Programmierung und Programmiersprachen - IfI: Startseitegraebe/vorlesungen/pps/Leopold/Folien.pdf · Objektorientiert mit Java, Springer-Verlag, 2000, Kapitel 3,7,8. Bernd Oesterreich:

Übungsbeginn: 17.4. (B-Woche) bzw. 23.4. (A-Woche)Erstes Übungsblatt: 11.4. im Netz (Lernserver)Abgabe der Lösungen jeweils 2 Wochen nach Ausgabe,5 Minuten vor der Vorlesung

Ausnahme: erste Abgabe erst am 2.5.

Übungsschein: mindestens 60% der erreichbarenPunkte

Prüfungsklausur

im Juli, Termin wird noch bekannt gegebenZulassungsbedingungen:

(1) Übungsschein ´Digitale Informationsverarbeitung´ und(2) Übungsschein ´Programmierung und Programmiersprachen´

Organisatorisches

Programmierung und Programmiersprachen

Dr. Claudia LeopoldInstitut für Informatik

Abt. Parallelverarbeitung undKomplexe Systeme

Webseite zur Vorlesung (über Lernserver erreichbar):http://www.informatik.uni-leipzig.de/~leopold/grundPS.html

[email protected]äude, Zi. 2-40

Inhalt (Plan)

1. Objektorientierte Programmierung und Modellierung

-> Hauptteil

2. Parallele und verteilte Programmierung

3. Skriptsprachen

4. Maschinennahe Programmierung

einschl. Aspekte der Implementierung höhererProgrammiersprachen

5. Zusammenfassender Überblick zu Programmier-sprachen

Fortsetzung des in der Vorlesung ´Digitale Informationsverarbeitung´begonnenen Überblicks zu Programmiersprachen

ÜbungenMo (A/B)

Mo (A/B)

Mo (A/B)

Di (A/B)

Mi (A/B)

Fr (A/B)

Fr (A/B)

11.15 - 12.45

13.15 - 14.45

15.15 - 16.45

9.15 - 10.45

7.30 - 9.00

7.30 - 9.00

7.30 - 9.00

SR 3-11

SR 3-11

SR 3-11

SR 3-05

HS 8

SR 3-11

SR 3-01

Herr Dr. Richter

Herr Dr. Richter

Herr Dr. Richter

Herr Dr. Richter

Herr Wittig

Herr Wittig

Herr Dr. Gräbe

Verbindliche Anmeldung durch Eintragen in die Liste.

Adressen der Übungsleiter:[email protected] bzw. wittig@...

1. Objektorientierte

Programmierung und

Modellierung

LiteraturWolfgang Küchlin, Andreas Weber: Einführung in die Informatik:Objektorientiert mit Java, Springer-Verlag, 2000, Kapitel 3,7,8.

Bernd Oesterreich: Objektorientierte Softwareentwicklung:Analyse und Design mit der Unified Modeling Language,4. Auflage, Oldenbourg Verlag, 1999.

Bert W. Sebesta: Concepts of Programming Languages, 4. Auflage,Addison-Wesley, 1999.

Java-Lehrbuch, zum Beispiel:

Guido Krüger: Go to Java 2, 2. Auflage, Addison-Wesley, 1999.

Stefan Middendorf, Reiner Singer: Java: Programmierhandbuchund Referenz, 2. Auflage, dpunkt-Verlag, 1999.

James Gosling et al.: The Java Language Specification, 2. Auflage,Sun Press, 2000, online verfügbar.

Weitere Literatur wird im Laufe der Vorlesung genannt.

Programmierung und Modellierung

Objektorientierung wurde besonders für die Entwicklungkomplexer Softwaresysteme konzipiert

-> Modellierung und Programmierung bilden Einheit

Programmierung Softwareentwicklung

Planmäßiges, systematischesVorgehenArbeitsteilige EntwicklungUmfangreiche ProgrammeAnalyse/Design vor eigentlicherImplementierung

Vorteile OO (vs. imperativ, funktional, logisch):Beschreibung komplexer, dynamischer Systeme

Erweiterte Möglichkeiten zur Strukturierung von Programmen

Gliederung

1.1. Grundlegende Konzepte der Objektorientierung

1.2. Objektorientierte Modellierung (UML)

1.3. Einführung in Java

1.4. Objektorientierte Programmierung in Java

1.5. Weitere Aspekte der Java-Programmierung

Ausnahmen

Generisches Programmieren

Objektorientierung

OO modelliert die reale Welt als System inter-agierender Objekte

Objekt = gedankliche oder reale Einheit in derUmwelt und/oder in Software

Grundlegende Konzepte:

Datenkapselung

Nachrichtenaustausch

Bilden von Klassen

Vererbung

Polymorphie

Dynamisches Binden

1.1. Grundlegende Konzepte der

Objektorientierung

Beispiel: Objekt

rectangle1

Attribute: x

y

width

height

Methoden: draw()

delete()

move()

10

20

120

75

Modifikatoren: private, public

Datenkapselung

Objekt umfaßt

Attribute (Zustandsvariablen, Felder, Daten) und

Methoden (Operationen, Funktionen)

Abstrakter DatentypZusammenfassung von Daten und Operationen über diesenDaten

Implementierung der Datenstrukturen und Operationen istaußerhalb des Objektes nicht sichtbar

Zugriff auf Daten nur über Operationen (get, set und andere)

Konzept existiert auch in nicht-objektorientierten Sprachen(z.B. Modula-2)


Objekte

Nachrichten

Vorteile der Datenkapselung

Klar definierte Schnittstellen unterstützen arbeits-teilige Programmentwicklung (Programmieren imGroßen)

Implementierungsdetails nur innerhalb desObjektes sichtbar -> Implementierung kann ohneAnpassung der übrigen Programmteile geändertwerden (bei gleicher Signatur)

Erleichtert Debugging, da Fehler besser lokalisierbar

Klasse= Zusammenfassung gleichartiger Objekte

gleiche Attribute, aber unterschiedliche Attributwerte

gleiche Methoden

Klasse umfaßt

Attribute, aber keine Attributwerte (Ausnahme: Klassenvariablen)

Methoden

Objekte

Osterei Klasse

Nachrichten

Aufbau einer Nachricht

Empfänger Methodenname Argumente

Beispiele: rect.move(20,0), rect.delete()

Senden einer Nachricht bewirkt Aufruf der entsprechendenMethode des Zielobjektes

Nachrichtenaustausch dient

Übermittlung von Informationen

Inanspruchnahme von Diensten (Client/Server)

Instanzierung

Vorgehen bei objektorientierter Programmierung:

1. Definition einer Klasseeinschließlich Implementierung der Methoden

2. Instanzierung

= Ábleiten´ von Objekten aus der Klasse

Attribute werden angelegt und initialisiert (zumBeispiel mit default-Werten)

Methoden (einschließlich Implementierung)werden ausKlassendefinition übernommen

Objekte heißen Exemplar oder Instanz der Klasse

Klasse beschreibt Typ des Objekts.

Beispiel: Klasseclass Rectangle{

private int x, y, width, height;

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

}

public void draw() {...}

public void delete() {...}

}

Beispiel: Vererbung

blaues Rechteck

Attribute: x

y

width

height

Methoden: draw()

delete()

move()

ink

refill()

10

20

120

75

blue

VererbungBei der Definition von Klassen kann man bereitsdefinierte Klassen als Basis verwenden.

Vorteile: Wiederverwendung von Programmcode,hierarchische Strukturierung von Programmen,Erweiterbarkeit

Beispiel: class coloredRectangle extends Rectangle{

ink: Color;

public void refill(newInk:Color) {ink = newInk;

}}

Oberklasse (Superklasse, Basisklasse): RectangleUnterklasse (Subklasse, abgeleitete Klasse): coloredRectangle

Überladen von Methoden

= Definition von Methoden mit gleichem Namen,aber unterschiedlicher Signatur

Beispiel:

public void scale(factor: float) {x = x * factor; y = y * factor;

}

public void scale(factorX: float, factorY: float) {x = x * factorX; y = y * factorY;

}

Aufruf bewirkt Ausführung der Methode mit denpassenden Parametern

scale(1.3) vs. scale(1.2, 3.7)

Überschreiben von Methoden

In der Oberklasse bereits implementierte Methoden könnenin der Unterklasse mit einer neuen Implementierungüberschrieben werden (engl.: override).

Beide Methoden haben dann den gleichen Namen und diegleiche Signatur.

Beispiel:Reimplementierung der Methode draw in coloredRectangle

Aufruf der Methode bewirkt:Für Objekte der Oberklasse wird die Methode der Oberklasseausgeführt.Für Objekte der Unterklasse wird die Methode der Unterklasseausgeführt.

Dynamische Polymorphie

Variable kann für Objekte verschiedener Klassenstehen, sofern eine - eventuell mehrstufige -Vererbungsbeziehung besteht .

Beispiel:

rect: Rectangle;

rect := new Rectangle();rect.draw(); - Aufruf der Methode aus Klasse Rectangle

rect := new coloredRectangle();rect.draw(); - Aufruf der Methode aus Klasse coloredRectangle

Polymorphie (Vielgestaltigkeit)

= Methode (gegeben durch Name) kann sich an Kontextanpassen

Unterscheiden:

statische Polymorphie (Überladen)

auch in nicht-objektorientierten Sprachen, z.B. ´/´ für intund float

dynamische Polymorphie (Überschreiben)

Verhalten der Methode sollte nur angepaßt, aber nichtgrundsätzlich geändert werden (Gefahr von Programmier-fehlern)

Arbeiten mit Objekten

Allgemeine Operationen für Objekte:Erzeugen

Vergleich

Zuweisung

evtl. Löschen (z.B. in C++)

Erzeugenvon Objekten:

durch Konstruktor = spezielle Methode der jeweiligenKlasse

eventuell überladen

in Java existiert impliziter Konstruktor

Dynamische Bindung

= Verknüpfung zwischen Methodenaufruf undauszuführendem Programmcode erfolgt erst zur Laufzeit

Statische Bindung = Verknüpfung erfolgt zurÜbersetzungszeit, durch den Compiler

Vorteil statische Bindung: Geschwindigkeit (schnellereProgrammausführung)

Vorteil dynamische Bindung: Keine Fallunterscheidungnötig ->

bessere Lesbarkeit

Programm leichter zu modifizieren

Art der Bindung ist durch Programmiersprache festgelegt,evtl. mit Einflußmöglichkeit durch Programmierer

Objektidentität vs. Objektgleichheit

rect1: Rectangle := new Rectangle();rect2: Rectangle := new Rectangle();

rect1 := rect2;

o Rectanglerect1

o Rectanglerect12

o Rectanglerect1

o Rectanglerect12

Objektgleichheit(gleiche Initialisierungoder kopieren der Attr.)

