EDAA30 Programmering i Java - fortsättningskurs

(1)

Föreläsning 1

EDAA30

Programmering i Java - fortsättningskurs

cs.lth.se/edaa30 Kursansvarig: Marcus Klang

marcus.klang@cs.lth.se

Datavetenskap (LTH) Föreläsning 1 HT 2019 1 / 45

Föreläsning 1

Innehåll

Introduktion

Kursens mål och innehåll Undervisning

Abstrakta datatyper och delar av Javas klassbibliotek Arv, abstrakta klasser och metoder (repetition) Interface

Abstrakta datatyper - lista, stack, FIFO-kö, mängd, map, prioritetskö

EDAA30 Programmering i Java - fortsättningskurs

Läsperiod lp 1+2 7.5 hp

Kursansvarig: marcus.klang@cs.lth.se cs.lth.se/edaa30

moodle.cs.lth.se Förkunskapskrav:

Godkänd på laborationer och inlämningsuppgifter i EDAA10 eller motsvarande.

Detta kan du ...

Förkunskaper

en hel del om programmering och objektorientering begrepp som klass, objekt, attribut, metod, parameter skriva mindre program i programspråket Java

skriva och debugga program i utvecklingsverktyget Eclipse använda vektorer, matriser och (delvis) klassen ArrayList

enkla algoritmer som t.ex. linjärsökning, insättning i en redan sorterad vektor

använda arv – superklass, subklass, abstrakt metod

(2)

Detta ska du lära dig ...

Kursens mål

mer om programmering och objektorientering interface, exceptions, generik ...

formulera och använda olika algoritmerför att eﬀektivt lösa problem sökning, sortering, rekursiva algoritmer ...

Känna till olikaabstrakta datatyper

viktigaste operationerna, användningsområden lista, stack, kö, mängd, map, prioritetskö använda olikadatastrukturer

vektorer, länkade listor, binära sökträd, hashtabeller, heapar

dels genom att använda färdigaklassbibliotekoch dels genom att göra egna implementeringar

skriva program med grafiska användargränssnitt (JavaFX) testa klasser (jUnit)

analysera och jämföra algoritmers tidsåtgång

Mål

Förklaring av termer

Algoritm – en beskrivning hur man stegvis löser ett problem.

Ex: matrecept, linjärsökning

Abstrakt datatyp – en abstrakt modell tillsammans med de operationer man kan utföra på den

Ex: lista med operationer för att sätta in och ta bort element Datastruktur – en samling variabler (ofta med samma datatyp) som hör ihop.

Ex: vektor

Klassbibliotek– färdiga klasser som är tänkta att användas i andra program. Fungerar som en utvidgning av programspråket.

Ex: Java Collections Framework

Varför är detta viktigt att kunna?

Till skillnad mot övningsprogram är riktiga program stora, skrivs av flera personer, har lång livstid, kräver underhåll . . . .

Därför är följande viktigt:

bra design läsbar kod

att man kan välja lämpliga algoritmer, datastrukturer och färdiga byggstenar (klasser ur bibliotek)

bra verktyg för programutveckling, felsökning och testning

Exempel

Skriv program för att hantera kontakter (namn, mobil nr ...).

Att fundera på:

Ska vi använda en vektor eller finns det andra, bättre sätt att lagra posterna? Finns det färdiga klasser som kan användas?

Hur sker kommunikationen med användaren (utskrifter i konsolfönstret eller snyggare grafiskt användargränssnitt)? Hur designar man

programmet så att man lätt kan byta sätt?

Hur söker man snabbt om antal poster är stort?

. . .

(3)

Från problem till program

Specifikation av problemet Design

Val av lösningsmetoder (algoritmer, datastrukturer) för delproblem Implementering (programskrivning) Testning

Underhåll (korrigeringar och uppdateringar)

XX XX XX XX X y

Behandlas i EDAF25, OMD Behandlas i denna kurs

Parallellt: dokumentation

Kursmoment

Laborationer – 6 st, lp 1 läsvecka 4, 6 och lp 2 läsvecka 2, 3, 4, 5 obligatoriska

Kräver förberedelser.

