Versjon (vil bli endret).

Transkript

1 Versjon (vil bli endret). Dette dokumentet bør leses før forelesningen 26. januar 2012 og er en del av «pensum». De er også laget med tanke på repetisjon. (Lysarkene som blir brukt egner seg ikke til selvstudium). Dokumentet blir revidert og oppdatert før og etter forelesningen, men legges likevel ut et par dager før. Det kan være lurt å vente med å skrive det ut til det står «(endelig)» etter datoen ovenfor. Etter forelesningen skal du vite forskjell på variable av primitive typer og pekervariable kunne lage javaprogrammer med lenkede lister (linked lists): enkellenkede dobbeltlenkede sorterte vite hva som menes med listehode og -hale vite hva som menes med kø, lifo og fifo vite hva en tilstandspåstand er

2 Innholdsoversikt To grunntyper av variabler Pekervariable og variable av primitive typer Datastrukturer Grafer (for 1010: lenkede lister) Lister og køer Hva er en liste? Lenkede lister Lenkede lister Eksempel på en lenket liste: personliste Operasjoner på lenkede lister (enkeltlenket) FIFO- og LIFO-lister

3 Pekervariable og variable av primitive typer class Heltall { int t a l l ; Heltall ( int t ) { t a l l = t ; } } int a=0, b=7; Heltall refa, refb ; refa = new Heltall ( 0 ) ; refb = new Heltall ( 7 ) ; a = b; refa = refb ; b = 8; refb. t a l l = 8; System. out. println ( a, b, refa. t a l l, refb. t a l l ) ; Oppgave: Hva er verdien av de fire variablene i println-setningen over? (Hint: tegn datastruktur for dette programmet og sjekk at du forstår hvorfor utskriften blir som den blir. Gjør dette før du leser neste side.)

4 a b refa refb a = b; refa = refb; a b refa refb b = 8; refb.tall = 8; a b refa refb

5 Algoritmer og datastrukturer Ethvert program har en datastruktur som data manipuleres og lagres i. Programmet (algoritmene) virker på datastrukturen og endrer den. Datastrukturen endrer seg under programutførelsen. Å lage «øyeblikksbilder» av datastrukturen i et program gir et godt bilde av hva programmet gjør. Java datastruktur-tegninger er deler av et slikt bilde, og er en måte å lage en tilstandspåstand om datastrukturen i det gitte øyeblikket. Jf. Stein Gjessings notat som ble gjennomgått for en uke siden. Alle programmer har en datastruktur enkeltvariable arrayer HashMap grafer (lister og trær mm.) Det er hovedsakelig disse fire vi kan velge blant når vi skal bestemme datastrukturen i et program. Har vi mye data og holde orden på, bør vi velge en av de tre siste. (I tillegg har Javas API mange ferdiglagede datastrukturer.)

6 Beholdere, mengder, programmer med en «database» Mange programmer skal holde orden på en relativt omfattende mengde objekter. Ofte betyr det lite hvordan objektene er organisert, så lenge programmet holder orden på dem. Vi benytter gjerne gjerne ferdiglagede datastrukturer for dette formålet, jf. HashMap (som er en forhåndsdefinert klasse i Java). Vi skal nå se på datastrukturen lenket liste som også kan benyttes for å holde orden på mange objekter.

7 Lenkede strukturer Når vi har en datastruktur der (mange) objekter referer (peker på) andre objekter, får vi en graf. I hvert objekt kan vi ha mange pekere, og vi kan lage så komplekse grafer (nettverk) vi ønsker. En fordel med grafer sammenlignet med Array og HashMap er at vi ikke trenger å ta stilling til antall objekter. I INF1010 skal vi først og fremst bruke strukturen lister som er den vanligste strukturen i programmer når vi har mange objekter og holde orden på. Og særlig når det er vanskelig å anslå antallet på forhånd.

