Das Collection-Framework von JAVA

Präsentation zum Thema: "Das Collection-Framework von JAVA"—  Präsentation transkript:

1 Das Collection-Framework von JAVA
DVG Collection-Framework

2 Aufgaben des Collection-Frameworks
Das Collection-Framework stellt Klassen und Interface zur Verfügung, mit deren Hilfe komplexe Datenstrukturen verwaltet werden können. Z.B.: Listen (Duplikate möglich) Mengen (keine Duplikate) Bäume (nach einem Kriterium sortiert) Dabei wird streng unterschieden zwischen den Schnittstellen zum Zugriff auf die Daten (in Interfacen definiert) und den Methode der Datenspeicherung (in Klassen die die Interface implementieren).  Auf unterschiedlich gespeicherte Daten kann in sehr ähnlicher Weise zugegriffen werden. Vorteile: Die Datenspeicherungsart kann so gewählt werden, dass die Arbeit möglichst effektiv realisiert werden kann. Die Datenspeicherungsart kann leicht geändert werden. Das Collection-Framework kann sowohl durch neue Speichermethoden als auch durch neue Zugriffsmethoden erweitert werden. DVG Collection-Framework

3 Struktur des Collection-Frameworks
Set Collection SortedSet List AbstractCollection AbstractSet AbstractList AbstractSequentialList HashSet TreeSet LinkedHashSet LinkedList ArrayList Vector DVG Collection-Framework

4 Interface des Collection-Framworks
Basis-Interface ist das Interface Collection Von Collection sind alle anderen Interface abgeleitet. Keine Klasse implementiert direkt das Interface Collection. Nur die abgeleiteten Interface werden implementiert. In Collection sind Methoden definiert, die in allen Implementierungen vorhanden sein müssen. Spezifische Methoden (z.B. sortieren) sind in abgeleiteten Interfacen (z.B. SortedSet) definiert. Eine Collection repräsentiert eine beliebige Gruppe von Objekten. Das Interface wird üblicherweise nicht implementiert, sondern nur die daraus abgeleiteten Interface. Jede Implementierung sollte mindestens zwei Konstruktoren implementieren. Einen ohne Parametere, der eine leere Collection erzeugt und einen mit eine beliebigen Collection als Parameter. Damit kann eine beliebige andere umgewandelt werden. DVG Collection-Framework

5 Methoden des Interfaces Collection
public boolean add/remove/contains(Object o) Hinzufügen/Löschen/Existenztest eines Objektes public boolean addAll/removeAll/containsAll(Collection c) Hinzufügen/Löschen/Existenztest aller Element der Collection c public boolean retainAll(Collection c) Löschen aller Elemente, außer der die in c enthalten sind public void clear() leert die Collection public boolean isEmpty() prüft, ob die Liste leer ist public int size() gibt die Anzahl der Elemente der Collection aus public Iterator iterator() gibt einen Iterator aus, mit dem man alle Objekte der Collection erreichen kann DVG Collection-Framework

6 DVG2 - 07 - Collection-Framework
public Object[] toArray() gibt alle Elemente der Collection in ein Feld aus public Object[] toArray(Object[] a) das Ergebnis-Array hat den selben Typ wie a. Es werden nur die Elemente der Collection ausgegeben, die zu diesem Typ passen. Passen alle derartigen Elemente in das Feld a werden sie darin gespeichert, sonst wird ein neues Feld angelegt und diese ausgegeben. addXXX, removeXXX, retainAll ergeben als Wert true, wenn die Collection durch die Operation verändert wurde, sonst false. Die Methoden add, addAll, clear, remove, removeAll und retainAll müssen nicht implementiert werden. Sie werfen dann die Ausnahme UnsupportedOperationException. DVG Collection-Framework

7 Die Klasse AbstractCollection
Die Klasse AbstractCollection implementiert die meisten Methoden des Interfaces Collection auf eine Standardweise. Diese kann bei der Definition speziellerer Collections überschrieben werden. Die Methoden iterator und size werden nicht implementiert. Die Klasse ist daher abstract. DVG Collection-Framework

8 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Das Interface Set Set ist von Collection abgeleitet. Set beschreibt Mengen von Objekten, wobei keine Duplikate erlaubt sind. Die Methoden sind identisch mit denen von Collection. Set und Collection unterscheiden sich nur in der Vereinbarung, dass Set keine Duplikate enthält. DVG Collection-Framework