Ska lösas i grupper om två. Anmälan till önskad labbgrupp görs på kursens webbsida.

Inlämningsuppgift – andra halvan av kursenobligatorisk Löses normalt i grupper om två.

Finns på webbsidan. Det finns två alternativ att välja mellan.

Jourtider för frågor i samband med inlämningsuppgiften kommer att finnas.

Redovisas i läsvecka 7 i lp 2.

Övningsuppgifter

Viktigt komplement till laborationerna.Löses på egen hand.

Examination

Skriftlig tentamen

Kursen inrapporteras i Ladok i två delar

Obligatoriska moment (laborationer + inlämningsuppgift) 3 hp Tentamen 4.5 hp

Kursmaterial och kursbok

Kurmaterial:

Föreläsningsbilderna – finns på kurshemsidan och moodle Laborationsuppgifter

PM om programutvecklingsmiljön Eclipse PM om testverktyget jUnit

Inlämningsuppgift

Övningsuppgifter – finns på Moodle

Java snabbreferens (tillåtet hjälpmedel på tentan)

Allt material finns på cs.lth.se/edaa30 eller moodle.cs.lth.se Kursbok: E. Koﬀman och A. T. Wolfgang:Data Structures:

Abstraction and Design Using Java, 3rd Edition, Wiley 2016.

Rekommenderad, men ej obligatorisk.

Läsanvisningar finns på cs.lth.se/edaa30 och moodle.cs.lth.se.

Det går även att använda den andra upplagan.

(4)

Om att lära sig programmera

Programmering är kul!

Programmering tar tid (fundera ut lösningar, hitta fel ...).

Man lär sig programmera genom att träna. Skriv program, testa, hitta på egna program, experimentera ...

Men inte bara - glöm inte bort teorin.

Starten är viktig. Häng med från början! Det man lär sig kommer att byggas på och användas genom hela kursen.

De olika undervisningsmomenten (övningsuppgifter, labbar, föreläsningar ...) finns av en anledning och kompletterar varandra.

Nytt sedan förra kursomgången

Övningar finns nu på vår Moodle server

Ny kursansvarig: Marcus Klang tar över efter Niklas Fors

Interface

Kort repetition av arv, abstrakta klasser och abstrakta metoder Interface i Java

Deklarera interface

Skriva klasser som implementerar interface

Arv – repetition

Exempel

I ett program ska geometriska figurer (kvadrater och cirklar) hanteras.

Figurerna ska kunna flyttas och ritas upp på skärmen.

Shape(int, int) moveTo(x, y) draw(SimpleWindow)

Shape {abstract}

x y

Circle(int, int, int) radius

Circle side

Square Square(int, int, int)

(5)

Arv

Superklassen Shape

public abstract class Shape { protected int x;

protected int y;

protected Shape(int x, int y) { this.x = x;

this.y = y;

}

public void move(int dx, int dy) { x = x + dx;

y = y + dy;

}

public abstract void draw(SimpleWindow w);

}

Arv

Subklassen Square

public class Square extends Shape { private int side;

public Square(int x, int y, int side) { super(x, y);

this.side = side;

}

public void draw(SimpleWindow w) { w.moveTo(x, y);

w.lineTo(x + side, y);

w.lineTo(x + side, y + side);

w.lineTo(x, y + side);

w.lineTo(x, y);

} }

Arv

Exempel

public class Main {

public static void main(String[] args) { Shape[] theShapes = new Shape[3];

theShapes[0] = new Square(100, 300, 100);

theShapes[1] = new Square(400, 200, 100);

theShapes[2] = new Circle(400, 400, 50);

SimpleWindow w = new SimpleWindow(600, 600, "Figurer");

for (int i = 0; i < theShapes.length; i++) { theShapes[i].move(10, 10);

}

for (int i = 0; i < theShapes.length; i++) { theShapes[i].draw(w);

} } }

Diskutera

Klassen Shape har den abstrakta metoden draw.

Vad är en abstrakt metod?

Varför finns den abstrakta metoden draw i klassen Shape?

Vad händer om vi tar bort metoden draw från klassen Shape?

