Programmieren lernen eine grundlegende Einführung mit Java
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| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2007
|
| Ausgabe: | 3. Aufl. |
| Schriftenreihe: | eXamen.press
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Klappentext |
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Eine grundlegende Einführung mit Java
Ziel dieses Buches ist die systematische Vermittlung grundlegender Kenntnisse der Programmierung
mittels Java. Dabei werden klassische Konzepte, wie z. B. bedingte Anweisungen, Schleifen und
Rekursion durch die wachsenden Anforderungen der betrachteten Problemstellungen sukzessive und
gründlich eingeführt.
Im weiteren Verlauf werden u.a. folgende Themen behandelt: Objekte und
(generische)
Klassen,
Kontrollanweisungen und Datenstrukturen, wichtige Algorithmen zum Suchen und Sortieren von
Daten sowie für einfache numerische Anwendungen und elementare Graph-Traversierung.
Modularisierungskonzepte und Methoden der nebenläufigen Programmierung mittels
Threads,
des
Exception-Handlings,
der Ein- und Ausgabe sowie von graphischen Benutzerschnittstellen runden das
Buch ab.
Inhalt s Verzeichnis
Teil
I
Objektorientiertes Programmieren
Objekte und Klassen...................................... 3
1.1 Objekte................................................ 3
1.2 Beschreibung von Objekten: Klassen....................... 6
1.3 Klassen und Konstruktormethoden........................ 8
1.3.1 Beispiel: Punkte im R2............................. 8
1.3.2 Klassen in JAVA.................................. 9
1.3.3 Konstruktor-Methoden............................. 10
1.4 Objekte als Attribute von Objekten........................ 14
1.4.1 Beispiel: Linien im R2.............................. 14
1.4.2 Anonyme Objekte................................. 16
1.5 Objekte in Reih und Glied:
Arrays
......................... 16
1.5.1 Beispiel: Polygone im R2........................... 17
1.5.2
Arrays:
Eine erste Einführung....................... 18
1.6 Zusammenfassung: Objekte und Klassen.................... 21
Typen, Werte und Variablen............................... 23
2.1 Die elementaren Datentypen von JAVA .................... 24
2.1.1 Die Wahrheitswerte................................ 25
2.1.2 Die ganzen Zahlen
Z
............................... 26
2.1.3 Die Gleitpunktzahlen
R
............................ 27
2.1.4
Ascii
und Unicode................................. 29
2.1.5
Strings
........................................... 31
2.2 Typen und Klassen, Werte und Objekte.................... 33
2.3 Die Benennung von Werten: Variablen..................... 34
2.4 Konstanten: Das hohe Gut der Beständigkeit................ 36
2.5 Metamorphosen......................................... 37
2.5.1 Casting.......................................... 37
2.5.2 Von Typen zu Klassen (und zurück)................. 39
2.6 Zusammenfassung....................................... 40
3 Methoden................................................. 41
3.1 Methoden sind Prozeduren oder Funktionen................ 41
3.1.1 Funktionen....................................... 41
3.1.2 Prozeduren....................................... 43
3.1.3 Methoden und Klassen............................. 44
3.1.4
Overloading
(Überlagerung) ........................ 46
3.2 Lokale Variablen und Konstanten.......................... 47
3.2.1 Lokale Variablen.................................. 47
3.2.2 Lokale Konstanten................................. 48
3.2.3 Parameter als verkappte lokale Variablen*............ 49
3.3 Beispiele: Punkte und Linien.............................. 50
3.3.1 Die Klasse Point.................................. 50
3.3.2 Die Klasse Line................................... 54
3.3.3 Private Hilfsmethoden............................. 55
3.3.4 Methoden mit variabler Parameterzahl*.............. 56
3.3.5 Fazit: Methoden sind Funktionen oder Prozeduren..... 56
