückt

•

Bei der Deklaration einer Funktion gibt der erste Teil den Rückgabetyp an:

Rückgabewert Fkt-Name ( Parameterliste ) { Variablendeklaration

Verarbeitender Code

(18)

Rückgabewerte

void setup() {

int meinArray = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };

int meineSumme = calcSumme(meinArray);

} /**

* Berechnet die Summe der Elemente des Arrays

* Parameter: werte des aufzusummierenden int-Arrays

* Rueckgabewert: die Summe der Arrayelemente

*/

int calcSumme(int[] werte) { int sum = 0;

for(int i=0; i<werte.length; i++) { sum += werte[i];

}

return sum; // Gibt eine Kopie zurueck }

Zusammenfassung

Funktionen sind nützlich:

•

1) Aufteilen des Codes in kleinere, benannte Teile

•

2) Verhindern Code-Duplizierung

•

3) können wiederbenutzt werden Processing ist eine Funktionsbibliothek:

•

gibt Funktionen vor: line(), ellipse(), rect(), ....

•

es kann Code in spezielle Funktionen geschrieben werden:

•

setup(), draw(), mousePressed(), ....

•

Es können eigene Funktionen definiert werden

•

Funktionen erhalten Argumente, die Ihr Verhalten beeinflussen

•

Funktionen übernehmen die Argumente in Parameter

•

Atomare Datentypen werden kopiert (pass by value).

•