Objektidentität(zuweisen)

Zuweisung von Objekten

An Variablen mit Typ der Oberklasse können Objekte derUnterklasse zugewiesen werden, aber nicht umgekehrt

Beispiel:

rect: Rectangle := new Rectangle();cRect: coloredRectangle := new coloredRectangle();

rect := cRect; - zulässigcRect := rect; - verboten

Unterscheiden: deklarierter Typ - tatsächlicher Typeiner Variablen

Vorteile OO

Strukturierung der Programme sehr gut unterstützt

Wiederverwendung, Erweiterbarkeit

siehe auch: abstrakter Datentyp, dynamische Bindung,abstrakte Klasse

Nachteile OO

Hoher Einarbeitungsaufwand (OO-Denkweise,Klassenbibliotheken)

Wegen dynamischer Speicherverwaltung ofthöherer Speicherbedarf und längere Laufzeit

Abstrakte KlassenEnthalten deklarierte, aber noch nicht implementierteMethoden

Instanzierung nicht möglich

Deklarierte Methoden müssen in jeder Unterklassevorhanden sein, werden aber unterschiedlichimplementiert

Vorteile: einheitliche Schnittstelle, Client kann unabhängigvon Server programmiert werden

Rechteck

Beispiel:Geometrische Figur

berechneFläche

Kreis Dreieck

Vom Problem zum Programm

AnalyseEinarbeitung in Anwendungsgebiet

Beschreiben von Anwendungsfällen

Erstellen eines objektorientierten Modells der realen Welt

Spezifikation der Funktionalität des künftigen Softwaresystems

Annahme einer perfekten Technik

EntwurfÜbertragung des Modells der realen Welt in die Welt der Software

Berücksichtigung der vorhandenen Technik und Programmier-sprache

Algorithmische Beschreibung der Funktionalität

ImplementierungSoftware-Architektur wird zum realen Programm

PPS 1.2-2

1.2. Objektorientierte Modellierung

PPS 1.2-1

Geschichte der UML

Ca. 1989-1994 Forschungsarbeiten zu objektorientiertenModellierungsansätzen

Darauf aufbauend ab 1994/95 Entwicklung der UMLdurch Grady Booch, Jim Rumbaughund Ivar Jacobson(Firma: Rational Software)

Seit 1995 Unterstützung durch Object ManagementGroup (OMG) - Entwicklung eines Standards

1996: Version 0.9 Aktuell: Version 1.3

1997: Version 1.0 In Arbeit: Version 2.0

OMG umfaßt >800 Firmen

-> UML ist weit verbreitet

PPS 1.2-4

Unified Modeling Language (UML)Sprache und grafische Notation zur Spezifikation,Visualisierung, Konstruktion und Dokumentation von(Software)systemen

Durchgängige Unterstützung für Analyse und Designdurch aufeinander abgestimmte Modelltypen

Anwendungsfalldiagramm

Klassendiagramm

Kollaborationsdiagramm

Sequenzdiagramm

und andere

Geeignet für objektorientierte Softwareentwicklung

UML ist keine Programmiersprache!Aber ex. Werkzeuge, die automatische Codeerzeugung unterstützen

Vorgehensmodell ist nicht Bestandteil der UML PPS 1.2-3

ObjekteMitunter werden in Klassendiagrammen auch Objektedargestellt.

Zur Unterscheidung von Klassennamen werden Objektnamenunterstrichen.

Evtl. Angabe von zugehöriger Klasse und Attributwerten

Beispiele:

:Rechteck

rect: Rechteck

x = 0y = 0

rect

Rechteck rect<< instance of >>

PPS 1.2-6

Klassendiagramm

Beschreibt Klassen und ihre statischen Beziehungenuntereinander

Beziehungen zwischen Klassen stehen stellvertretend fürBeziehungen zwischen Objekten

Darstellung von Klassen kann unterschiedlich detaillierterfolgen (evtl. Angabe von Typ, Initialwert, Zusicherungen):

anzeigen()

verschieben()

löschen()

x: int = 0

breite: int {breite>0}

höhe: int {höhe<=breite}

anzeigen()

verschieben(dx:int, dy:int)

löschen()

Rechteck Rechteck

Rechteck

Rechteck

xy

width

Aggregation

auch: Teil-Ganzes-Beziehung, Hat-Beziehung

Eine Aggregation ist die Zusammensetzung einesObjektes aus einer Menge von Teilobjekten

ist Spezialfall der Assoziation

Unternehmen1besteht aus Mitarbeiter

1..*Abteilung

11..*besteht aus

besteht aus Mitarbeiter1..*

Abteilung1..* arbeitet für

PPS 1.2-8

Assoziationen

Assoziationen beschreiben allgemeine Beziehungenzwischen Objektenwerden auch Benutzt-Beziehungen genanntmöglich: ungerichtete, bidirektionale Beziehungen

Person Schrank1 0..*besitzt

Firma Person0..1 0..*beschäftigtarbeitgeber arbeitnehmer

Firma Person0..1 0..*beschäftigt

arbeitet bei

PPS 1.2-7

Methodenaufrufe bei Aggregationen

Typische Programmstruktur:

Methoden zur Zusammenarbeit mit anderen (´fremden´)Objekten werden vom Gesamtobjekt zur Verfügunggestellt

Der Aufruf einer solchen Methode bewirkt den Aufrufgeeigneter Methoden der Teilobjekte.

Dazu enthält die Implementierung der Methode desGesamtobjekts entsprechende Methodenaufrufe an dieTeilobjekte. (im Klassendiagramm nicht sichtbar)

PPS 1.2-10

Beispiel: Der Warenwert eines Einkaufskorbes berechnet sich alsSumme der Einzelpreise.

Komposition

Spezialfall der Aggregation, bei dem die Einzelteile vomAggregat existenzabhängig sind

Markierung durch ausgefüllte Raute

PPS 1.2-9

hatVorderseite

Zettel 1

Rückseite

hat1

1

1

Mehrgliedrige Assoziation

PPS 1.2-12

Zug

datumzugnummer

Platz

wagennrplatznr

Fahrgast

name

1 1..*

1..*

Reservierung

Assoziationen zwischen > 3 Klassen analog

Gleiche Klasse kann mehrfach an einer Assoziationbeteiligt sein

Rekursive Assoziation

PPS 1.2-11

Direkte Rekursion: Mitarbeitersachbearbeiter

manager

*

1

Indirekte Rekursion:

führt

namezimmernummer

Patient

Person

*

hat

familien-angehöriger

1

Attributierte Assoziation

Assoziation, der Eigenschaften zugeordnet sind

diese Eigenschaften charakterisieren weder die eine nochdie andere Klasse, sondern die Assoziation selbst

Modellierung durch Assoziationsklasse

PPS 1.2-14

Unternehmenname

anschrift

Mitarbeitername

anschrift

1..*1..*

Arbeitsverhältnis

von: Datumbis: Datum

Implementierung von Assoziationen

meist mittels Attributen in den beteiligten Klassen

häufig: Attributname = Rollenname in der Assoziation

gegebenenfalls Verwendung von Arrays oder anderenSammlungsklassen

PPS 1.2-13

Person Schrank1 0..*besitzteigentümer

class Person{

...Schrank[] einrichtung;...

}

class Schrank{

...Person eigentümer;...

}

einrichtung

Vererbung - Notation

PPS 1.2-16

Unterklasse5Unterklasse1

Oberklasse

Unterklasse3Unterklasse2 Unterklasse4

Diskriminator1 Diskriminator3

Diskriminator2

Diskriminator muss nicht angegeben werden

auch bei gleichem Diskriminator sind Einzelpfeilezulässig

Vererbung

auch: Ist-BeziehungUnterklasse ist Spezialisierung der Oberklasse

Objekte abgeleiteter Klassen sollen jederzeit anstelle vonObjekten ihrer Basisklasse eingesetzt werden können

Oberklasse ist Generalisierung der UnterklasseUnterscheidungsmerkmal zwischen Ober- und Unterklasse:DiskriminatorDiskriminator ist ´virtuelles Attribut´ (durch Zugehörigkeitzur einen oder anderen Unterklasse wird eine Eigenschaftdes Objekts beschrieben)Zuordnung der Attribute und Methoden zur Ober- oderUnterklasse sollte nach inhaltlichen Gesichtspunktenerfolgen (nicht: maximale Wiederverwendung)

PPS 1.2-15

Quadrat/Rechteck-Problem I

PPS 1.2-18

Nachteile:

Redundanz (b ist überflüssig)

Zusicherung verwendet Attributeder Oberklasse -> Einhaltungdurch Methoden der Oberklassenicht garantiert (Zusicherungdort nicht bekannt)

Rechtecka {a>0}b {b>0}

setKanten(na,nb)anzeigen()entfernen()

Quadrat

{a=b}

Vererbung - Beispiel

PPS 1.2-17

GeomFigur{abstrakt}

x,y: intsichtbar: bool

anzeigen() {abstrakt}entfernen() {abstrakt}verschiebeZu(nx,ny)


setKanten(a,b)anzeigen()entfernen()

Dreiecka {0<a<b+c}b {0<b<a+c}c {0<c<a+b}

setKanten(a,b,c)anzeigen()entfernen()

Figurenform

Kreisradius {radius > 0}

setRadius(r)anzeigen()entfernen()

Quadrat/Rechteck-Problem III

PPS 1.2-20

Beste Variante, hat trotzdem Nachteilder Redundanz

Günstig: Keine Unterscheidung zwischenRechtecken, die aufgrund ihrer Kantenlänge ´zufällig´Quadrate sind und´richtigen´ (entsprechend klassifizierten) Quadraten


setKanten(a,b)anzeigen()entfernen()

isQuadrat():bool

Quadrat/Rechteck-Problem II

PPS 1.2-19

Quadrata {a>0}

setA(na)anzeigen()entfernen()

Rechteck

b {b>0}setB(nb)

anzeigen()entfernen()

Nachteile:

ex. kein Diskriminator

Zuweisung q=r ist zulässig, aberinhaltlich nicht sinnvoll

-> fehleranfällig

->Ungeeignete Modellierung

Mehrfachvererbung

PPS 1.2-22

Klasse kann mehr als eine Oberklasse besitzen

Einfachvererbung - Klassenhierarchie,Mehrfachvererbung - azyklischer Graph

Fahrzeug

Wasser-fahrzeug

WindgetriebenesFahrzeug

Segelboot

name

Mehrfachvererbung ist problematisch

Klassenhierarchien

PPS 1.2-21

GeomFigur Strecke

2dimGeomFigur

3dimGeomFigur

Kreis

abstrakte Klasse

konkrete Klasse

Rechteck

Dreieck

Kugel

Quader

Vom Problem zum Modell

1) Grammatikalische Inspektion der Spezifikation

Substantive - Klassen, Objekte

Verben - Methoden

´hat ein´, ´besteht aus´ - Aggregationen

íst ein´ - Vererbungsbeziehungen

2) CRC-Karten

Class-Responsibilities-Collaborators =

Klasse - Verantwortlichkeiten - Beteiligte

3) Analyse von Anwendungsfällen

engl.: use case

PPS 1.2-24

Klassenattribute

Beschreiben Eigenschaft der Klasse

Alle Objekte der Klasse haben Zugriff auf dieses Attribut(lesen den gleichen Wert)

weiterhin ex. Klassenmethoden

PPS 1.2-23

HausanzHäuser

adresse

getAnzHäuser()getAdresse

Beschreibung eines Anwendungsfalls

Umfaßt (teils optional):

Akteure

Vor- und Nachbedingungen, Invarianten

Nicht-funktionale Anforderungen (z.B. Antwortzeit, Priorität)

Ablaufbeschreibung (wichtigster Teil, stets vorhanden)

Ausnahmen, Fehlersituationen

Variationen

Dienste (notwendige Klassen, Methoden - für späteres Design)

Verfasser, verwendete Materialien

Offene Fragen, Alternativen, Entwurfsentscheidungen

Verweise auf verwandte Diagramme

PPS 1.2-26

Anwendungsfall

beschreibt externes Systemverhalten in begrenzterArbeitssituation

beschreibt was das System leisten soll, aber nicht wie

Anwendungsfall umfaßt meist mehrere Varianten, die alsSzenarien bezeichnet werden

Anwendungsfall wird durch Akteur (häufig Nutzer inbestimmter Rolle) initiiert und führt zu außerhalb desSystems sichtbarem Ergebnis

Einsatz in Analysephase: Erfassen der Aufgabenstellungund Abstimmung mit dem Auftraggeber

PPS 1.2-25

Anwendungsfalldiagramm

Übersicht zu den verschiedenen Anwendungsfällen

beschreibt Beziehungen zwischen Akteuren undAnwendungsfällen

PPS 1.2-28

Buchausleihe

. .| (

. .| (

Nutzer

. .| (

Besucher

Bibliothekar

recherchieren

verlängern

ausleihen

registrieren

Anwendungsfall - Beispiel

Af2 Vertrag schließen und Kfz-Übergabe

Akteure:

Kunde, Kundenbetreuer

Auslöser:

Kunde möchte sein reserviertes Kfz abholen

Ablauf:

1. Reservierung identifizieren

2. Vertrag erstellen

3. Kfz übergeben

PPS 1.2-27

Zustandsdiagramm

zeigt für ein Objekt die Folge der möglichen Zuständeund Zustandsübergänge

Beschreibung durch endlichen Automat

PPS 1.2-30

Beispiel: Objekt = Ticket

Verfügbar Reserviert Verkauft

ausgeben

abgelaufen

reserv.

absagen

kaufen

zurückgeben

Benutzt.