8 Lister og køer eksempler på lister kandidatliste handleliste spillerliste sensurliste deltakerliste gjesteliste sjekkliste ordliste resultatliste... I INF1010 generelt: en liste av objekter.

9 Lister er en sekvensiell datastruktur Vi bruker liste om en struktur som har en sekvensiell form. I programmering er lister den vanligst forekommende datastruktur. Alle sekvensielle data (i en array f.eks.) kan kalles en liste. En fil kan ses på som en liste av tekststrenger (linjer). En tekststreng er igjen en liste av tegn. En fil kan derfor ses på som en liste av lister av tegn. Vi bruker flere ord for å betegne lister og mer bestemte typer av lister. Det viktigste ved en liste, er at det innebærer en ordning av objektene etter hverandre i sekvens, slik at man fra et element kan finne det neste (eller forrige). Eksempler på andre begreper som har «listeegenskaper»: sekvens, array, tabell, kø, stack (jf. norsk kortstokk), stabel... Med en kø forstår vi en liste hvor det også finnes regler for hvordan elementer kommer inn og tas ut av lista. På engelsk brukes ordet «queue» oftest om en FIFO-liste. («rettferdig kø»)

10 Forskjellige implementasjoner av lister filer arrayer lenkede lister enkeltlenkede lister dobbeltlenkede lister med og uten listehode og -hale FIFO- og LIFO-køer (lister med regler) Du vil lære mer (og bedre) om de forskjellige implementasjonene ved å løse oppgavene som blir gitt til gruppene i neste uke. Programmeringseksemplene i dette dokumentet begrenser seg til enkeltlenkete lister.

11 Hva er en lenket liste? Jonathan Susanne Imran Nikita Adnan personliste Alle disse begrepene betegner det samme sammensatte objektet: pekerkjedeliste enkeltlenket liste pekerliste lenket liste lenkeliste linked list (vanligst på engelsk) chained list Objektene i lista har pekere for å referere til neste (evt. forrige) objekt. Slik bygges lista opp som en sammenhengende lenke av objekter ved hjelp av pekere.

12 Personobjektet "Taher"... navn Taher Taher type: String nesteperson navn: navn type: Person navn: nesteperson Samme objekt (instans) av klassen Person tegnet på tre måter. Pekeren nesteperson kan peke på et objekt (instans) av samme klasse (evt. NULL). Fra venstre mot høyre fjernes informasjon som variabeltype og -navn. Legg også merke til at String-objektet med verdi «Taher» er sterkt forenklet, slik at vi står igjen med et personobjekt som er strippet for det meste, bortsett fra verdien i navn og pekeren som kan peke på et personobjekt. Hva er det vi har glemt i alle versjonene av objektet for at det skal kunne brukes i et javaprogram?

13 class Person { String navn ; Person nesteperson ; // andre attributter } class Personer { Person personliste ; // andre attributter // og metoder t i l å manipulere l i s t a } // Lage en ny l i s t e med personer : Personer minevenner = new Personer ( ) ; En første programskisse av personlista. Først klassen som beskriver personobjektene som skal lenkes sammen. Deretter en klasse som beskriver selve lista, dvs. inneholder pekeren til den. Til sist må vi ha en (peker)variabel til å «holde på» lista. Vi kunne laget lista uten klassen Personer og hatt en variabel (av hvilken type) som pekte direkte på første objektet i lenkelista.

14 Et listeobjekt Person Person Person Person Person nesteperson String navn nesteperson String nesteperson String nesteperson String Jonathan Susanne Imran Nikita Elisabeth navn navn navn navn Person nesteperson String Figur: Objektdiagram av en personliste med 5 personer null personliste Et objekt av klassen Personer Java datastrukturtegning som viser en instans av klassen Personer og de objektene (5 instanser av klassen Person) som er tilgjengelige fra den, dvs som programmet kan nå ved å følge pekerne. Oppgave: Skriv et javaprogram som oppretter denne datastrukturen. Bruk klassene skissert på forrige side.