4 Programmieren in Java - Eine erste Einführung........... 59
4.1 Programme schreiben und ausführen....................... 59
4.1.1 Der Programmierprozess........................... 60
4.1.2 Die Hauptklasse und die Methode
main
.............. 62
4.2 Ein Beispiel mit Physik.................................. 63
4.3 Bibliotheken
(Packages)
.................................. 66
4.3.1
Packages:
Eine erste Einführung..................... 67
4.3.2 Öffentlich, halböffentlich und privat.................. 67
4.3.3 Standardpackages von JAVA........................ 68
4.3.4 Die Java-Klasse Math.............................. 68
4.3.5 Die Java-Klasse System............................ 70
4.3.6 Die Klassen Terminal und
Console:
Einfache
Ein-./ Ausgabe
..................................... 71
4.3.7 Kleine Beispiele mit Grafik......................... 73
4.3.8 Zeichnen in JAVA: Elementare Grundbegriffe......... 75
Teil
II
Ablaufkontrolle
5 Kontrollstrukturen ................................:....... 81
5.1 Ausdrücke.............................................. 81
5.2 Elementare Anweisungen und Blöcke....................... 82
5.3 Man
muss
sich auch entscheiden können.................... 83
5.3.1 Die if-Anweisung................................. 84
5.3.2 Die switch-Anweisung............................. 85
5.4 Immer und immer wieder: Iteration........................ 87
5.4.1 Die while-Schleife................................. 87
5.4.2 Die
f
or-Schleife................................... 90
5.4.3
Die break-
und
continue-
Anweisung (und
return)
.... 91
5.5 Beispiele: Schleifen und
Arrays............................
93
5.6 Die assert-Anweisung................................... 98
5.7 Zusammenfassung: Kontrollstrukturen ..................... 99
Rekursion.................................................101
6.1 Rekursive Methoden.....................................102
6.2 Funktioniert das wirklich?................................104
Teil
III
Eine Sammlung von Algorithmen
7 Aspekte der Programmiermethodik........................109
7.1 Man
muss
sein Tun auch erläutern: Dokumentation..........109
7.1.1 Kommentare im Programm.........................110
7.1.2 Allgemeine Dokumentation.........................111
7.2 Zusicherungen
(Assertions)
...............................112
7.2.1 Die wichtigsten Regeln des Hoare-Kalküls............115
7.2.2 Terminierung.....................................117
7.3 Aufwand...............................................120
7.4 Testen.................................................124
7.5 Beispiel: Mittelwert und Standardabweichung...............126
7.6 Beispiel: Fläche eines Polygons............................127
7.7 Beispiel: Sieb des
Eratosthenes
............................130
7.8 Beispiel Primzahltest: Zeuge der Verteidigung...............132
7.8.1 Zur Motivation: Kryptographie mittels Primzahlen .... 132
7.8.2 Ein probabilistischer Primzahltest...................134
7.9 Beispiel: Zinsrechnung ...................................138
Suchen und Sortieren......................................143
8.1 Ordnung ist die halbe Suche..............................143
8.2 Wer sucht, der findet (oder auch nicht).....................144
8.2.1 Lineares Suchen: Die
British-
Museum
Method
.........144
8.2.2 Suchen mit Bisektion..............................146
8.3 Wer sortiert, findet schneller..............................148
8.3.1 Selectionsort......................................151
8.3.2 Insertionsort .....................................152
8.3.3
Quicksort
........................................154
8.3.4 Mergesort........................................158
8.3.5 Heapsort.........................................160
8.3.6 Mit Mogeln gehts schneller: Bucketsort...............166
8.3.7 Verwandte Probleme...............................166
Numerische Algorithmen..................................169
9.1 Vektoren und Matrizen...................................169
9.2 Gleichungssysteme: Gauß-Elimination......................172