Verhaltensdiagramme

beschreiben zeitabhängiges Verhalten des Systems

unterscheiden:

Zustandsdiagramm

Zustände und Zustandsübergänge des einzelnen Objekts

Aktivitätsdiagramm

Beschreibung von Abläufen in verschiedenem Kontext


Zusammenarbeit zwischen Objekten, Betonung Beziehungen

Sequenzdiagramm

Zusammenarbeit zwischen Objekten, Betonung Zeit

PPS 1.2-29


beschreibt Zusammenarbeit zwischen Objekten inbegrenzter Situation (z.B. Anwendungsfall)

beschreibt Nachrichtenaustausch einschließlichDatenaustausch (Argumente der Methoden)

im Gegensatz zum Sequenzdiagramm stehen dieBeziehungen zwischen den Objekten und nicht derzeitliche Verlauf im Vordergrund

für den Nachrichtenaustausch benötigt der Sender einenVerweis auf den Empfänger :

Assoziation vom Sender zum Empfänger

Verweis wird durch Nachrichtenaustausch übermittelt

Empfänger ist neu erzeugtes Objekt

Empfänger = SenderPPS 1.2-32

Aktivitätsdiagramm

PPS 1.2-31

zur Beschreibung von Abläufen in verschiedenem Kontext

beschreibt Ausführungsreihenfolge von Aktivitäten

parallel oder sequentiell

nächste Aktivität kann vom Ergebnis der vorherigenabhängen

Aktivitäten können Methoden oder komplexereOperationen sein

eventuell Zuordnung der Aktivitäten zur ausführendenKlasse

Kollaborationsdiagramm - Notation

Syntax der Nachrichtenbezeichnung:

[vorgängerBedingung /][sequenzausdruck] : [antwort :=]methodenname (parameterliste)

sequenzausdruck beschreibt Reihenfolge der NachrichtenNachrichten, die während der Bearbeitung der Nachricht Nummer xgesendet werden, erhalten Nummern x.1, x.2 usw.

vorgängerBedingung ist Aufzählung der Nachrichten, dievorher gesendet werden müssen (Bsp. 2.3, 3.1/ 4.2:)

´*´ bezeichnet wiederholtes Senden der gleichenNachricht

Paralleles Senden: 1.2.*||[i:=1..n]:

Bedingtes Senden: 1.2.* [i>5]:

PPS 1.2-34

PPS 1.2-33

Kollaborationsdiagramm - Beispiel

... :Reservierung

:Bestellung

:Bestell-position

1:reserviere(b)

1.1.*[i=1..*]: bpos:=gibBestellPos()

parameter b<< >>

1.1.1: artikel:=gibArtikel()

:Lager1.1.2: anzahl:=gibAnzahl()

1.1.3: bpos:=reserviere(artikel,anzahl)

local bpos<< >>

Sequenzdiagramm - Beispiel

PPS 1.2-36

:Reservierung b:Bestellung bpos:Bestell-position

:Lager

reserviere(b)* gibBestellPos()

bpos

* gibArtikel()

* gibAnzahl()

reserviere(artikel, anzahl)

artikel

anzahl

Sequenzdiagramm

stellt gleiche Information wie Kollaborationsdiagrammdar, aber mit Betonung des zeitlichen Ablaufs

PPS 1.2-35

objekt 1

objekt 2new()

delete()

nachricht()

antwort

objekt 1

Selbstdelegation

Zusammenfassung Modellierung

wird überwiegend in Analyse/Design-Phasen eingesetzt

objektorientierte Modellierung ist eine Form derModellierung

Modelle sind abstrakte Beschreibungen

der realen Welt

existierender Software

zu konstruierender Software

verschiedene Modelltypen beschreiben verschiedeneAspekte des Systems und ergänzen einander

Vorgehensmodell bestimmt, welche Modelltypen inwelcher Reihenfolge wie detailliert erstellt werden(nicht Bestandteil der UML)

PPS 1.2-38

Formen des Nachrichtenaustauschs

Synchronmit Rückantwort (auch: sequentiell, Normalfall in

objektorientierter Programmierung): Sender wartet, bisMethodenausführung beendet

Synchron ohne Rückantwort: Sender wartet, bisEmpfänger die Nachricht angenommen hat

Asynchron: Nachricht wird an Warteschlange desEmpfängers geschickt, Sender arbeitet sofort weiter

Eingeschränkt: Abbruch, falls der Empfänger dieNachricht nicht sofort annimmt

Zeitabhängig: Abbruch, falls der Empfänger die Nachrichtnicht innerhalb einer vorgegebenen Zeit annimmt

PPS 1.2-37

Objektorientierte Programmiersprachen

erste Ideen gehen zurück auf Simula 67(Datenabstraktion, Klassen)

erste und rein objektorientierte Sprache: Smalltalk 80

C++: Erweiterung von C um objektorientierte Konstrukte,erste Version 1984 (danach weiterentwickelt),umfangreiche Sprache, weit verbreitet

Eiffel (ca. 1990): integriert Zusicherungen, einfacher alsC++, relativ geringe praktische Bedeutung

CLOS (1988): integriert objektorientiertes undfunktionales Programmieren

Weitere Sprachen: Ada 95, Oberon, Modula-3, ...

PPS 1.3-2

1.3. Einführung in Java

PPS 1.3-1

Vorteile von Java

PortabilitätJava Virtual Machine JVM, Java Bytecodealle Datentypen in Java sind exakt festgelegt

Unterstützung für Code-Mobilität (Applets)

ObjektorientierungC-ähnliche Syntax (keine Zeiger, aber Verweise)

RobustheitGarbage Collection, AusnahmebehandlungEinschränkung automatischer Typkonvertierung

SicherheitskonzeptUnterstützung für Nebenläufigkeit (Threads)

Unterstützung für grafische OberflächenUmfangreiche Klassenbibliothek

PPS 1.3-4

Entwicklung von Java

1991-1992 Green-Projekt (James Gosling, PatrickNaughton), Ziel: Entwicklung von Hard-/Software fürKonsumelektronik -> Interpreter Oak

1992 Firmengründung zur Vermarktung des PrototypsStar Seven (*7) -> erfolglos

1994 Web Browser HotJava, verwendet Oak

1995 Umbenennung von Oak in Java, Integration inNetscape Navigator

1996 Java Development Kit 1.0, Gründung von JavaSoft

rasantes Wachstum des Interesses an Java

1998 JDK 1.2, neue Bezeichnung Java 2 Platform

2000 JDK 1.3 (Kestrel-Projekt), GeschwindigkeitsgewinnPPS 1.3-3

Beispiel: Hello World

Erstellen der Datei Hello.javapublic class Hello {

public static void main(String args[]) {System.out.println("Hello World!");

}}

Übersetzen des Quelltextesjavac Hello.java -> Hello.class

Ausführen des Programmsjava Hello

PPS 1.3-6

Das JVM-Konzept

PPS 1.3-5

Programm

Bytecode

Compiler (javac)

Interpreter (java)Just-In-Time Compiler

Rechner Rechner

Interpreter(JIT Compiler)

Lexikalische Elemente 2

PPS 1.3-8

Kommentare// Einzeiliger Kommentar bis Zeilenende

/* MehrzeiligeKommentare dürfen nicht geschachteltwerden */

/*** Dokumentationskommentare für javadoc* beschreiben Methoden etc. verbal und kennzeichnen* Parameter und Rückgabewerte.* <i> HTML </i> ist zulässig.* /

Weitere Unterschiede zu C:Kein Präprozessor -> kein #define, #include, #ifdef

Zeilen können nicht mit \ verkettet werden

Lexikalische Elemente 1

Unicode

Zeichen werden in 2 Byte kodiert

Kompatibel zu ASCII-Zeichensatz

char/String-Konstanten sowie Bezeichner im Programm dürfenUmlaute und Sonderzeichen enthalten

Bsp.: übertrag und \u00FCbertrag sind identisch

PPS 1.3-7

Bezeichner

sollten mit Buchstabe, dürfen auch mit ´_´ oder ´$´ beginnen

Schlüsselwörter sind nicht zulässig

Klassennamen groß, z.B. EineKlasse

Variablen-, Attribut- und Methodennamen klein, z.B. eineMethode

Konstantennamen vollständig groß, z.B. LIMIT

C- vs Java-Datentypen

PPS 1.3-10

in Java nicht vorhanden:

Zeiger

Aufzählungstypen (enum)

Verbundtypen (struct und union)

Bitfelder

Typdefinitionen

sizeof-Operator

unsigned, short int, long int

Neu in JavabooleanNaN = Not A Number (undefiniert, entsteht bei Division durch 0)

POSITIVE_INFINITY, NEGATIVE_INFINITY

Primitive Datentypen

PPS 1.3-9

Variablen haben stets einen definierten Wert:

Attribute werden mit 0 (bzw. 0.0 etc.) initialisiert

Lokale Variablen -> Datenflußanalyse durch Compiler

boolean

char

byte

short

int

long

float

double

1 bit

16 bits

8 bits

16 bits

32 bits

64 bits

32 bits

64 bits

true, false

Unicode-Zeichen

ganze Zahl m. Vorz.

- " -

- " -

- " -

Fließkommazahl

- " -

Zeichenketten

Zeichenketten sind Objekte der Klassenjava.lang.String - konstante Zeichenketten, oderjava.lang.StringBuffer - veränderliche Zeichenketten

PPS 1.3-12

Bsp.: String s1 = "Meine "; // oder: new String("Meine ");

StringBuffer s2 = new StringBuffer("Zeichenkette");

Verkettung und Automatische Konvertierung:for (int i=1; i<10; i++)

System.out.println(s1+i+"-te"+s2);

Methoden für String: length(), charAt(), equals(), etc.

Methoden für StringBuffer: length(), append(), insert(), etc.

ArraysArrays sind spezielle Objekte -> werden zur Laufzeit mit newerzeugtLänge wird beim Erzeugen (zur Laufzeit!) festgelegt und kanndanach nicht mehr verändert werdenZur Laufzeit geprüft: 0 <= indexausdruck < array.lengthAutomatische InitialisierungBilden von Unterklassen nicht möglichIndextyp ist int

PPS 1.3-11

int[] a;a = new int[100];

Bsp. 1:

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

Bsp. 2:

//Deklaration// Erzeugung

int[] a = {5,9,2,3};int[][] b= { {0}, {1,2}, {1,2,3} }

Bsp. 3:

Ausdrücke und Operatoren

Ähnlich C:

Arithmetische Operatoren

Vergleichsoperatoren (Ergebnistyp boolean, auch fürObjekte)

Logische Operatoren (für boolean)

&& bzw. || stehen für Kurzschlußauswertung

& bzw. | stehen für vollständige Auswertung

Bitoperatoren

Zuweisungsoperatoren (=, += etc., erzeugen Ergebnis)

Bedingter Ausdruck (a>0 ? b=a : b=-a)

Operatoren für Objekte: instanceof, new, Zugriff (.)

PPS 1.3-14

Typkonvertierung

PPS 1.3-13

Einschränkende Konvertierung erfordert explizites Casting:double x=3.0, y=2.0;int i = (int) (x/y);

Erweiternde Konvertierungen:

Erweiternde Konvertierung erfolgt automatisch bei:

Zuweisungen

arithmetischen Operationen

Methodenaufruf (aktuelle vs formale Parameter)

byte

char

short int long float double

Blöcke und Variablendeklarationen

PPS 1.3-16

Jede Variable hat einen (statischen) Typ

Lokale Variablen dürfen in Blöcken deklariert werden

Lokale Variablen dürfen sich nicht gegenseitigverdecken!