15 Forenklet listeobjekt Jonathan Susanne Imran Nikita Adnan personliste Samme datastrukturfigur som på forrige side, men tegnet med forenklede personobjekter. I tillegg har vi i personlisteobjektet tegnet inn 4 metoder. Dette er et naturlig sted (med denne strukturen) å legge de metodene som skal manipulere personlista (utføre listeoperasjoner finne, fjerne, endre, legge til... personobjekter). Overskriften tyder på at vi her betrakter det som ser ut som 6 objekter som ett. Dette fordi vi kan tenke oss at lista ligger inne i objektet av klassen Personer (det med metodene). Oppgave: Hvor mange objekter skulle det vært i tegningen om vi hadde tegnet den så detaljert som mulig?

16 Hvilke operasjoner trenger vi? sette inn en ny person finne en person fjerne en person bytte om to personer... class Personer { Person personliste ; } void setteinnperson ( Person inn ) { } ; void finneperson ( Person p ) { } ; void tautperson ( Person ut ) { } ; //...

17 Innsetting først sist sortert etter en attributtverdi prioritet tid i lista Før vi kan bestemme det, må vi vite hvordan lista skal administreres? F.eks. om den skal være FIFO eller LIFO. Hvis vi ikke vet det, kan vi lage flere innsettingsmetoder.

18 Innsetting først (LIFO) void settinnpersonforst ( Person inn ) { \\ Hvis l i s t a er tom, sett inn objektet i f ( personliste == null ) personliste = inn ; else { \\ minst et objekt i l i s t a inn. nesteperson = personliste ; personliste = inn } } Hvorfor må vi ha if-testen? Tegn datastruktur og sjekk at metoden setter inn objektet først, før du ser på forklaringen på de neste sidene.

19 Innsetting etter et bestemt objekt /* * Setter personobjektet i inn etter personobjektet e * Hverken i e l l e r e er NULL. e Personobjektet som skal ha i som neste i Personobjektet som skal inn etter e */ void settinnpersonetter ( Person e, Person i ) { i. nesteperson = e. nesteperson ; e. nesteperson = i ; } e i

20 Innsetting etter et bestemt objekt e i i. nesteperson = e. nesteperson ; e i

21 Innsetting etter et bestemt objekt e i e. nesteperson = i ; e i

22 Innsetting etter et bestemt objekt Strukturen etter at metoden er ferdig: Vi flytter litt på objektene:

23 Innsetting sist (FIFO) void settinnpersonsist ( Person inn ) { \\ Hvis l i s t a er tom, sett inn objektet først i f ( personliste == null ) personliste = inn ; else { \\ finne siste element i l i s t a Person p = personliste ; while (p. nesteperson!= null ) p = p. nesteperson ; \\ her er p. nesteperson==null, altså er p siste p. nesteperson = inn } } Metoden har ikke direkte adgang (peker) til siste objekt. Må derfor lete seg fram til siste element. Her ved å bruke en while-løkke. Kunne vi tenke oss en enklere struktur slik at vi slapp dette?

24 Peker til siste element i lista Person Person Person Person Person nesteperson String navn nesteperson String nesteperson String nesteperson String nesteperson String Jonathan Susanne Imran Nikita Elisabeth navn navn navn navn null Person personliste Person sisteperson Et objekt av klassen Personer Innsetting kan skje i to skritt.

25 Tilleggskrav Eksempel på tilstandspåstander til lister: lista inneholder bare unike elementer lista er aldri tom lista har aldri mer enn k elementer objektene er alltid sortert Hjelper oss med å forstå hvordan metodene som manipulerer lista skal virke, men kan også gjøre programmeringen mer omfattende. Kan være lurt å innføre ekstra struktur, tellere og pekere. Generelt er tilstandspåstander ikke noe annet enn en påstand (sann eller gal) om tilstanden i programmet på et gitt sted, f.eks. etter en tilordning eller før et metodekall. En datastrukturtegning er et eksempel på en tilstandspåstand.