9.2.1 Lösung von Dreieckssystemen.......................175
9.2.2 ¿[/-Zerlegung.....................................176
9.2.3 Pivot-Elemente ...................................178
9.2.4 Nachiteration.....................................179
9.2.5 Testen mit Probe..................................180
9.3 Wurzelberechnung und Nullstellen von Funktionen...........180
9.4 Differenzieren...........................................183
9.5 Integrieren..............................................186
9.6 Polynom-Interpolation...................................189
9.6.1 Für Geizhälse: Speicherplatz sparen..................194
9.6.2 Extrapolation.....................................195
9.7
Spline-Interpolation
......................................198
9.8 Interpolation für Grafik
(Spline,
B-Spline, Bezier) ...........205
9.8.1 Parametrische
Splines
..............................205
9.8.2 Bezjer-Splines.....................................206
9.8.3 B-Splines.........................................207
9.9 Lösung einfacher Differenzialgleichungen....................213
9.9.1 Einfache Einschrittverfahren........................215
9.9.2 Runge-Kutta-Verfahren............................216
9.9.3 Mehrschrittverfahren ..............................217
9.9.4 Extrapolation.....................................218
9.9.5 Schrittweitensteuerung.............................218
Teil
IV
Weitere Konzepte objektorientierter Programmierung
10 Vererbung.................................................223
10.1 Vererbung = Subtyp?....................................223
10.2
Sub-
und
Superklassen
in JAVA...........................226
10.2.1 „Mutierte Vererbung und dynamische Bindung.......227
10.2.2 Was bist du? .....................................229
10.2.3 Ende der Vererbung:
Object
und final..............230
10.2.4 Mit super zur Superklasse..........................232
10.2.5 Casting: Zurück zur
Sub-
oder Superklasse ...........233
10.3 Abstrakte Klassen.......................................234
11 Interfaces.......................... ........................237
11.1 Mehrfachvererbung und Interfaces.........................237
11.2 Anwendung: Suchen und Sortieren richtig gelöst.............241
11.2.1 Das Interface Sortable............................242
11.2.2 Die JAVA-Interfaces
Comparable
und
Comparator
.....244
11.3 Anwendung: Methoden höherer Ordnung...................244
Inhaltsverzeichnis
XV
11.3.1 Fun als Interface ..................................245
11.3.2 Interpolation als Implementierung von Fun ...........246
11.3.3 Ein bisschen Eleganz: Methoden als Resultate.........247
Generizität (Polymorphie).................................251
12.1 Des einen Vergangenheit ist des anderen Zukunft............251
12.2 Die Idee der Polymorphie (Generizität).....................252
12.3
Generische
Klassen und Interfaces in JAVA.................252
12.3.1 Beschränkte Typparameter.........................255
12.3.2 Vererbung und Generizität .........................256
12.4
Generische
Methoden in JAVA............................259
Und dann war da noch....................................261
13.1 Einer für alle:
static
....................................261
13.1.1 Statischer Import .................................264
13.1.2 Initialisierung.....................................264
13.2 Innere und lokale Klassen.................................265
13.3 Anonyme Klassen .......................................267
13.4 Enumerationstypen in JAVA 5............................268
Namen,
Scopes
und
Packages
..............................269
14.1 Das Prinzip der (Un-)Sichtbarkeit.........................269
14.2 Gültigkeitsbereich
(Scope)
................................270
14.2.1 Klassen als Gültigkeitsbereich.......................271
14.2.2 Methoden als Gültigkeitsbereich.....................272
14.2.3 Blöcke als Gültigkeitsbereich........................272
14.2.4 Verschattung
(holes in the scope)....................