Das Verdecken von Instanz-/Klassenvariablen durchlokale Variablen und Parameter ist dagegen zulässig

Unterscheiden: Instanzvariablen (Attribute)Klassenvariablen (Klassenattribute)Lokale Variablen, Parameter

Konstanten werden durch das Schlüsselwort finalgekennzeichnet, z.B. final int LIMIT = 100;

Anweisungen

Ähnlich C:

Block

Variablendeklaration

Ausdruck (nur: ++, --, Zuweisung, Methodenaufruf,new)

if, switch (nur boolesche Bedingungen)

while, do-while (nur boolesche Bedingungen)

for

Variablendeklarationen, Komma-Operator zulässig

nur boolesche Bedingungen

break, continue (auch mit Label)

return (Compiler prüft Vorhandensein)

PPS 1.3-15

Definition von Klassen

[public] class Klassenname {

Attribut- und Methodendefinitionen

}

mit public: Filename = Klassenname.java

ohne public: Zugriff nur innerhalb des Files (Pakets)möglich

PPS 1.4-2

class Point {int x, y, color;void moveTo(int newX, int newY) {

x=newX; y=newY;}

}

Beispiel:

1.4. Objektorientierte

Programmierung in Java

PPS 1.4-1

Programmstruktur

Betrachten im weiteren Anwendungen (Applikationen);daneben existieren Applets

Ein (einfaches) Java-Quellprogramm umfaßt mehrerejava-Dateien, die jeweils in class-Dateien übersetztwerden (z.B. javac *.java)

In einer Datei (z.B. in Start.java) muß eine Methode mitder Signatur

public static void main(String[] args)

deklariert sein

Bei Aufruf von java Start wird diese Methode aktiviert

main kann dann Objekte anderer Klassen erzeugen unddurch Senden von Nachrichten in die Berechnungeinbeziehen

PPS 1.4-4

Erzeugen von Objekten

PPS 1.4-3

Objekterzeugung bewirkt:Allokierung von SpeicherplatzRückgabe eines VerweisesAufruf eines Konstruktors zur Initialisierung des Objekts

//Klassendeklaration siehe vorige FoliePoint punktA; //ObjektdeklarationpunktA = new Point(); //Objekterzeugung

Beispiel:

Erforderlich: 1) Klassendefinition2) Objektdeklaration (analog Variablendekl.)3) Objekterzeugung (new)

Parameterübergabe

Java verwendet call-by-value (Wertübergabe)Primitive Datentypen können nicht verändert werden

bei Objekten können nur Attribute verändert werden, nichtdas Objekt selbst

Lokale Zuweisungen können durch final verboten werden

PPS 1.4-6

void beispiel (int number, final int number2, Point punkt) {number = 7;// außerhalb der Methode nicht geändertnumber2 = 8; // Fehlermeldungpunkt.x = 3; // Änderung auch außerhalbpunkt = new Point(); // außerhalb keine Änderungpunkt.x = 5;// außerhalb keine Änderung

}

Instanzvariablen und -methoden

In Java können nur Methoden Programmcode enthalten;globale Funktionen (wie in C) gibt es nicht

Im Gegensatz zu Funktionen beziehen sichInstanzmethoden stets auf ein Objekt und damit aufaktuelle Attributwerte

PPS 1.4-5

Zugriff auf Instanzvariablen und -methoden erfolgtdurch Anwendung des Punkt-Operators auf das Objekt,z.B. punktA.color, punktA.moveTo(3,4)

Zur Unterscheidung von Klassenvariablen/-methodenwerden Attribute in Java häufig als Instanzvariablen undMethoden als Instanzmethoden bezeichnet

Konstruktoren

PPS 1.4-8

Konstruktoren haben den gleichen Namen wie die Klasse

Konstruktoren haben keinen Ergebnistyp

In einer Klasse können mehrere (überladene)Konstruktoren definiert sein

Falls ein Konstruktor einen anderen Konstruktor aufruft,so muß dieser Aufruf die erste Anweisung desKonstruktors sein

Ist für eine Klasse kein Konstruktor definiert, so wird einimpliziter Konstruktor verwendet

Arrays als Parameter

Bei formalen Parametern kann die Länge des Arrays offengelassen werden:

PPS 1.4-7

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

erg += a[i];return erg;

}

int [] myFeld;myFeld = new int[10];int sum = sum(myFeld);

Beispiel: Konstruktoren

class Point {

int x, y, color;

Point(int x, int y) {

this.x = x; this.y = y; color = 0;

}

Point(int x, int y, int color) {

this(x,y); this.color = color;

}

}

PPS 1.4-10

Das Schlüsselwort this

this ist einVerweis auf das aktuelle Objekt

Verwendung:

Aufruf einer Methode mit dem aktuellen Objekt alsParameter, z.B.

anderesObjekt.dessenMethode(this)

Zugriff auf überdeckte Variablen, z.B.

void moveTo(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; }

Zugriff auf andere Konstruktoren einer Klasse

this(x,y)PPS 1.4-9

Beispiel: Klassenvariablen

public Kunde {

static private int anzKunden = 0;

String name;

Kunde(String name) {

this.name = name;

anzKunden++;

}

static int gibAnzKunden() {

return anzKunden;

}

}

PPS 1.4-12

Klassenvariablen und -methoden

werden durch das Schlüsselwort static gekennzeichnet

Zugriff durch Klasse.variable bzw. Klasse.methode(..)

Gültigkeitsbereich Klassenvariablen = gesamtes Programm

Klassenvariablen werden nur einmal für die Klasse, nichtfür jedes einzelne Objekt angelegt

Anwendung Klassenvariablen: Definition von Konstanten

static final double PI = 3.14;

Klassenmethoden können nicht auf Instanzvariablen und-methoden ihrer Klasse zugreifen

Anwendung Klassenmethoden: Berechnungmathematischer Funktionen

PPS 1.4-11

Vererbung

nur Einfachvererbung möglich

Kennzeichnung durch Schlüsselwort extends

alle Klassen sind Nachfahren der Klasse java.lang.Object

Zugriff auf Oberklasse durch Schlüsselwort super

(Zugriff auf Konstruktoren und überschriebene Methoden)

PPS 1.4-14

public class BlinkingPoint extends Point {boolean blinkt;public void blinkenAus() {blinkt = false;}public BlinkingPoint(int x, int y) {

super(x,y);this.blinkt = false;

}}

Initialisierung von Klassenvariablen

Klassenvariablen werden bei der Deklaration oder durchstatische Konstruktoren initialisiert

In beiden Fällen erfolgt die Wertzuweisung beim Ladender Klasse

Initialisierungen werden in textueller Reihenfolgeausgeführt

PPS 1.4-13

class Beispiel {

static int i=3;

static int j;

static {

j=3*i;

}

Vererbung und ÜberladenÜberladene Methoden müssen sich in den Parametern(nicht nur im Ergebnistyp) voneinander unterscheiden

Die Auswahl der Methode erfolgt zur Übersetzungszeit

Falls eindeutig bestimmt, wird die Methode mit denpassenden Parametern (Anzahl, Typ) ausgewählt

Falls die Parameter verschiedener Methoden inVererbungsbeziehung zueinander stehen oderanderweitig eine Typkonvertierung möglich ist, wird dieMethode mit den speziellsten Parametern ausgewählt

PPS 1.4-16

// Son sei Unterklasse von FatherSon son = new Son();public void test (Father father) {...};public void test (Son son) {...};test(son); // bewirkt Aufruf der Son-Variante

Vererbung und Konstruktoren

1) Anlegen des Speicherbereiches, Initialisieren mit 02) Aufruf des passenden Konstruktors, dabei rekursiveAnwendung der folgenden Regeln:

a) Falls der Konstruktor mit einem Aufruf von super (oder this)beginnt, zunächst Aufruf des entsprechenden Konstruktorsb) Falls a) nicht zutrifft und die Oberklasse keinen explizitenKonstruktor enthält, Aufruf des Default-Konstruktors derOberklassec) Falls a), b) nicht zutrifft und die Oberklasse einenparameterlosen Konstruktor enthält, Aufruf diesesKonstruktorsd) Falls a), b), c) nicht zutrifft -> Fehlermeldung

3) Initialisierung der Attribute und lokalen Variablen desKonstruktors, falls Deklaration mit Zuweisung verbunden4) Ausführung der Anweisungen des Konstruktors

PPS 1.4-15

Beispiel 2 zum Überladen

public class Bsp {public static void main(String args[]) {

Son son = new Son();Aufrufer aufrufer = new Aufrufer();aufrufer.test(son);

}}

PPS 1.4-18

public class Aufrufer {public void test(Father father) {...}

// Bei nachträglichem Hinzufügen ohne Neuübersetzung von// Bsp.java nicht berücksichtigt:public void test(Son son) {...}

}

Beispiel 1 zum Überladen

public class Bsp {public static void main(String args[]) {

Son son = new Son(); // Son sei Unterklasse von FatherFather father = son;Aufrufer aufrufer = new Aufrufer();aufrufer.test(father);

}}

PPS 1.4-17

public class Aufrufer {public void test(Son son) {...} // Son-Variantepublic void test(Father father) {...} // Father-Variante

}

Auswahl der Methode zur Übersetzungszeit-> Auswahl nach statischem Typ-> Es wird die Father-Variante von test aufgerufen

Beispiele zum Überdecken

PPS 1.4-20

class Point {int x, y, color;...

}class RealPoint extends Point {

float x, y, color;int i = super.x;...

}

RealPoint rp = new RealPoint();Point p = rp;float f = rp.x;int i = p.x; // Auswahl laut statischem Typ

Bsp.1

Bsp.2

Überdecken von Variablen

Vererbung kann zum Überdecken von Instanzvariablenführen

PPS 1.4-19



float x, y, color;...

}

Überdeckte Variablen sind lebendig, aber nicht sichtbar

Zugriff durch super möglich

Auswahl erfolgt zur Übersetzungszeit (laut statischem Typ)

Überdecken von Variablen sollte vermieden werden

Beispiel 1 zur Typkonvertierung

Zugriff auf Methoden und Attribute, die nur in derUnterklasse definiert sind

PPS 1.4-22

class BlinkingPoint extends Point {boolean blinkt;public void blinkenAus() {...}

}...BlinkingPoint bp = new BlinkingPoint();Point p = bp;if (((BlinkingPoint) p).blinkt)

((BlinkingPoint) p).blinkenAus();

Typkonvertierung für Objekte

Änderung des für den Compiler relevanten Typs

PPS 1.4-21

RealPoint rp = new RealPoint();Point p = rp;RealPoint rp2 = p; // Fehlermeldung des CompilersRealPoint rp2 = (RealPoint) p;

Voraussetzung: neuer Typ = dynamischer Typ oderneuer Typ = Oberklasse des dynamischen Typs

Andernfalls wird zur Laufzeit eine Ausnahme ausgelöst

Dieser Fall sollte durch Verwendung von instanceofvermieden werden

if (p instanceof RealPoint)RealPoint rp2 = (RealPoint) p;

Überschreiben, Überladen und Überdecken

Überschreiben und Überladen beziehen sich auf Methoden;Überdecken bezieht sich auf Attribute

beim Überschreiben haben alle Parameter den gleichen Typ,beim Überladen gibt es Unterschiede

gleiche Parametertypen, aber unterschiedlicher Ergebnistyp-> Fehlermeldung durch Compiler

überschriebene Methoden werden dynamisch gebunden,überdeckte Attribute werden statisch gebunden

Konsequenz: bei Methoden ist kein Typcast nötig, falls neuerTyp = dynamischer Typ

Klassenmethoden werden nicht überschrieben, sondern neudefiniert

Klassen- und Instanzmethoden mit gleicher Signatur sindnicht zulässig

PPS 1.4-24

Beispiel 2 zur Typkonvertierung

Zugriff auf überdeckte Variablen

PPS 1.4-23



float x, y, color;...

}...RealPoint rp = new RealPoint();Point p = rp;int i = ((Point) rp).x;float f = ((RealPoint) p).x;

Wrapper-Klassen

Jedem primitiven Typ ist eine Wrapper-Klassezugeordnet: int - Integer, float - Float etc.