26 Skrive ut alle personene i lista // I klassen Personer : void skrivalle ( ) { Person p = personliste ; while (p!= null ) { p. skriv ( ) ; p = p. nesteperson ; } } // I klassen Person : void skriv ( ) { System. out. println (... ) ; } Legg merke til at metoden skrivalle er i klassen (instanser av klassen) Personer, mens metoden skriv er i alle (egentlig ikke alle, men vi kan alltid tenke og tegne sånn) objekter som er instanser av klassen Person, dvs. i alle personobjekter. skrivalle «løper gjennom» eller traverserer hele lista. Slike utskriftsmetoder er svært nyttige, ja nødvendige, når vi skriver og tester programmer på lenkelister, f.eks. i forbindelse med en oblig.

27 Lister er mer enn en mengde tellbarhet (endelig antall objekter) rekkefølge ikke nødvendigvis bare unike elementer hvor i lista kommer nye elementer (køregler) hvor tas elementer ut (køregler) Mengder implementeres likevel ofte som lister, men da slik at egenskapene over skjules. I mengder spiller ikke rekkefølgen noen rolle. Det er ikke noe første eller siste objekt i mengden. Et element er enten med i mengden eller ikke. Hvis rekkefølge ikke spiller noen rolle og køregler ikke er definert, er det enklest å implementere lista (mengden) LIFO (se nedenfor).

28 Lister med køregler køer inn ut ut FIFO (kø) Først inn først LIFO (stabel) Sist inn først ut inn

29 FIFO First In First Out (kø) Nyeste inn sist Eldste ligger først Eldste (første) er neste som betjenes (fjernes) Nyeste (siste) må vente lengst En FIFO-liste er en kø som har køregler som en «billettkø». Elementene rangeres etter hvor lang tid de har «stått i køen», slik at den står for tur som har stått lengst. En liste som administreres slik, kalles også «rettferdig kø». Eller bare «kø». (engelsk queue).

30 LIFO Last In First Out (stabel) Nyeste inn først (øverst) Eldste ligger sist, bakerst (underst) Nyeste (øverste) er neste som betjenes (fjernes) Eldste (underste) må vente lengst En LIFO-liste er en «kø» som har omvendte køregler i forhold til en FIFO-liste. Elementene rangeres etter hvor lang tid de har «stått i køen», slik at den står for tur som kom inn i køen sist. En liste som administreres slik, kan kalles en stabel (ref. tallerkenstabel), fordi elementet som kom sist ligger øverst og er det første til å tas ut. Muntlig brukes oftere det engelske stack.

31 Valg av datastruktur array hashmap liste (fil) binærtre (søketre) annen grafstruktur Ethvert valg gir noen fordeler og noen ulemper.

32 Perspektiv Husk perspektivet. Man kan ikke se alt med et blikk. I en sammensatt datastruktur med mange objekter, er det fruktbart å skifte perspektiv fra det detaljerte, til det mer generelle, og tilbake. F.eks. vil vi noen ganger betrakte enkeltelementene i en liste som enkeltobjekter, andre ganger vil vi betrakte hele lista med tilhørende operasjoner som ett objekt. Begge måter er objektorienterte, men perspektivet skifter. I datastrukturtegningene har vi sett at vi i tellgg til å forenkle, også utelater viktige elementer som f.eks. klassedatastrukturen der main-metoden ligger. Dette av pedagogiske grunner, for mange detaljer kan forvirre. Men da er det viktig at man vet hva som er perspektivet til figuren. Er du i tvil, spør!

33 Objektorientering «alt» er objekter informasjonsskjuling innkapsling generiske typer arv og polymorfisme Husk at et objekt er en instans av en klasse. Flere av begrepene ovenfor har vi ikke gått igjennom ennå. Men det kommer. INF1010 har tittel objektorientert programmering. Å forklare med få ord og definisjoner hva objektorientert programmering er, er ikke mulig. Hele INF1010 dreier seg til sist om det.