(6)

Interface

I ett helt annat program är man bara intresserad av att beräkna figurernas area. Metoderna draw och move behövs ej och då inte heller de

gemensamma attributen x och y. Onödigt att använda arv!

Lösning: Skriv ettinterfaceMeasurable med en abstrakt metod för att beräkna arean. Låt klasserna Square och Circle implementera interfacet.

public interface Measurable { /** Returns the area. */

double area();

}

<<interface>>

Measurable area() : double

Circle(int) radius

Circle side

Square

Square(int)

Implementera interface

Klassen Square implementerar interfacet Measurable

I en klass som implementerar ett interface måste alla abstrakta metoder i interfacet implementeras:

public class Square implements Measurable { private int side;

public Square(int side) { this.side = side;

}

public double getSide() { return side;

}

public double area() { return side * side;

} }

Interface

Datatyp

Ett interface är en datatyp (precis som en klass).

Exempel 1:

Measurable m = new Square(50);

System.out.println(m.area());

Exempel 2:

public static double sumAreas(Measurable[] a) { double sum = 0;

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

}return sum;

}

Interface

Exempel

En variabel av typen Measurable kan referera till objekt av alla klasser som implementerar interfacet:

public class Main {

public static void main(String[] args) {

Measurable[] theShapes = new Measurable[3];

theShapes[0] = new Square(100);

theShapes[1] = new Square(100);

theShapes[2] = new Circle(50);

double sum = 0;

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

}System.out.println(sum);

} }

(7)

Interface

Deklarera interface

Innehåller oftast en eller flera publika, abstrakta metoder.

Metoderna är implicit publika och abstrakta, dvs. man behöver inte skriva public abstract ....

public interface Measurable { /** Returns the area. */

double area();

}

Interface

Deklarera interface, forts

Från och med Java 8 kan interface innehålla abstrakta metoder

konstanter (statiska attribut som är final) statiska metoder

default-metoder (från Java 8) public interface Measurable {

/** Returns the area. */

double area();

/** Returns a String representation of the area. */

public default String areaAsString() { return String.valueOf(area());

} }

Diskutera

Hitta likheter/skillnader mellan abstrakta klasser och interface?

Har du träﬀat på interface tidigare? Ge exempel i så fall.

Interface

Kontrakt

Interface betyder gränssnitt.

Interfacet fungerar som kontrakt eller specifikation.

En klass som implementerar interfacet måste implementera alla abstrakta metoder i interfacet. Annars går klassen inte att kompilera.

Flera olika klasser kan implementera samma interface.

(8)

Interface

Ger valmöjlighet

Genom att använda interfacenamnet som typnamn kan man skjuta upp valet av implementering.

lätt byta en implementerande klass mot en annan.

Man kan använda alla metoder i ett interface innan de är implementerade. Det är bara när man skapar instanser som man behöver en implementerande klass.

Exempel:

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

eller

List<Integer> list = new LinkedList<Integer>();

List<E> är ett interface i java.util, medan ArrayList<E> och LinkedList<E> är konkreta klasser.

Interface

Implementera flera interface

En klass kan implementera flera interface men bara ärva från en klass.

public class Square extends Shape implements Measurable, Cloneable { // implementering av alla abstrakta metoder i klassen Shape // och i interfacen Measurable och Cloneable

}

Exempel: Komplexa tal

Interfacet ComplexNumber

public interface ComplexNumber { /** Returns real part. */

double getRe();

/** Returns imaginary part. */

double getIm();

/** Adds this number and rhs and returns result as a new complex number. */

ComplexNumber add(ComplexNumber rhs);

}

Exempel: Komplexa tal

Klass som implementerar interfacet

public class RectangularComplexNumber implements ComplexNumber { private double re;

private double im;

public RectangularComplexNumber(double re, double im) { this.re = re;

this.im = im;

}

public double getRe() { return re;

}

public double getIm() { return im;

} ...