Nutzen:

Die Wrapperklassen sind Unterklassen von Object undstellen zusätzliche Methoden zur Verfügung

Viele Methoden (z.B. der Klasse Vector) verlangen alsParameter Objekte

Keine automatische Konvertierung

PPS 1.4-26

myVector.addElement(new Integer(7));

float f = 1.23f;String s = Float.toString(f)

Beispiel zum Überschreiben, -laden, -decken

class Point {

int x = 0, y = 0;

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

int color;

}

class RealPoint extends Point {

float x = 0.0f, y = 0.0f;

void move(int dx, int dy) { move((float) dx, (float) dy); }

void move(float dx, float dy) { x += dx; y += dy; }

}

PPS 1.4-25

Pakete

Kennzeichnung durch package paketname; als ersteAnweisung in allen Klassen des Pakets

Nutzen: Strukturierung des Programms:

Gruppieren von Quellfiles

getrennte Namensräume

Pakete können Klassen und/oder Unterpakete enthalten

Paketstruktur entspricht Verzeichnisstruktur

Paketname = Verzeichnisname

Bezeichnung für Unterpakete: grossesPaket.unterpaket

Klassen ohne package-Anweisung gehören alle zurgleichen (namenlosen) Klasse

Pakete können archiviert werden (jar)PPS 1.4-28

Das Schlüsselwort final

bei Instanzvariablen, Klassenvariablen, lokalen Variablen:

Definition von Konstanten

Sicherstellen einer nur einmaligen Wertzuweisung

bei Parametern: Verbot lokaler Zuweisungen

bei Klassen: Verbot der Bildung von Unterklassen

bei Methoden: Verbot des Überschreibens

Nutzen (bei Klassen und Methoden):

Vermeiden von Fehlern (versehentliches Überschreiben)

Effizientere Implementierung (da statische Bindungmöglich)

PPS 1.4-27

Datenkapselung

für Methoden und Attribute:

private, public, protected, default

PPS 1.4-30

für Klassen: public, defaultdefault - nur innerhalb des Pakets sichtbarpublic - überall sichtbarKlasse nicht sichtbar -> Attribute/Methoden nichtsichtbar (unabhängig von deren Modifikator)

default

private

protected

public

Klasse

X

X

X

X

Unterklasse

(gl. Paket)

X

X

Paket

X

X

X

Welt

X

Import-Anweisung

Import aller Klassen eines Paketes durchimport paketname.*

(als erste Anweisung hinter package, sofern vorhanden)Import einer bestimmten Klasse durch

import paketname.KlassennameImport eines Paketes impliziert nicht den Import derUnterpaketeauch ohne Import-Anweisung kann über

paketname.Klassenname.methode()auf fremde Klassen zugegriffen werdenImport kann Datenkapselung nicht aufhebenjava.lang.* wird automatisch importiert

PPS 1.4-29

Datenkapselung - public

package paketA;

public class One {

public int a;

}

public class Two extends One {

...

}

public class Three {

...

}PPS 1.4-32

package paketB;

import paketA.One;

public class Four extends One {

... = a ...

}

public class Five {

... = one.a ...

}

Datenkapselung - private

Als private gekennzeichnete Attribute / Methodensind für Objekte anderer Klassen nicht sichtbar

Trotzdem können die verschiedenen Objekte dergleichen Klasse gegenseitig auf ihre privatenAttribute/ Methoden zugreifen

Als private gekennzeichnete Attribute / Methodenwerden nicht vererbt

Falls in der Unterklasse Attribute/Methoden mitgleichem Namen definiert werden, so handelt essich um eine Neudefinition (kein Überschreiben,Überladen, Überdecken)

PPS 1.4-31

Datenkapselung - default

PPS 1.4-34

package paketA;

public class One {

public int a;

}


...

}


...

}

package paketB;

import paketA.One;


... = a ...

}

public class Five {

... = one.a ...

}

Datenkapselung - protected

PPS 1.4-33

package paketA;

public class One {

public int a;

}


...

}


...

}

package paketB;

import paketA.One;


... = a ...

}

public class Five {

... = one.a ...

}

Abstrakte KlassenKlassen müssen als abstract gekennzeichnet werden,wenn sie mindestens eine abstrakte Methode definierenoder erben

Abstrakte Methoden beschreiben Schnittstellen (Signatur)

Abstrakte Methoden müssen in Unterklassenüberschrieben (implementiert) werden, erst dann istInstanzierung möglich

Konsequenz: abstract kann nicht mit final, static, privatekombiniert werden

PPS 1.4-36

abstract class Fahrzeug() {

...

abstract void starte();

}

class Fahrrad extends Fahrzeug {void starte() {

steigeAuf();}

}

Datenkapselung und Vererbung

Beim Überschreiben ist es meist sinnvoll, dieZugriffsklasse beizubehalten.

Falls doch Änderung, darf die Unterklasse dieSichtbarkeit erweitern, aber nicht einschränken, d.h.

Oberklasse public -> Unterklasse public

Oberklasse protected -> Unterklasse protected oder public

Oberklasse default -> Unterklasse default, public oder protected

Bei Überladen, Überdecken und Neudefinition gibt eskeine solchen Einschränkungen

PPS 1.4-35

Implementierung von Interfaces

Eine Klasse kann ein oder mehrere Interfacesimplementieren

Dazu muß sie

die Interfaces unter implements aufführen und

alle Methoden der Interfaces überschreiben (falls nureinige überschrieben werden, bleibt die Klasse abstrakt)

Interfaces ermöglichen also Mehrfachvererbung für denwichtigen Spezialfall abstrakter Methoden

Bei Namenskonflikten erhalten beide abstraktenMethoden die gleiche Implementierung - für sinnvolleVerwendung ist der Programmierer verantwortlich

PPS 1.4-38

Interfacesauch: Schnittstelle, Schnittstellenklasse

Interfaces sind spezielle Klassen, die nur abstrakteMethoden und Konstanten enthalten

explizite Kennzeichnung als public abstractbeziehungsweise public final static kann entfallen

möglich: public, default

falls public: Filename = Name des Interfaces .java

PPS 1.4-37

public interface KannBlinken {void blinkenEin();void blinkenAus();

}public interface KannVerschieben {

int GRENZE = 100;boolean move(int dx, int dy);

}

Verwendung von Interfaces und abstrakten Klassen

Möglich: Deklaration von Variablen mit dem Typ einesInterfaces/einer abstrakten Klasse

Diesen Variablen können Objekte aller Klassenzugewiesen werden, die das Interface implementieren

Der Compiler akzeptiert dann den Aufruf der Methodendes Interfaces

Analog: Interfaces/abstrakte Klassen als Elementtyp vonFeldern bzw. Typ formaler Parameter

Typcast, instanceof sind anwendbar

PPS 1.4-40

KannBlinken leuchtObjekt;if (...) leuchtObjekt = new BlinkingPoint();else leuchtObjekt = new BlinkingArrow();leuchtObjekt.blinkenEin();// Nicht zulässig ist leuchtObjekt.move(3,4);

Beispiel: Interfaces

public class BlinkingPoint extends GeomFigur implementsKannBlinken, KannVerschieben {

boolean blinkt;int x, y;public void blinkenEin() { blinkt = true; }public void blinkenAus() { blinkt = false; }public boolean move(int dx, int dy) {

x+=dx; y+=dy;if (x > GRENZE || y > GRENZE )

return false;else return true;

}

PPS 1.4-39

Generisches ProgrammierenProgrammieren auf hohem Abstraktionsniveau

Programmiertechnik, die in Java mit bereits bekanntenMitteln (Interfaces, Überschreiben) realisiert wird

Nutzen: Wiederverwendung von Programmcode

Generische Datentypen (z.B. Liste, Stack) verwenden alsElementtyp Object (oder anderen abstrakten Typ)

Einfügen etc. kann unabhängig vom konkreten Elementtyp("generisch") programmiert werden

Generische Methoden verwenden als ParametertypObject (oder anderen abstrakten Typ) und sind damit aufObjekte beliebiger Klassen anwendbar

intern häufig Aufruf abstrakter Methoden, die in denUnterklassen überschrieben sind

Verwendung spezieller Methoden erfordert TypcastPPS 1.4-42

Interfaces und Vererbung

Bei implementierenden Klassen:

Die Eigenschaft, ein Interface zu implementieren, wirdvererbt, muß also in Unterklassen nicht erneut deklariertwerden

Zwischen Interfaces:

Interfaces können Unterklasse von ein oder mehrerenanderen Interfaces sein (hierarchisch)

Für diese Form der Vererbung wird das Schlüsselwortextends verwendet

PPS 1.4-41

Garbage Collector

niedrigpriorisierter Hintergrundprozeß zurautomatischen Freigabe unerreichbarer Objekte

Objekt ist unerreichbar, wenn es keine Verweiskette vomStack auf das Objekt mehr gibt

Objekt kann unerreichbar werden durchVerlassen eines Blocks -> Entfernen Variablen vom Stack

Zuweisungen: p = null oder p = p2

Unerreichbarkeit eines Vorgängerobjekts (z.B. Liste)

GC ruft vor Freigabe die Methode

protected void finalize()

auf, falls vorhanden (Destruktor)

expliziter Aufruf des Garbage Collectors durch System.gc()

PPS 1.4-44

Speicherfreigabe

Der vom Programm benutzte Speicher gliedert sich in

Stack: Lokale Variablen und Parameter der inAusführung befindlichen Methoden

Halde (Heap): Objekte

Speicher auf dem Stack wird nach Verlassen der Methodefreigegeben (C und Java)

In C wird Haldenspeicher mit malloc angefordert undmit free freigegeben -> fehleranfällig

In Java wird Haldenspeicher mit new angefordert undautomatisch freigegeben -> vereinfachtProgrammierung

PPS 1.4-43

Ausnahmen und FehlerAusnahmen (Exceptions) sind "leichte" Fehler, nachdenen eine Programmfortsetzung sinnvoll ist oder seinkann

Fehler (Errors) führen zu Programmabbruch

PPS 1.5-2

Throwable

RuntimeException

ErrorException

IOException

NullPointerException FileNotFoundException

OutOfMemoryError

PPS 1.5-1

1.5. Ausnahmebehandlung

Weiterleiten von Ausnahmen

1. Fall: IOException (und eigene Ausnahmen)

in Methode nicht behandelte Ausnahmen müssen unterthrows deklariert werden, sonst Fehlermeldung durchCompiler

void myMethod() throws ArrayOutOfBoundsException,MeineException {...}

2. Fall: RuntimeException

können abgefangen werden, müssen aber nicht

Auflistung unter throws kann entfallen

Generell

Ausnahmen wandern die Aufrufhierarchie hinauf bis sieabgefangen werden

außen angekommen -> Java-Interpreter stopptPPS 1.5-4

Konzept der Ausnahmebehandlung

Ausnahmen werden häufig von vordefiniertenJava-Methoden ausgelöst und müssen vom Programmiererbehandelt (abgefangen) werden

weiterhin kann der Nutzer eigene Ausnahmen definieren

Abfangen von Ausnahmen durch try-catch

möglich: mehrere catch-Blöcke, finally

PPS 1.5-3

try {// Anweisungsblock, der eine Ausnahme auslösen kann

}catch (Exception e) {

// Anweisungen zur Behandlung der Ausnahme}

Ausnahmen als ObjekteAusnahmen sind Objekte (enthalten Attribute, Methoden)

alle Ausnahmeklassen sind von Throwable abgeleitet

Klassen charakterisieren die Art der Ausnahme, Objektedie konkret im Programm aufgetretene Fehlersituation

catch (BspAusnahme e) fängt alle Ausnahmen der KlasseBspAusnahme und ihrer Unterklassen ab

für alle Ausnahmeklassen definiert:

Konstruktor mit Übergabe einer Fehlermeldung

Konstruktor ohne Übergabe einer Fehlermeldung

Methode getMessage

Definition eigener Ausnahmeklassen durch Bilden einerUnterklasse von Exception

PPS 1.5-6

Beispiel: Abfangen von Ausnahmen

int a, b, c;

// Einlesen von b und c

try {

a = b / c;

}

catch (ArithmeticException e) {

System.out.println("Bitte neuen Divisor eingeben: ");

// erneutes Einlesen von c

}

PPS 1.5-5

2. Parallele, verteilte und

nebenläufige Programmierung

PPS 2.1-1

Auslösen von Ausnahmen

erfolgt durch throws-Anweisung

PPS 1.5-7

Integer value;

public void setValue(Integer value) {

if (value==null)

throw new IllegalArgumentException("null übergeben");

this.value = value;

}

throws wird häufig in catch verwendet, um verschiedeneAusnahmesituationen zusammenzufassen

beim Überschreiben von Methoden dürfen derthrows-Klausel keine neuen Ausnahmen hinzugefügtwerden; Weglassen von Ausnahmen ist zulässig

2.1. Überblick

Nebenläufige Programmierung

Kennzeichen: mehrere Programmfäden befinden sichgleichzeitig in Abarbeitung

Konsequenz: es existieren mehrere Programmzähler

Ausführungsreihenfolge von Operationen ausverschiedenen Programmfäden ist dem Programmierernicht bekannt

kennt nur partielle Ordnung innerhalb eines Programmfadens

Ausführung auf einem Prozessor (Pseudoparallelität) odermehreren Prozessoren (Parallelität) möglich

Motivation: Beschreiben probleminhärenter Parallelität(z.B. Simulationsaufgaben)