273
14.2.5 Überlagerung.....................................274
14.3
Packages: Scopes
„im Großen .............................274
14.3.1 Volle Klasseimamen ...............................276
14.3.2 Import...........................................276
14.4 Geheimniskrämerei......................................277
14.4.1 Geschlossene Gesellschaft:
Package
..................277
14.4.2 Herstellen von Öffentlichkeit:
public
................277
14.4.3 Maximale Verschlossenheit: private.................278
14.4.4 Vertrauen zu Subklassen:
protected
.................279
14.4.5 Zusammenfassung.................................279
Teil
V
Datenstrukturen
15 Hashtabellen ..............................................283
15.1 Von
Arrays
zu Hashtabellen ..............................283
XVI Inhaltsverzeichnis
15.2 Zum Design von Hashfunktionen..........................285
15.2.1 Hashfunktionen...................................286
15.2.2 Kollisionsaunösung................................287
15.2.3 Aufwand..........................................289
15.3
Hashing in
JAVA........................................291
15.3.1 Die Klassen Hashtable, HashMap und HashSet........291
15.3.2 Die Methode hashCode der Klasse
Object
............292
15.4 Weitere Anwendungen on Hashverfahren..................293
16 Referenzen................................................295
16.1 Nichts währt ewig: Lebensdauern..........................295
16.2 Referenzen: ,Jch weiß, wo
mans
findet .....................297
16.3 Referenzen in JAVA .....................................298
16.3.1 Zur Funktionsweise von Referenzen..................298
16.3.2 Referenzen und Methodenaufrufe....................301
16.3.3 Wer bin ich?:
this
................................303
16.4 Gleichheit und Kopien...................................303
16.5 Die Wahrheit über
Arrays
................................305
16.6 Abfallbeseitigung
(Garbage collection)......................
306
17 Listen .....................................................309
17.1 Listen als verkettete Objekte..............................309
17.1.1 Listenzellen.......................................310
17.1.2 Elementares Arbeiten mit Listen....................312
17.1.3
Traversieren
λόιι
Listen ............................313
17.1.4
Generische
Listen .................................315
17.1.5 Zirkuläre Listen...................................316
17.1.6 Doppelt verkettete Listen ..........................317
17.1.7 Eine methodische Schwäche und ihre Gefahren........318
17.2 Listen als Abstrakter Datentyp (LinkedList)...............319
17.3 Listenartige Strukturen in JAVA ..........................322
17.3.1
Collection
......................................324
17.3.2 List.............................................325
17.3.3 Set..............................................326
17.3.4 LinkedList. ArrayList und
Vector
.................326
17.3.5 Stack............................................327
17.3.6 Queue („Warteschlange ) ...........................328
17.3.7
Priority
Queues: Vordrängeln ist erlaubt .............329
17.4 Einer nach dem andern: Iteratoren......................·. . . 329
17.4.1 Implementierung..................................331
17.4.2 Neue
f
or-Schleife in
java
5 und das Interface Iterable 332
Inhaltsverzeichnis XVII
18 Bäume ....................................................333
18.1 Bäume: Grundbegriffe....................................333
18.2 Implementierung durch Verkettung........................335
18.2.1 Binärbäume......................................335
18.2.2 Allgemeine Bäume.................................337
18.2.3 Binärbäume als Abstrakter Datentyp................338
18.3
Traversieren
von Bäumen: Baum-Iteratoren.................340
18.4 Suchbäume (geordnete Bäume)............................344
18.4.1 Suchbäume als Abstrakter Datentyp: SearchTree......346
18.4.2 Implementierung von Suchbäumen . . . ................348
18.5 Balancierte Suchbäume...................................353
18.5.1 2-3-Bäume und 2-3-4-Bäume........................354
18.5.2 Rot-Schwarz-Bäume...............................356
18.6 Baumdarstellung von Sprachen (Syntaxbäume)..............363
19 Graphen...................................................369
19.1 Beispiele für Graphen....................................369
19.2 Grundbegriffe...........................................371
19.3 Eine abstrakte Sicht auf Graphen..........................372
19.4 Adjazenzlisten und Adjazenzmatrizen......................376
19.5 Traversierung von Graphen...............................379
19.5.1 Entwurfsmuster für Graphtraversierung..............379
19.5.2 Tiefen- und Breitensuche...........................382
19.5.3 Eine genuin objektorientierte Sicht von
Graphtraversierung................................383
19.6 Anwendungen der Graphtraversierung......................385
19.6.1 Erreichbarkeit (von einem Knoten aus)...............385
19.6.2 Variation: Aufspannender Baum.....................386
19.6.3 Variation: Kürzeste Wege (von einem Knoten aus).....387
19.6.4 Transitive Hülle...................................392
19.7 Relationen-Probleme als Graphprobleme ...................395
19.7.1 Topologisches Sortieren............................395
19.7.2 Strenge Zusammenhangskomponenten................398
19.8 Weitere Graphalgorithmen................................402
Teil
VI
Programmierung von Software-Systemen
20 Keine Regel ohne Ausnahmen:
Exceptions
.................407
20.1 Manchmal gehts eben schief...............................407
20.2
Exceptions
.............................................409
20.3 Man versuchte halt mal:
try
und catch....................411
20.4
Exceptions
verkünden:
throw
.............................413
20.5 Methoden mit
Exceptions: throws.........................