(9)

Exempel: Komplexa tal

En annan klass som implementerar interfacet

public class PolarComplexNumber implements ComplexNumber { private double r;

private double theta;

public PolarComplexNumber(double re, double im) { r = Math.sqrt(re*re + im*im);

theta = Math.atan2(im, re);

}

/** returns real part */

public double getRe() {

return r * Math.cos(theta);

}

/** returns imaginary part */

public double getIm() {

return r * Math.sin(theta);

}...

Abstrakta datatyper

Vad är en abstrakt datatyp?

Översikt över de abstrakta datatyperna som ingår i kursen

Abstrakt datatyp (ADT)

Definition

En abstrakt modell tillsammans med de operationer man kan utföra på den.

Exempel:

Abstrakt modell: komplexa tal Operationer på modellen: ta reda på realdelen

ta reda på imaginärdelen

addera med ett annat komplext tal . . .

En ADT kan beskrivas av en specifikation eller av ett interface En klass är en implementering av en ADT

Viktiga abstrakta datatyper

Lista en samling element där positionering är möjlig (första, sista, element på plats i, ...)

Stack en följd av element där borttagning av ett element avser det element som senast satts in.

FIFO-kö en följd av element där insättning gör sist och borttagning först i kön.

Prioritetskö en kö där borttagning av element avser det viktigaste (minsta) elementet.

Mängd (eng. Set) en samling element där dubbletter är förbjudna.

Map en samling av nyckel-värde-par (jfr. lexikon)

(10)

Abstrakt datatypen lista

1:a elementet 2:a elementet 3:e elementet 4:e elementet

Abstrakt modell: lista Operationer på modellen:

Lägga in element i listan (först, sist ...) Ta bort ett element ur listan

Undersöka om ett visst element finns i listan Ta reda på ett elementet i listan (första, sista ...) Undersöka om listan tom

...

Abstrakta modell

lista

Abstrakt modell Verkliga problem

Bokregister

Lista Schema

Inköpslista

Stack

Definition

En stack är en följd av element där borttagning av ett element alltid avser det senast insatta elementet.

Kallas även LIFO-lista, Last In First Out Operationer sker på toppen av stacken.

push pop

Köer

I en FiFO-kö görs insättning sist i följden och borttagning avser första (äldsta) elementet.

First In First Out

offer poll

I en prioritetskö avser borttagning alltid det mest prioriterade (minsta) elementet.

Det viktigaste först.

(11)

Mängd

Definition

En mängd (eng. Set) är en en samling element där dubbletter är förbjudna.

Operationer:

sätta in ett element ta bort ett element

undersöka om ett element finns i mängden

Map

I en map lagras nyckel-värde-par.

Kan också kallas lexikon eller nyckel-värdetabell Nycklarna är unika.

Man använder nyckeln för att söka tillhörande värde.

Exempel:

nyckel är månad, värde är antal dagar i månaden.

nyckel är personnummer, värde är Person-objekt med namn, adress ...

mars april maj ...

...

31 30 31 ...

...

nycklar (unika) värden (dubbletter ok)

Diskutera

Välj den abstrakta datatyp (lista, stack, kö, prioritetskö, mängd, map) som passar bäst för att lösa respektive problem:

Givet en samling element, tag reda på antal unika element.

Hålla reda på ett antal arbetsuppgifter som ska utföras. Den arbetsuppgift som tar kortast tid ska utföras först.

Räkna antal förekomster av ord i en text.

Kontrollera att parenteser är korrekt nästlade – { () () } är ok, { (} ) är inte ok.

Sortera element.

Abstrakta datatyper i kursen

I kursen kommer du att använda de olika abstrakta datatyperna för att lösa problem.

Då måste du veta vad som utmärker de olika abstrakta datatyperna och vad man ska ha dem till.

Du kommer att använda färdiga klasser från Javas klassbibliotek som implementerar dessa abstrakta datatyper.

Men du kommer också att få se ”under huven” hur de kan implementeras.

(12)

Exempel på vad du ska kunna

Förklara begreppet abstrakt metod

Förklara begreppet interface och deklarera interface i Java Skriva klasser som implementerar interface

Förklara begreppet abstrakt datatyp

Ha kännedom om några viktiga abstrakta datatyper och vad som utmärker dem

Lista Stack FIFO-kö Prioritetskö Mängd Map