PPS 2.1-3

Gliederung

2.1. Überblick

Begriffe, Architekturen, Programmiermodelle

2.2. Threadprogrammierung in Java

2.3. Applets

2.4. Remote Method Invocation

PPS 2.1-2

Literatur zu 2.1.:C. Leopold: Parallel and Distributed Computing: A Survey ofModels, Paradigms, and Approaches, Wiley, 2000

Literatur zu 2.2-2.4:Java-Lehrbücher

Paralleles Rechnen

Kennzeichen: gleichzeitige Ausführung vonBerechnungen mit Ziel Geschwindigkeitsgewinn

Einsatz mehrerer Prozessoren, die durch Netzwerkverbunden sind und zur Lösung der Aufgabe kooperieren

parallele Architekturen sind meist homogen, haben oftgemeinsamen Speicher

Konzentration auf eine Anwendung, d.h., paralleleOperationen sind Teil des gleichen Programms

Kommunikationsstruktur kann häufig statisch geplantoder zumindest abgeschätzt werden

parallele Programme sind meist nebenläufig

Typisches Anwendungsgebiet: wissenschaftlichesRechnen PPS 2.1-5

Nebenläufigkeit - Probleme

Programm muß für jede Ausführungsreihenfolge korrektarbeiten

Zeitkritischer Ablauf (engl.: race condition): GleichesProgramm kann auf gleicher Eingabe verschiedeneAusgaben erzeugen -> vermeiden

Programmfäden nutzen gemeinsame Ressourcen (z.B.gemeinsame Variablen)

Verklemmung(engl.: deadlock): gegenseitiges Wartenauf Ressourcenfreigabe verhindert Weiterarbeit desProgramms -> vermeiden

PPS 2.1-4

Architektur 1: Feldrechner

PPS 2.1-7

Steuerrechner

Verteiltes Rechnen

Kennzeichen: räumliche Verteilung von Berechnungenauf verschiedene Rechner eines Netzwerkes, zwecksNutzung entfernter Ressourcen

Hard- und Softwareressourcen, z.B. Parallelrechner,Drucker, Datenbanken

Architekturen sind meist heterogen und dynamisch, habenkeinen gemeinsamen Speicher

betrachtet System aus mehreren, getrennt entwickelten,Anwendungen, die gemeinsame Ressourcen nutzen undeventuell kooperieren

=> Paralleles, verteiltes und nebenläufiges Rechnen sindverwandte Gebiete mit vielen Überschneidungen undGemeinsamkeiten

PPS 2.1-6

Architektur 3: Parallelrechner mitverteiltem Speicher

PPS 2.1-9

P

M

P

M

P

M

P

M

P

M

P

M

P

M

P

M

P

M

Architektur 2: Parallelrechner mitgemeinsamem Speicher

PPS 2.1-8

Gemeinsamer Speicher

P

M

P

M

P

M

P

M

P

M

P

M

Datenparallelität

paralleles Programmiermodell

Grundidee: parallele Anwendung der gleichen Operationauf verschiedene Daten

Daten werden auf Prozessoren (Speicher) verteilt

Einfache Variante (Feldrechner): Operationen sindelementar -> nur ein Programmzähler

Erweiterte Variante (Parallelrechner): Operationen sindkomplex, aber unabhängig voneinander

keine Kommunikation während der Ausführung einer Operation

nach Operationsausführung Synchronisation

Sprachen: High Performance Fortran, HPF-2, C*, HPJavaPPS 2.1-11

Architektur 4: Verteiltes System

PPS 2.1-10

Gemeinsamer Speicher (Programmiermodell)

PPS 2.1-13

Programmfäden (Threads) kommunizieren indirektdurch Lesen/Schreiben gemeinsamer Variablen

Zeitkritische Abläufe und Deadlocks müssen durchSynchronisation vermieden werden

Gemeinsamer Speicher kann physisch existieren oderdurch Software nachgebildet werden

für nebenläufige und parallele Programmierung

GemeinsamerSpeicher

Thread

Thread

Thread

Thread

Thread

Thread

Datenparallelität - Beispiel

!HPF$ INDEPENDENT

FORALL (I=1:3)

a(I) = b(I)

c(I) = d(I)

END FORALL

PPS 2.1-12

b(1)

a(1)

d(1)

c(1)

b(3)

a(3)

d(3)

c(3)

b(2)

a(2)

d(2)

c(2)

Begin

End


engl.: message passing

Begriff hat andere Bedeutung als im OO-Programmieren!

Prozesse kommunizieren durch Senden und Empfangenvon Nachrichten, es existiert kein gemeinsamer Speicher

Kommunikation kommt nur zustande, wenn passendeSende- und Empfangsoperationen ausgelöst wurden

Kommunikation erfolgt zwischen 2 Prozessen, mußstatisch geplant werden und impliziert Synchronisation

wichtigstes Modell der parallelen Programmierung

Bibliotheken: Message Passing Interface, MPI-2, PVM

PPS 2.1-15

Gemeinsamer Speicher - Formen

Thread-Programmierung (z.B. Pthreads, Java Threads):explizite Erzeugung der Threads und Zuweisung vonAufgaben durch den ProgrammiererSprachkonstrukte zur Synchronisation undBeeinflussung des Scheduling

Scheduling = räumliche und zeitliche Zuordnung der Threads zuProzessoren

Direktivenbasierte Programmierung (z.B. OpenMP):Compiler übernimmt Threaderzeugung undAufgabenverteilungProgrammierer beschreibt Parallelitätspotential undnotwendige Synchronisationen problemnah (z.B. durchparallele Schleifen)

PPS 2.1-14

Client/Server

wichtigstes Paradigma des verteilten Rechnens

beschreibt asymmetrische Beziehung zwischen Prozessen

PPS 2.1-17

Klienten können auf Ressource nur über die vom Serverangebotenen Dienste zugreifen

Server ist passiver Dienstanbieter

Client ist aktive Seite, löst Interaktion aus

während Ausführung des Dienstes wartet Client

Client Server RessourceNetzwerk

Nachrichtenaustausch - Beispiel

char msg[20];

int me, total, tag;

MPI_Status status;

...

MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &me);

MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &total);

if (me==0) {

strcpy(msg, "Gruesse von Prozess 0");

MPI_Send(msg, strlen(msg)+1, MPI_CHAR, 1, tag, MPI_COMM_WORLD);

}

else if (me==1) {

MPI_Recv(msg, 20, MPI_CHAR, 0, tag, MPI_COMM_WORLD, &status);

...

}

PPS 2.1-16

Mobiler Code

Gegenstück zum Datenaustausch zwischen Prozessen

Analogie: Versenden von Briefen vs. Reisen

Hauptproblem: Sicherheit

Varianten:

Austausch von Programmtexten

Migration in Abarbeitung befindlicher Prozesse

Einsatzgebiete:

Erweiterungen des Client/Server-Modells

Mobile Agenten

Parallele Mobile Agenten

Automatische MigrationPPS 2.1-19

Client/Server 2

Client und Server können getrennt entwickelt werden

meist existieren mehrere Klienten pro Server

-> Diese können unter Verwendung von Threadsgleichzeitig bedient werden!

möglich:

hierarchische Anordnung: Server nutzt während derDienstausführung Dienste eines anderen Servers

gleicher Rechner übernimmt (je nach Kontext) Rolledes Clients oder Servers ->Peer-to-Peer

Programmierung mittels Sockets, Remote ProcedureCall, Remote Method Invocation

PPS 2.1-18

Messagingauch: Message-Oriented Middleware (MOM), z.B. Java MessageService API

Verteilte Prozesse kommunizieren über gemeinsamenSpeicher -> ermöglicht zeitliche Entkopplung vonSender und Empfänger

Varianten:

Message Queuing: Als gemeinsamer Speicher dienenSchlangen (Queues), in die Nachrichten eingefügt bzw.aus denen Nachrichten entnommen werden können

im System existieren meist mehrere Schlangen mitunterschiedlichen Zugriffsrechten

Publish-and-Subscribe: Produzenten stellen Klassenvon Informationen zur Verfügung, Konsumentenkönnen diese abonnieren (vergleichbar Mailinglisten)

PPS 2.1-21

Mobiler Code - Einsatzgebiete

Erweiterungen des Client/Server-Modells:

Remote Evaluation: Code wird zur Laufzeit vom Clientzum Server geschickt (z.B. Übermittlung einer Funktion zwecksBerechnung durch leistungsfähigen Server)

Code on Demand: Server verwaltet Datenbank mitProgrammtexten und versendet sie bei Bedarf an dieKlienten (Beispiel: Applets in Webseite)

Mobile Agenten: Programm wandert während seinerAusführung durch Netzwerk zwecks Nutzung entfernterRessourcen; Programm entscheidet selbst, wann undwohin es migriert

Agenten können kooperierenPPS 2.1-20

2.2. Java Threads

Besonderheit Java: Threadprogrammierung ist in dieSprache integriert

Motivation: Unterstützung nebenläufiger (nur sekundärparalleler) Programmierung

Ein Programm (d.h., ein Prozeß des Betriebssystems)kann mehrere Threads umfassen

Die Threads eines Programmes verfügen übergemeinsamen Speicher

daneben existieren lokale Variablen der Threads

Alle Threads arbeiten mit dem gleichen Programmtext,aber unterschiedlichen Programmzählern

- > typisch: Verschiedene Threads bearbeiten verschiedene MethodenPPS 2.1-23

Verteilte Objekte

Verteiltes Programmiermodell - betrachten Objekte, diesich auf verschiedenen Rechnern befinden (-> getrennteAdreßräume)

Konzept: verbinden mit jedem Objekt einen eigenenProzeß (Unterschied zu sequentiellem Java und Threads!)

Prozeß verwaltet das Objekt im Sinne eines Servers

andere Prozesse können den Programmcode nichtselbst ausführen, sondern müssen dazu die Dienste desServers in Anspruch nehmen -> RMI = Remote MethodInvocation = entfernter Methodenaufruf

Systeme: CORBA, Java RMI, DCOMPPS 2.1-22

Beispiel 1 zur Threaderzeugung

public class BspThread extends Thread {...public void run() {

System.out.println("Gruesse vom erzeugten Thread");}

}

public class Bsp {public static void main(String[] args) {

BspThread t = new BspThread();t.start();System.out.println("Gruesse vom Hauptprogramm");

}}

PPS 2.1-25

Threaderzeugung mittels Thread

Die Klasse Thread des Pakets java.lang definiertMethoden zur Arbeit mit Threads: run, start, etc.

Threaderzeugung mittels Thread:

Bilden einer Unterklasse von Thread

Überschreiben der vordefinierten Methode runmit der gewünschten Funktionalität des Threads

Aufruf der von Thread geerbten Methode start

-> bewirkt Start des Threads und impliziten Aufruf von run

PPS 2.1-24

Beispiel 2 zur Threaderzeugung

public class NutzerThread extends ... implements Runnable {public void run() {

System.out.println("Gruesse vom erzeugten Thread");}

}

public class Bsp {public static void main(String[] args) {

NutzerThread nutzerThread = new NutzerThread();Thread hilfsThread = new Thread(nutzerThread);hilfsThread.start();System.out.println("Gruesse vom Hauptprogramm");

}}

PPS 2.1-27

Threaderzeugung mittels RunnableDa Java nur Einfachvererbung erlaubt, schließt die vorigeMethode Vererbung nach inhaltlichen Aspekten aus

Threaderzeugung mittels Runnable ist flexibler (aber etwas

komplizierter):

Runnable ist vordefiniertes Interface, enthält nur eineMethode: void run()

Aufrufende Klasse erzeugt zwei Objekte: Nutzer-Threadeiner eigenen Klasse und Hilfs-Thread der Klasse Thread

Klasse des Nutzer-Threads implementiert Runnable

Bei Erzeugung des Hilfs-Threads Übergabe desNutzerobjekts als Argument des Konstruktors

Aufruf der Methode start des Thread-ObjektsPPS 2.1-26

Beenden von Threads 2

PPS 2.1-29

Mit join() kann ein Thread auf die Beendigung einesanderen Threads warten:

public final void join() throws InterruptedException

Threadprogramme sind unstrukturiert: jeder Threaddarf jeden zum Abbruch auffordern