414
Ein- und Ausgabe.........................................417
21.1 Ohne Verwaltung geht gar nichts..........................418
21.1.1 Pfade und Dateinamen in Windows und Unix.........419
21.1.2 File: Die Klasse zur Dateiverwaltung................420
21.1.3 Programmieren der Dateiverwaltung.................422
21.2 Was man Lesen und Schreiben kann.......................423
21.3 Dateien mit Direktzugriff („Externe
Arrays )
................426
21.4 Sequenzielle Dateien („Externe Listen , Ströme).............428
21.4.1 Die abstrakte Superklasse InputStream..............429
21.4.2 Die konkreten Klassen für Eingabeströme ............429
21.4.3 Ausgabeströme....................................431
21.4.4 Das Ganze nochmals mit Unicode: Reader und
Writer.
. 432
21.5 Programmieren mit Dateien und Strömen ..................433
21.6 Terminal-Ein-ZAusgabe..................................435
21.7 ... und noch ganz viel Spezielles...........................438
21.7.1 Serialisierung.....................................438
21.7.2 Interne Kommunikation über
Pipes
..................439
21.7.3 Konkatenation von Strömen: SequencelnputStream . . . 440
21.7.4 Simulierte Eiib/Ausgabe...........................440
Konkurrenz belebt das Geschäft:
Threads
.................441
22.1
Threads:
Leichtgewichtige Prozesse........................441
22.2 Die Klasse
Thread
.......................................445
22.2.1 Entstehen - Arbeiten - Sterben.....................446
22.2.2 Schlafe nur ein Weilchen ...
(sleep)
.................447
22.2.3 Jetzt ist mal ein anderer dran ...
(yield)
.............448
22.2.4 Ich warte auf dein Ende ...
(join)
...................448
22.2.5 Unterbrich mich nicht!
(interrupt)
.................450
22.2.6 Ich bin wichtiger als du! (Prioritäten)................451
22.3 Synchronisation und Kommunikation ......................452
22.3.1 Vorsicht, es klemmt!...............................454
22.3.2 Warten Sie, bis Sie aufgerufen werden!
(wait, notify) .
455
22.4 Das Interface Runnable..................................458
22.5 Ist das genug? ..........................................459
22.5.1 Gemeinsam sind wir stark (Thread-Gruppen).........459
22.5.2 Dämonen sterben heimlich..........................460
22.5.3 Zu langsam für die reale Zeit?.......................460
22.5.4 Vorsicht, veraltet! .................................461
22.5.5 Neues in Java 5...................................461
Das ist alles so schön bunt hier: Grafik in JAVA...........463
23.1 Historische Vorbemerkung................................463
23.1.1 Awt und Swing (und andere) .......................464
23.1.2 Entwicklungsumgebungen..........................465
23.2 Grundlegende Konzepte von GUIs.........................466
24
GUI: Layout
...............................................469
24.1
Die
Superklassen:
Component
und JComponent..............471
24.2 Elementare GUI-Elemente................................472
24.2.1 Beschriftungen: Label/JLabel......................473
24.2.2 Zum Anklicken:
Button/JButton
....................473
24.2.3 Editierbarer
Text: TextField/JTextField
...........475
24.3 Behälter:
Container
.....................................478
24.3.1 Das Hauptfenster:
Frame/JFrame
....................479
24.3.2 Lokale
Container: Panel /JPanel
....................483
24.3.3
GUIs
entwerfen ...................................483
24.3.4
Layout-Manager
...................................484
24.3.5 Verwendung des statischen
Imports
von
Java
5........490
24.3.6 Mehr über Farben:
Color ..........................
491
24.3.7 Fenster-Geometrie: Point und Dimension............492
24.3.8 Größenbestimmung von Fenstern....................493
24.4 Selbst Zeichnen .........................................495
24.4.1 Die Methode
paint
................................497
24.4.2 Die Methode paintComponent......................498
24.4.3 Wenn man nur zeichnen will........................498
24.4.4 Zeichnen mit Graphics und Graphics2D.............499
25 Hallo Programm! - Hallo GUI!............................501
25.1 Auf GUIs ein- und ausgeben..............................501
25.2 Von Ereignissen getrieben................................502
25.3 Immerzu lauschen.......................................504
25.3.1 Beispiel: Eingabe im Displayfeld.....................504
25.3.2 Arbeiten mit Buttons..............................506
25.3.3 Listener-Arten....................................508
26 Beispiel: Taschenrechner...................................511
26.1 Taschenrechner: Die globale Struktur ......................512
26.2 Taschenrechner: Model...................................513
26.3 Taschenrechner: View....................................516
26.4 Taschenrechner:
Control
..................................523
26.5 Fazit...................................................526
Teil
VII
Ausblick
27 Es gäbe noch viel zu tun..................................529
27.1 Java und Netzwerke: Von
Sockets
bis Jini...................529
27.1.1 Die OSI-Hierarchie................................530
27.1.2
Sockets
..........................................533
27.1.3 Wenn die Methoden weit weg sind: RMI..............533
27.1.4 Wie komme ich ins Netz? (Jini).....................535
XX
Inhaltsverzeichnis
27.2 Java und das Web.......................................535
27.2.1 Applets..........................................535
27.2.2 Servlets {Server Applets)...........................539
27.2.3 JSP: JavaServer Pages.............................540
27.2.4 Java und XML....................................540
27.2.5 Java und Email...................................541
27.3 Sicher ist sicher:
Java-Security
............................541
27.3.1 Sandbox und
Security
Manager.....................542
27.3.2 Verschlüsselung und Signaturen.....................543
27.4
Reflection
und
Introspection
..............................543
27.5 Java-Komponenten-Technologie:
Beans
.....................544
27.6 Java und Datenbanken: JDBC............................547
27.7 Direktzugang zum Rechner: Von JNI bis Realzeit............547
27.7.1 Die Java Virtual Machine (JVM)....................547
27.7.2 Das
Java Native
Interface (JNI).....................548
27.7.3 Externe Prozesse starten...........................549
27.7.4 Java und Realzeit.................................549
A
Anhang: Praktische Hinweise..............................551
A.l Java beschaffen .........................................551
A.2 Java installieren.........................................552
A.3 Java-Programme übersetzen (javac).......................553
A.3.1 Verwendung von zusätzlichen Directorys..............554
A.3.2 Verwendung des Classpath .........................555
A.3.3 Konflikte zwischen Ja.va 1.4 und Java 5/Java. 6........55G
A.4 Java-Programme ausführen
(java
und javaw)...............556
A.5 Directorys. Classpath und
Packages
........................558
Α.
6 Java-Archive verwenden
(jar).............................
559
Α.
7 Dokumentation generieren mit javadoc....................561
A.8 Weitere Werkzeuge......................................563
A.9 Die Klassen Terminal und
Pad
dieses Buches...............563
A.10 Materialien zu diesem Buch...............................564
Literaturverzeichnis ...........................................565
Sachverzeichnis................................................569
Hinweis: Eine Errata-Liste und weitere Hinweise zu diesem Buch sind über die
Web-Adresse http : //www. uebb. es . tu-berlin. de/books/
j
ava
zu erreichen.
Näheres findet sich im Anhang.
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