9 Die Klasse AbstractSet
Die Klasse AbstractSet implementiert die Methoden des Interfaces Set und ist abgeleitet von der abstrakten Klasse AbstractCollection. Die Methoden iterator und size bleiben abstract, sodass die ganze Klasse abstract ist. DVG Collection-Framework

10 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Die Klasse HashSet Die Klasse HashSet ist von AbstractSet abgeleitet und implementiert die Methoden iterator und size auf geeignete Weise. HashSet implementiert die einfachste Menge, d.h. es sind keine Duplikate enthalten und die Reihenfolge ist nicht definiert, sie kann sich während der Nutzung ändern. Die Elemente werden in HashMaps gespeichert. Dadurch ist der Zugriff auf Elemente sehr schnell (nahezu konstant bzgl. der Anzahl der Elemente). DVG Collection-Framework

11 Implementation von HashSet
Für jedes Element der HashSet wird ein Hash-Code berechnet. Z.B. die Speicheradresse als Integer-Größe. Hash-Codes identischer Objekte sind gleich. Verschiedene Objekte können gleiche Hash-Codes besitzen. Die Elemente werden in einem Feld von einfach verketteten Listen gespeichert. Der Feldindex der Liste kann aus dem Hashcode direkt berechnet werden: index=hashCode % Listenanzahl In den Listen wird dann sequentiell gesucht. DVG Collection-Framework

12 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Daten next Daten Daten next Daten next Hashcode Daten next DVG Collection-Framework

13 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Konstruktoren public HashSet() erzeugt leeren HashSet public HashSet(Collection c) erzeugt HashSet der alle Element der Collection c enthält public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) erzeugt leere HashSet mit Anfangskapazität und loadFactor public HashSet(int initialCapacity) enspricht HashSet(initialCapacity, 0.75f); Wenn die Anzahl der Elemente größer als capacity*loadFactor wird eine neue HashTabelle aufgebaut, wobei capacity die aktuelle Kapazität der HashSet ist. DVG Collection-Framework

14 Das Interface Iterator
Die Methode iterator des Interfaces Collection gibt ein Objekt aus, das das Interface Iterator implementiert. Das Interface Iterator wird in verschiedenen Klassen (z.B. HashMap) durch interne Klassen implementiert. Diese Implementierungen sind aber nicht direkt benutzbar. Es sind also genau die Methoden nutzbar, die im Interface definiert sind. Methoden: public boolean hasNext() stellt fest, ob der nächste Aufruf von next() erfolgreich sein wird public Object next() gibt das nächste Element des Iterators aus. public void remove() löscht das zuletzt mit next() gelesene Element des Iterators, wirkt sich auch auf die zugrunde liegende Collection aus. DVG Collection-Framework

15 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Beispiel Seminar mit HashSet import java.util.*; public class THashSet{ public static void main(String[] args) { Collection seminar = new HashSet(); System.out.println(seminar.add(new Student("Abu","George",1))); ... System.out.println(seminar.add(new Student("Xu","Liman",41))); Student s=new Student("Yildiz","Gülsüm",42); System.out.println(seminar.add(s)); System.out.println(seminar); System.out.println("Azahl der Studenten = "+seminar.size()); print(seminar); } public static void print(Collection col){ Iterator it = col.iterator(); while (it.hasNext()) System.out.println(it.next()); DVG Collection-Framework

16 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Das Interface List List ist von Collection abgeleitet. List beschreibt Collectionen, in denen die Elemente in einer definierten Reihenfolge gespeichert sind. Sie sind daher wie in einem Array über einen Index erreichbar. Der erste Index ist immer = 0 (wie bei Arrays). Es können Duplikate in der Liste enthalten sein. Der Nutzer hat volle Kontrolle über die Reihenfolge der Elemente. Das Interface List definiert zusätzliche Methoden, die den geforderten Eigenschaften gerecht werden. DVG Collection-Framework

17 Neue Methoden im Interface List
public void add (int index, Object element) Hinzufügen eines Elements an der Position index. public boolean addAll(int index, Collection c) Hinzufügen aller Element der Collection c an der Position index. public void remove(int index) Löschen des Elements an der Position index. public Object get(int index) Lesen des Elements an der Position index. public Object set(int index, Object element) Ersetzen des Elements an der Position index. public int indexOf/lastIndexOf(Object o) Sucht das erste/letzte Vorkommen des Elements o in der Liste. DVG Collection-Framework

18 DVG2 - 07 - Collection-Framework
public ListIterator listIterator() Erzeugt einen ListIterator, der alle Elemente der Liste in der gegebenen Reihenfolge enthält. public ListIterator listIterator(int index) Erzeugt einen ListIterator, der alle Elemente der Liste beginnend beim index in der gegebenen Reihenfolge enthält. public List subList(int fromIndex, int toIndex) Erzeugt eine Teilliste mit den Indizes fromIndex ... (toIndex-1). Operation auf der Unterlistliste wirken sich auch auf die Originalliste aus. Z.B. löscht die Anweisung list.subList(from, to).clear(); einen ganzen Bereich der Originalliste. Zusätzlich zu den optionalen Methoden des Interfaces Collection ist die Methode set optional. DVG Collection-Framework

19 Die Klasse AbstractList
AbstractList ist von der Klasse AbstractCollection abgeleitet und implementiert das Interface List Alle Methoden des Interfaces List außer get und size werden implementiert. get und size bleiben abstract. Zusätzlich implementierte Methode: protected void removeRange(int fromIndex, int toIndex) löscht alle Elemente von fromIndex bis (toIndex-1) DVG Collection-Framework

20 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Die Klasse ArrayList ArrayList ist von AbstractList abgeleitet und implementiert die Methode size. Die Klasse ArrayList stellt ein Array zur Verfügung, das genau so effektive Zugriffe erlaubt, wie das normale Array, aber automatisch wächst. Außerdem können Elemente eingefügt werden. DVG Collection-Framework

21 Implementation von ArrayList
Die Elemente werden in einem Object[] gespeichert. Zum Kopieren des Feldes bei Änderungen wird die Methode System.arraycopy verwendet. Daten DVG Collection-Framework

22 Konstruktoren von ArrayList
public ArrayList() public ArrayList(Collection c) public ArrayList(int initialCapacity) erzeugt eine ArrayList mit der Kapazität initalCapacity DVG Collection-Framework

23 Methoden von ArrayList
public void ensureCapacity(int minCapacity) erhöht dir Kapazität des Feldes, so dass mindestens minCapacity Elemente gespeichert werden können. public void trimToSize() Verkleinert das Feld so, dass kein unnötiger Speicherplatz benötigt wir. DVG Collection-Framework

24 Das Interface ListIterator
Das Intefrace ListIterator vom Interface Iterator abgeleitet und dem Zugriff auf die Elemente einer Collection. Dabei werden zusätzliche Methoden definiert, wie sie zum Zugriff auf Listen zweckmäßig sind. Zusätzliche Methoden: public boolean hasPrevious() stellt fest, ob der nächste Aufruf von previous() erfolgreich sein wird public Object previous() gibt das vorhergende Element des Iterators aus public int nextIndex() bestimmt den Index des nächsten Listenelements public int previousIndex() bestimmet den Index des vorhergehenden Listenelements public void add(Object o) fügt ein Listenelement hinzu public void set(Object o) ersetzt ein Listenelement DVG Collection-Framework

25 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Beispiel Seminar mit TreeList Einzige Änderung: Collection seminar = new ArrayList(); Resultat: Duplikate werden gespeichert. Die Daten behalten die Reihenfolge der Speicherung. Wenn die zusätzlichen Listen-Möglichkeiten genutzt werden sollen muss folgende Änderung vorgenommen werden: List seminar = new ArrayList(); Dann kann die List auch rückwärts gelesen werden und es können Element hinzugefügt werden. DVG Collection-Framework

26 Die Klasse AbstractSequentialList
Die Klasse AbstractSequentialList ist von AbstractList abgeleitet. Die Methode listIterator ist nicht implementiert. AbstractSequentialList ist für Listen gedacht, die ausschließlich sequentiell bearbeitet werden sollen (z.B. LinkedList). Dabei kann die Liste vorwärts und rückwärts durchlaufen werden. Zusätzliche Mehode: public abstract ListIterator listIterator(int index) erzeugt einen ListIterator, der die Element beginnend mit dem Index index enthält. DVG Collection-Framework

27 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Die Klasse LinkedList Die Klasse LinkedList ist von der Klasse AbstractSequentialList abgeleitet. LinkedList stellt eine Liste zur Verfügung, die hauptsächlich sequentiell verarbeitet werden kann. Der Zugriff über index ist möglich, aber sehr uneffektiv. Änderungen der Liste erfordern kein Umkopieren, wie bei ArrayList. LinkedList ist also für Listen geeignet, deren Größe häufig wechselt, wo Element häufig gelöscht bzw. hinzugefügt werden, die Elemente sequentiell bearbeitet werden. DVG Collection-Framework

28 Implementierung von LinkedList
Die Liste wird als doppelt zyklisch verkettete Liste gespeichert. Dadurch kann vorwärts und rückwärts zugegriffen werden. Es existieren Anfang und Ende der Liste. null next previous Daten header DVG Collection-Framework

29 Konstruktoren und Methoden von LinkedList
public LinkedList() public LinkedList(Collection c) Zusätzliche Methoden public void addFirst/ addLast(Object o) Hinzufügen am Anfang/Ende der Liste public Object getFirst/ getLast() Lesen des ersten/letzten Listenelements public Object removeFirst/ removeLast() Löschen des ersten/letzten Listenelements DVG Collection-Framework

30 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Beispiel Seminar als LinkedList Einzige erforderliche Änderung: Collection seminar = new LinkedList(); Falls man Zugriff auf spezielle Methoden der LinkedList benötigt, muss man LinkedList seminar = new LinkedList(); nutzen. DVG Collection-Framework

31 Das Interface SortedSet
Das Interface SortedSet ist vom Interface Set abgeleitet. SortedSet stellt einen Set zur Verfügung in dem Elemente sortiert gespeichert werden. Dazu müssen die Elemente eine natürliche Ordnung besitzen, d.h. es läßt sich eindeutig entscheiden ob ein Element größer oder kleiner als ein anderes Element ist oder ob beide gleich sind. Dazu können sie das Interface Comparable implementieren oder sie lassen sich mit dem zum SortedSet gehörigen Comparator vergleichen. Die Teilmengen-Methoden (headSet, tailSet, subSet) liefern Sichten auf die Menge, d.h. Änderungen in den Teilmengen wirken sich auch auf die eigentliche Menge aus. DVG Collection-Framework

32 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Methoden in SortedSet public Comparator comparator() gibt den Comparator aus public Object first/last() gibt das kleinste/größte Element der Menge aus public SortedSet headSet/tailSet(Object element) gibt die Teilmenge der Menge aus, die alle Element enthält die kleiner/nicht kleiner als element sind public SortedSet subSet(Object fromElement, Object toElement) gibt die Teilmenge der Menge aus, die alle Element enthält die nicht kleiner als fromElement und kleiner als toElement sind DVG Collection-Framework

33 Das Interface Comparable
Das Interface Comparable definiert genau eine Methode: public int compareTo(Object o) der Wert ist kleiner, gleich bzw. größer 0 wenn das Objekt kleiner, gleich bzw. größer o ist Die Implementierung muss folgende Bedingungen erfüllen: sgn(x.compareTo(y)) == -sgn(y.compareTo(x)) Transitivität: x.compareTo(y)>0 && y.compareTo(z)>0  x.compareTo(z)>0 x.compareTo(y)==0  sgn(x.compareTo(z)) == sgn(y.compareTo(z)) DVG Collection-Framework

34 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Beispiel Student public class Student implements Comparable { String nachName = ""; String vorName = ""; long matrikelNummer = -1; ... public int compareTo(Object o) return (int)(matrikelNummer-((Student)o).matrikelNummer); } DVG Collection-Framework

35 Das Interface Comparator
Definiert folgende Methode: public int compare(Object o1, Object o2) vergleicht die Objekte o1 und o2 miteinander. Die zu erfüllenden Bedingungen entsprechen denen von Comparable.compareTo . DVG Collection-Framework

36 Beispiel StudentCompare
import java.util.*; public class StudentCompare implements Comparator { public int compare(Object o1, Object o2) return (int)( ((Student)o1).matrikelNummer- ((Student)o2).matrikelNummer); } DVG Collection-Framework

37 DVG2 - 07 - Collection-Framework
Die Klasse TreeSet Die Klasse TreeSet ist abgeleitet von AbstractSet und implementiert das Interface SortedSet. Es wird eine Menge (keine Duplikate) bereitgestellt, deren Elemente entsprechend einer vorgegebenen Ordnung sortiert sind. Die Ordnung bleibt jederzeit erhalten. Durch die Speicherungsart ist das Einfügen, Löschen und Suchen von Elementen sehr schnell (O(ln n)). DVG Collection-Framework

38 Implementierung von TreeSet
TreeSet wird als binärer Baum implementiert. Daten links rechts < > DVG Collection-Framework