Threads leben eventuell länger als dasHauptprogramm

Abbruch aller Threads durch System.exit(0)

statt 0 Angabe eines Fehlercodes möglich

System.exit(0) kann in Hauptprogramm oder erzeugtemThread aufgerufen werden

Beenden von Threads 1

automatisch am Ende der run-Methode

Direkter Abbruch (stop) durch andere Threads soll inJDK 1.3 nicht mehr verwendet werden (Problem:Ressourcenfreigabe)

Andere Threads können durch Aufruf der Methode

public void interrupt()

zum Abbruch auffordern

Thread kann durch

public boolean isInterrupted()

feststellen, ob er zum Abbruch aufgefordert wurde undgegebenenfalls die run-Methode beenden

PPS 2.1-28

Beispiel zum Unterbrechen

public class BspThread extends Thread {public void run() {

while (true) {if (isInterrupted()) break;System.out.println("Hallo");try { Thread.sleep(100); }catch (InterruptedException e) { interrupt(); }

}}

}

public class Bsp {...BspThread t = new BspThread();t.interrupt();

} PPS 2.1-31

Unterbrechen von Threads

erfolgt mittels der Methode

public static void sleep(long milllis)

Bei Eingang einer Abbruchanforderung während desSchlafes wird eine Ausnahme ausgelöst und der Threadsofort geweckt -> Ausnahme abfangen

Aufruf : Thread.sleep(100) - bezieht sich auf den aktuellenThread, kann auch das Hauptprogramm sein

Mit

public final boolean isAlive()

kann abgefragt werden, ob ein Thread noch läuft, z.B.

if (t.isAlive()) t.interrupt();PPS 2.1-30

Locks und Objekte

in Java besteht eine 1:1-Beziehung zwischen Lock undObjekt

Sinn: gemeinsame Ressourcen sind in Java-ProgrammenAttribute und damit einem Objekt zugeordnet

Alle Ressourcen des Objekts werden durch den gleichenLock geschützt

PPS 2.1-33

Markierung mit synchronized ist möglich für

Methode- es wird der Lock des aktuellen Objektsangefordert

Anweisungsblock - Programmierer legt explizit fest,von welchem Objekt der Lock angefordert wird

Synchronisation

Kritischer Bereich:

Abschnitt des Programms, in dem Zugriff aufgemeinsame Ressourcen erfolgt

darf nicht durch andere Prozesse, die die gleicheRessource nutzen, unterbrochen werden

PPS 2.1-32

Java-Threads basieren auf dem Monitor-Konzept:

jedem Objekt ist ein Schlüssel (Lock) zugeordnet

Programmierer markiert kritische Bereiche mit demSchlüsselwort synchronized

Java-System stellt sicher, daß sich zu einem Zeitpunktnur ein Thread in einem kritischen Bereich des gleichenObjektes befindet

Beispiel: Monitor

public class Konto {int kontostand = 0;synchronized void einzahlen(int betrag) {kontostand+=betrag; }synchronized void abheben(int betrag) {kontostand-=betrag; }

}public class Kontoinhaber extends Thread {

public void run() { einzahlen(200); abheben(50); }}public class Bsp {

Konto unserKonto = new Konto();Kontoinhaber susi = new Kontoinhaber(unserKonto);Kontoinhaber fritz = new Kontoinhaber(unserKonto);susi.start(); fritz.start();

}PPS 2.1-35

PPS 2.1-34

Ausschließlicher Zugriff

wird durch das Monitor-Konzept realisiert

Nach Erzeugen eines Objekts ist dessen Lock verfügbar.

Sobald ein Thread einen kritischen Bereich erreicht, wirdautomatisch der dazugehörige Lock angefordert.

Falls verfügbar, wird der Lock dem aufrufenden Threadzugeordnet und ist dann für andere Threads nicht mehrverfügbar.

Andernfalls wird der Thread in die Warteliste desangeforderten Locks eingetragen.

Bei Verlassen des kritischen Bereichs wird der Lockautomatisch freigegeben. Falls Threads warten, erhälteiner von ihnen den Lock (welcher ist nicht festgelegt).

wait und notify

Weiterer Synchronisationsmechanismus - eignet sich fürSynchronisation zwischen Produzenten undKonsumenten (Anwendung Monitor: ausschließlicher Zugriff)

Durch Aufruf wait() gibt der Besitzer des Locks diesenfreiwillig ab und begibt sich in einen zweiten Warteraum("Schlafsaal") zum Objekt

wait() kann nur in kritischem Bereich aufgerufen werden

Durch Aufruf von notify() wird ein (willkürlichausgewählter) Thread des Schlafsaals in den Warteraumdes Locks geschickt

Nutzen wait/notify: Vermeidung aktiven WartensPPS 2.1-37

Parallelität und Serialisierung

Java Threads werden gegenwärtig meist pseudoparallelausgeführt ("green threads")

Parallelausführung ist möglich falls

der Rechner mehrere Prozessoren enthält und

die Java-Implementierung die Parallelausführungunterstützt ("native threads")

PPS 2.1-36

Serialisierung = durch Warten auf Lock bedingtesequentielle Ausführung der Threads

Unnötige Serialisierung vermeiden (auch bei pseudo-

paralleler Ausführung)-> kritische Abschnitte kurz halten

Thread Scheduling

Threads können sich in 4 Zuständen befinden

aktiv - in Ausführung, d.h. läuft auf Prozessor

rechenbereit - wartet auf Zuweisung eines Prozessors

wartend - wartet auf Lock oder notify()

beendet

Algorithmus zur Prozessorzuordnung (Scheduling) istimplementierungsabhängig -> Programme sollten injedem Fall korrekt laufen

meist: Zeitscheiben, Prioritäten

Programmierer kann Scheduling beeinflussen, z.B. durchSetzen von Prioritäten

PPS 2.1-39

Anwendung von wait /notify

PPS 2.1-38

Produzent Konsument

Konsument

Konsument

nach Produktioneiner Einheit:

notify();

Lager

Alle Zugriffe geschütztdurch synchronized

if (Lager leer)wait();

Beispiel: Applets

import java.applet.*;import java.awt.*;public class Bsp extends Applet {

public void paint(Graphics g) {g.drawString("Hello World",10, 20);g.drawLine(10,22,80,22);

}}<html><body>

<applet code="Bsp.class" width=300 height=200></applet>

</body></html>

PPS 2.1-41

2.3. Applets

Java-Programme, deren Ausführung typischerweise voneinem Web-Browser gesteuert wird

Statt main() ruft der Browser situationsabhängig (eventuellüberschriebene) Methoden der Klasse Applet auf: init(),start(), stop() und andere

Als mobiler Code unterliegen Applets sicherheitsbedingtenEinschränkungen, z.B. Verbot des Zugriffs auf Files

Ausnahme: signierte Applets

Bytecode-Verifizierer überprüft nach dem Ladensicherheitsrelevante Eigenschaften des Codes

zum Applet gehörige Klassen werden nach Bedarf geladen

Alternative: jar-Archiv

Applet-Programmierung ist grafik- und ereignisorientiertPPS 2.1-40

Funktionsweise RMI

PPS 2.1-43

Netzwerkverbindung

Client

Client = Prozeß, der aufrufendes Objekt ausführtServer = Prozeß, der dienstanbietendes Objekt ausführt

Stub Skeleton

Server

2.4. Remote Method Invocation

auch: entfernter Methodenaufruf, RMI

objektorientiertes Konzept zur Realisierung desClient/Server-Paradigmas

Kennzeichen:

Nachrichtenaustausch über Rechnergrenzenhinweg

Objekte verbleiben auf ihrem Rechner

RMI kann durch Code-Mobilität ergänzt werden;diese ist jedoch nicht Bestandteil des Konzepts

PPS 2.1-42

Datenübertragung

Zulässige Parameter:

(1) Werte primitiver Typen

(2) serialisierbare Objekte

(3) Verweise auf RMI-Objekte

Stub/Skeleton packen/entpacken Parameter undErgebnis

erfolgt bei (2) mittels SerialisierungPPS 2.1-45

Stub und Skeleton

Stub: lokale Methode auf Client-Seite, wird vomClient stellvertretend für die entfernte Methodeaufgerufen

Skeleton analog, aber auf Server-Seite

Stub und Skeleton werden mit Hilfe einesWerkzeugs erzeugt

Stub und Skeleton enthalten Programmcode zurRealisierung der Kommunikation -> ist transparentfür das Anwendungsprogramm

PPS 2.1-44

Praktische Umsetzung mit Java RMI

1) Definition eines Remote Interface für die Serverklasse

Unterklasse von java.rmi.Remote

jede Methode muß throws RemoteException deklarieren

2) Erstellen einer Klasse A, die das Interface implementiert

3) Erzeugen von Stub und Skeleton mit Hilfe des Werkzeugsrmic

4) Starten der RMI-Registry als Hintergrundprozeß aufdem Server-Rechner

5) Starten des Serverprozesses - darin Erzeugen einesObjekts der Klasse A und Anmelden dieses Objekts untereinem Namen xyz bei der RMI-Registry (mittels Naming.bind)

Serverprozeß läuft auch nach Beendigung von main() weiterPPS 2.1-47

Serialisierung

Abspeichern des Objektzustandes in einem zurDatenübertragung geeigneten Format (Folge von Bits)

Abgespeichert werden

die Werte aller eigenen und geerbten Attribute, außerstatic, transient

für Attribute, die Objekte sind, rekursiv auch derenAttribute (bei zyklischen Verweisen nur einmal)

Verweis auf zugehörige Klasse (Programmtext, Version)

Objekte können nur serialisiert werden, wenn sie das(leere) Interface Serializable implementieren

Weitere Anwendung: Sichern in Files (Persistenz)PPS 2.1-46

3. Skriptsprachen

PPS 3-1

Literatur für dieses Kapitel:D. Barron: The World of Scripting Languages, Wiley, 2000.

Praktische Umsetzung 2

6) Kopieren des Stub auf den Client-Rechner (insArbeitsverzeichnis)

7) Client-Programm muß kennen:

Name des Zielrechners (z.B. paral.informatik.uni-leipzig.de)

frei gewählten Namen des Servers (d.h.: xyz)

Erhält dann durch Aufruf von Naming.lookup(daten)vom RMI Registry des Server-Rechners einen VerweisfernesObjekt auf das Server-Objekt

8) Dieser Verweis ermöglicht Aufruf von Server-Methodenmit der üblichen Syntax, z.B. fernesObjekt.m()

PPS 2.1-48

Anwendungsgebiete und Sprachen

Systemadministration , Steuerung von Anwendungen

Betriebssysteme, Netzwerke, Datenbanken

Unix Shells, Perl, Tcl

Zusammensetzen von Komponenten

Tk, Visual Basic

Anwendungen, bei denen schnelle Programmentwicklungwichtiger ist als schnelle Programmausführung (Prototyp)

Visual Basic

Web-Programmierung auf Client- und Serverseite

JavaScript, VBScript, Perl

=>Skriptsprachen sind auf ein (eventuell breites)Anwendungsgebiet spezialisiert

PPS 3-3

Merkmale

werden häufig nicht zu den Programmiersprachen gezählt

einfache Sprachen

leicht zu erlernen (zumindest Sprachkonzept)

schnelle Entwicklung von Programmen

pragmatisch

einfaches Typsystem, dynamische Typisierung

werden interpretiert oder implizit kompiliert

-> direkter Aufruf des Programms ohne vorherigeÜbersetzung

große praktische Bedeutung

PPS 3-2

Beispiele: Perl

PPS 3-5

Schreiben in File Bsp.pl:#!/usr/bin/perlprint "Hello World\n"

Ausführung in Unixdurch:

>BspAusführung in Windowsdurch:

> perl Bsp

#!/usr/bin/perl$word = shift;while (<>) {print if /$word/};Aufruf durch:

Bsp xyz File1 File2

#!/usr/bin/perlwhile (<STDIN>) {

print if /wichtig/};

Perl - Einführung

Perl = Practical Extraction and Report Language

Ende 80-er Jahre eingeführt, danach weiterentwickelt

zunächst Unix, jetzt alle wichtigen Betriebssysteme

Spezialisierung: Textverarbeitung, Extraktion vonInformationen aus Files

Befehle des Betriebssystems (auch zur Netzwerk-programmierung) sind in Perl-Skripts direkt verfügbar

Syntax erlaubt Varianten des gleichen Befehls - Prinzip:fehlende Informationen werden sinnvoll ergänzt

Beispiel: Variablen können, müssen aber nicht deklariert werden

günstig für ungeübten ProgrammiererPPS 3-4

Zusammengesetzte Datentypen

Liste

z.B. ("rot", "blau", "gruen"), qw(rot blau gruen), (1..8)

Vertauschen von Daten: ($a, $b) = ($b, $a);

Array

z.B. @bsp = (0, "nichts", 0.0); -> $bsp[0] enthält 0 etc.

