Das Collection-Framework von JAVA

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Das Collection-Framework von JAVA
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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.

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Struktur des Collection-Frameworks
HashSet
TreeSet
ArrayList
LinkedList
LinkedHashSet
Vector
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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.

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Methoden des Interfaces Collection

• public boolean add/remove/contains(Object o)Hinzu
  fügen/Löschen/Existenztest eines Objektes
• public boolean addAll/removeAll/containsAll(Collec
  tion 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

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• 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.

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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.

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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.

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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.

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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).

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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 indexhashCode
  Listenanzahl
• In den Listen wird dann sequentiell gesucht.

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Hashcode
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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
  capacityloadFactor wird eine neue HashTabelle
  aufgebaut, wobei capacity die aktuelle Kapazität
  der HashSet ist.

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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.

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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 snew Student("Yildiz","Gülsüm",42)
• System.out.println(seminar.add(s))
• 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(
  ))

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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.

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Neue Methoden im Interface List

• public void add (int index, Object element)Hinzuf
  ügen 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)Erset
  zen des Elements an der Position index.
• public int indexOf/lastIndexOf(Object o)Sucht
  das erste/letzte Vorkommen des Elements o in der
  Liste.

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• public ListIterator listIterator()Erzeugt einen
  ListIterator, der alle Elemente der Liste in der
  gegebenen Reihenfolge enthält.
• public ListIterator listIterator(int index)Erzeug
  t 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
  Anweisunglist.subList(from, to).clear()einen
  ganzen Bereich der Originalliste.
• Zusätzlich zu den optionalen Methoden des
  Interfaces Collection ist die Methode set
  optional.

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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 Methodeprotected void
  removeRange(int fromIndex, int toIndex)löscht
  alle Elemente von fromIndex bis (toIndex-1)

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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.

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Implementation von ArrayList

• Die Elemente werden in einem Object
  gespeichert.
• Zum Kopieren des Feldes bei Änderungen wird die
  Methode System.arraycopy verwendet.

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Konstruktoren von ArrayList

• public ArrayList()
• public ArrayList(Collection c)
• public ArrayList(int initialCapacity)erzeugt
  eine ArrayList mit der Kapazität initalCapacity

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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.

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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

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Beispiel

• Seminar mit TreeList
• Einzige ÄnderungCollection 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 werdenList seminar new
  ArrayList()
• Dann kann die List auch rückwärts gelesen werden
  und es können Element hinzugefügt werden.

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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 Mehodepublic abstract ListIterator
  listIterator(int index)erzeugt einen
  ListIterator, der die Element beginnend mit dem
  Index index enthält.

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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.

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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.

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Konstruktoren und Methoden von LinkedList

• Konstruktoren
• 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

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Beispiel

• Seminar als LinkedList
• Einzige erforderliche ÄnderungCollection
  seminar new LinkedList()
• Falls man Zugriff auf spezielle Methoden der
  LinkedList benötigt, muss manLinkedList seminar
  new LinkedList()nutzen.

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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.

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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)g
  ibt 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

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Das Interface Comparable

• Das Interface Comparable definiert genau eine
  Methodepublic 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)gt0
  y.compareTo(z)gt0 ? x.compareTo(z)gt0
• x.compareTo(y)0 ? sgn(x.compareTo(z))
  sgn(y.compareTo(z))

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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)
...
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Das Interface Comparator

• Definiert folgende Methodepublic int
  compare(Object o1, Object o2)vergleicht die
  Objekte o1 und o2 miteinander. Die zu erfüllenden
  Bedingungen entsprechen denen von
  Comparable.compareTo .

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Beispiel StudentCompare
import java.util. public class StudentCompare
implements Comparator public int
compare(Object o1, Object o2) return
(int)( ((Student)o1).matrikelNummer- ((Student)o
2).matrikelNummer)
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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)).

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Implementierung von TreeSet

• TreeSet wird als binärer Baum implementiert.