Zuweisung der Feldlänge: $laenge = @bsp;

Hash = inhaltsadressiertes Feld, assoziatives Feld

z.B. $myHash{baum} = "tree"; ...

%myHash = (baum => "tree", apfel => apple, ...);

Liste der Schlüssel/Werte: keys %myHash; values %myHash;PPS 3-7

Datentypen in Perl

Typ von Variablen wird im Bezeichner kodiert:

Skalare Daten: $name

Arrays: @name

Hashes: %name

Funktionen: &name

Skalare Datentypen: String, Zahl

Dynamisch-typisierte Sprache: System kennt denaktuellen Typ der Variablen und konvertiert wo nötig

Operatoren: arithmetisch, logisch, bitweise, Vergleich,bedingter Ausdruck, Zeichenreihen

z.B. $a = "Hallo" x 3; $b = "Ein $a"; $b .= $a; ++$a;PPS 3-6

Reguläre Ausdrücke

Beschreiben Muster in Zeichenreihen unter Verwendungvon Symbolen:

^ - Zeilenanfang, $ - Zeilenende

. - beliebiges Zeichen

[] - Zeichen aus Liste, z.B. /[aeiou]/

- - abgekürzte Aufzählung, z.B. /[0..9]/

[^]- Zeichen außer angegebenen, z.B. /^[ou]/

*, +, ?- Wiederholung (* für >=0, + für >=1, ? für 0,1)

| - Alternative, z.B. /From: | To:/

()- Gruppenbildung

{n,m}- gezählte Wiederholung, z.B. /([0..9]{1,3}\.){3}/

und andere PPS 3-9

Steuerstruktur

Blöcke

bedingte Anweisungen

PPS 3-8

if ($n>20) {print "gross"

} else {print "klein"

}

print "gross" if (n>20);print "klein" unless (n>20);

Schleifenz.B. $a += 2 while $a < $b;

$a += 2 until $a > $b;foreach $i reverse (1..10) { print $i };for ($i=1; $i<10; $i++) { print $i };

auch: Objekte, Pakete etc.

Was ist AssemblerAbstraktionsebene oberhalb von Maschinenbefehlen

Beispiel: MOV DX, 0 vs. 101110100000000000000000

Maschinenbefehle sind eventuell durch Folge vonMikrobefehlen realisiert

Zwei Bedeutungen des Begriffs:

Sprache, die Maschinenbefehle verständlich kodiert undeinfache Möglichkeiten zur Programmstrukturierungbereitstellt

Programm, das Assemblerprogramme inMaschinenprogramme umwandelt

Informationen zu konkreten Assemblersprachen findetman z.B. in der Dokumentation des jeweiligen Prozessors

PPS 4-2

4. MaschinennaheProgrammierung

PPS 4-1

Literatur für dieses Kapitel:H.-P. Gumm, M. Sommer: Einführung in die Informatik,Oldenbourg-Verlag, 2000, Abschnitte 5.4-5.6

Eigenschaften von Assembler

Maschinenabhängig -> Assemblerprogramme sind nichtportabel

evtl. Abwärtskompatibilität innerhalb einer Prozessorfamilie

betrachten hier typische und grundlegende Befehlsklassen

Assemblersprachen sind minimalistisch

enthalten (fast) nur die vom Prozessor unterstützten Grundbefehle

Komplexere Operationen müssen im Programm aus Grundbefehlenzusammengesetzt werden

Verwendung Assembler:

Assembler als Teil des Compilers, z.B. gcc -S myprog.c, gcc myprog.s

Assembler als eigenständiges Programm

Einfügen von Assemblercode in HochsprachprogrammePPS 4-4

Bedeutung Assembler

Wozu beschäftigen wir uns mit Assembler?

Zielsprache im Compilerbau

Verständnis für Performance von Programmen

Zusammenspiel Programmierer - Compiler

in sehr seltenen Ausnahmefällen Performance-kritischeProgrammabschnitte in Assembler schreiben

Programmierung von Basisfunktionen desBetriebssystems (Zugriff auf periphere Geräte)

Geschichte von Programmiersprachen

Wozu nicht?

Programmierung von AnwendungsprogrammenPPS 4-3

Speicherzugriff und Adressierung

bei RISC-Architekturen können nur explizite Lese- undSchreibbefehle auf den Speicher zugreifen

arithmetische Operationen erwarten die Operanden inRegistern

Adressierungsarten:

Direktoperand, z.B. MOV R1,14

Registerzugriff, z.B. MOV R1, R2

direkte Adressierung, z.B. MOV R1, [12]

indizierte Addressierung, z.B. MOV R1, R2[R3]

indirekte Adressierung, z.B. MOV R1, (R2)PPS 4-6

Rechnermodellbetrachten von-Neumann Rechner

Speicher unterteilt in Register und (Haupt-)speicher

unterscheiden

Mehrzweckregister R1, R2,...

Spezialregister, z.B. Programmzähler PC, Stackzeiger SP

Statusregister (FLAGS)

Registerbreite architekturabhängig, z.B. 4 Byte

Operationen verlangen evtl. bestimmtes Register

fassen Speicher als Array der Länge MAX_ADDRESS auf,mit Indizes = Adressen

Speicher enthält (in verschiedenen Segmenten)Programmtext und Daten des Programms

PPS 4-5

PPS 4-8

Adreßformen

unterscheiden

Einadreßform: op Quelle

Zweiadreßform: Ziel = Ziel op Quelle,

Dreiadreßform: Ziel = Quelle1 op Quelle2

Beispiel zur Zweiadreßform: Berechnung von a=(a+b)-(7-c)MOV R1, aMOV R2, bADD R1, R2MOV R3, 7MOV R4, cSUB R3, R4SUB R1, R3MOV a, R1

Datentypenunterscheiden

Byte = 8 Bit, Wort = 16 Bit, Doppelwort = 32 Bit u.a.

Bitfolgen werden von verschiedenen Operationen als intmit/ohne Vorzeichen, float etc. interpretiert

betrachten byteadressierten Speicher (z.B. Intel Pentium):

PPS 4-7

3AH

BCH

12H

E2H

01H 0H

1H

2H

3H

4H Wort auf 1H enthält 12E2H

Doppelwort auf 0H enthältBC12E201H

Byte auf 4H enthält 3AH

für effizienten Zugriff müssen Daten korrekt ausgerichtetsein, z.B. Doppelwort an durch 4 teilbarer Byteadresse

Beispiel: Flags

(im Intel Pentium sind AL , BL Register der Breite 1 Byte)

PPS 4-10

MOV AL, -3MOV BL, -1ADD AL, BL

MOV AL, 253MOV BL, 255ADD AL, BL

AL BL

AL FLAGSC O

1 0

FDH FFH

FCH

Ergebnis = -4Gültig, da O=0

Ergebnis = 252Ungültig, da C=1

Flags

Flag = einzelnes Bit des Registers FLAGS

unterscheiden Status-, Steuer- und Systemflags

Statusflags werden automatisch durch die ALU gesetztund enthalten Informationen zur letzten Operation

welche Flags aktualisiert werden, hängt von der konkretenOperation ab

Beispiele:

Z (Zero) - Ergebnis der letzten Operation war 0

C (Carry) - Überlauf bei vorzeichenlosen ganzen Zahlen

O (Overflow) - Überlauf bei ganzen Zahlen mit Vorzeichen

S (Sign) - Ergebnis war negativ PPS 4-9

Sprungbefehle

bewirken Laden des Programmzählers mit neuem Wert

unterscheiden unbedingte und bedingte Sprünge

Beispiel: Berechnung von AX = 1+2+ ... +CX

PPS 4-12

bedingte Sprünge beziehen sich auf Flags der vorigenOperation; existiert Vielzahl bedingter Sprungbefehle

MOV AX, 0CMP CX, 0JZ ende ; bedingter Sprung (Jump on Zero)ADD AX, CXDEC CXJMP nochmal ; unbedingter Sprung...

nochmal:

ende:

Arithmetische Operationen: ADD, SUB, MUL, DIV

Register für Produkt bzw. Dividend müssen doppelte Breite haben

Beispiel Intel Pentium:

Vergleiche: CMP

Logische Operationen: AND, OR, XOR, NOT

können für Bitoperationen verwendet werden, z.B. OR AL, 0100 0010B

Schiebebefehle, z.B. SHR AL, 1

Anwendung: Multiplikation, Division mit Zweierpotenzen

Bit- und Byteoperationen, u.a.

Operationen

PPS 4-11

MOV AL, 17MOV DL, 30MUL DL ; AX := AL * DL

Symbolische Adressen

(im Codesegment: Sprungmarken)

im Datensegment: symbolische Datenadressen

werden am Anfang des Assemblerprogramms deklariertund eventuell initialisiert

können später statt expliziter Adressen verwendetwerden

DB = Define Byte, DW = Define Word

Beispiel:

PPS 4-14

Alter DB 0Name DB 15 DUP(0)Groesse DW ?

Effekt: Es wird Speicherplatz reserviert, z.B.Alter: DS:04, Name: DS:05 ... DS:0E, Groesse: DS:0F und DS:10

Speichersegmente

Speicher ist unterteilt in Daten-, Code- undStacksegment

Segmente sind verschiebbar, aktuelle Startadressen derSegmente stehen in Spezialregistern DS, CS, SS

bei Datenzugriffen gilt:

physische Adresse = 16 * DS + angegebene Adresse

beim Laden von Befehlen gilt:

Adresse nächster Befehl = 16 * CS + PC

Segmente können sich überlappen

Größe/Überlappung der Segmente kann im Programmfestgelegt werden, z.B. . stack 100H

PPS 4-13

Verwendung des Stack

PPS 4-16

Stack = durch SS adressiertes Segment des Speichers

Zugriff erfolgt mittels PUSH, POP

wird für Implementierung von Unterprogrammaufrufenverwendet, insbesondere Parameterübergabe

RET bewirkt

POP PC ; wieder alten Programmzähler laden

CALL meineFunktion bewirkt

PUSH PC ; alten Programmzähler sichernJMP meineFunktion ; unbedingter Sprung

innerhalb des Unterprogramms benötigte Register sollten zuBeginn gerettet und am Ende wiederhergestellt werden

Unterprogramme

PPS 4-15

Prozeduraufruf

ProzedurdeklarationmeineFunktion: Befehl 1...Befehl nRET

...CALL meineFunktion...END main

main:

Es dürfen beliebig viele Unterprogramme deklariertwerdenRekursive Aufrufe sind zulässigHauptprogramm ist durch ÉND´ gekennzeichnet

Parameterübergabe auf Stack

PPS 4-18

SS

PC BP

SP

LokaleVariablen des

Aufrufers

ÜbergebeneParameter

Datenrahmen desUnterprogramms(Frame)

Stack wächst hier nach unten: PUSH POP

Lokale Variable

Parameterübergabe

Übergabe in Registern

welche Register, ist Konvention zwischen Aufrufer undaufgerufenem Unterprogramm

geeignet für wenige / kurze Parameter

Übergabe auf Stack

Übergabe mittels PUSH

Entfernen mittels RET k (k Byte entfernen, RET)

Zugriff über Spezialregister SP (Stack Pointer) und BP(Base Pointer)

z.B. MOV BP, SP

MOV AX, [BP+4] PPS 4-17

5. Zusammenfassender Überblick

Unterscheiden vier grundlegende Paradigmen:

Imperative Programmierung

Objektorientierte Programmierung

Funktionale Programmierung

Logikprogrammierung

Weitere Sprachklassen:

Parallele, verteilte, nebenläufige Programmierung

Skriptsprachen

Maschinennahe Programmierung PPS 5-1

Documents

Programmierung und Programmiersprachen - IfI: Startseitegraebe/vorlesungen/pps/Leopold/Folien.pdf · Objektorientiert mit Java, Springer-Verlag, 2000, Kapitel 3,7,8. Bernd Oesterreich: