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Kapitel 6: Objektorientierung

2014-01-29T09:42:38Z

TP59kripke:

Bis jetzt haben wir Aufgaben durch einfaches Hintereinaderausführen von Befehlen (inklusive der bekannten Kontrollstrukturen) gelöst. Diese Art der Programmierung bezeichnet man als '''imperative Programmierung'''. Diese Form der Programmierung ist geeignet für Probleme, die in vorhersehbarer Weise ablaufen, so wie es i.d.R. bei mathematischen Problemen der Fall ist. Ist das Verhalten verschiedener Teile eines Modells nicht so genau vorherzusagen, dann sollte man auf das Paradigma der '''objektorientierten Programmierung''' zurückgreifen. Unter Objektorientierung versteht man eine Modellierung komplexer Systeme, bei der ein System durch ein Zusammenspiel verschiedener Objekte beschrieben wird. Der Begriff Objekt ist dabei unscharf gefasst: ausschlaggebend an einem Objekt ist nur, dass ihm bestimmte '''Attribute''' (Eigenschaften) und '''Methoden''' zugeordnet sind und dass es in der Lage ist, von anderen Objekten Informationen zu empfangen beziehungsweise an diese zu senden. Objekte müssen dabei nicht gegenständlich (konkret) sein, sondern können auch mehr oder weniger abstrakt sein. Entscheidend dabei ist, dass das Grundkonzept der Objektorientierung (Objekte mit bestimmten Eigenschaften und Methoden) sinnvoll umgesetzt werden kann. Programmiertechnisch entspricht diesem Ansatz das Konzept der '''Klasse''', in der Objekte aufgrund ähnlicher Eigenschaften zusammengefasst werden. Ein Objekt wird im Programmcode als '''Instanz''' einer Klasse definiert.

Die wichtigsten Vorteile der objektorientierten Programmierung sind:

* Aufteilung von komplexen Softwaresystemen in kleine, einfache, in sich geschlossene Einheiten,
* einfache und klar verständliche Schnittstellen zwischen den einzelnen Einheiten,
* weitgehende Vermeidung von Programmierfehlern beim Zusammenspiel zwischen den Komponenten,
* geringer Programmieraufwand durch die Wiederverwendung von Elementen.

Je kleiner und einfacher die Objekte und Klassen und die Schnittstellen zwischen ihnen gewählt werden, desto besser werden diese Ziele erreicht. Unter Schnitstellen versteht man dabei die Beschreibung, wie Klassen oder Methoden benutzt werden können, ohne dass dabei ihre Implementierung sichtbar wird. Wir kennen eine derartige Beschreibung bereits aus der Nutzung von ''packages'' wie '''''java.lang.Math'''''.

Der konkrete Modellierung eines Problems der realen Welt als eines Systems von Objekten hängt davon ab, welchen Zweck das Modell erfüllen soll. Ein Autohändler wird sicher andere Attribute eines Autos für wichtig halten als ein Autohersteller. Auch wird ein Autohändler sich mit dem Attribut "Farbe" oder "Lackierung" begnügen um ein Auto näher zu charakterisieren, während ein Autohersteller die Farben/Lackierungen in einer eigenen Klasse mit eigenen Attributen zusammenfassen wird. Dementsprechend steht am Anfang des Prozesses der Softwareerstellung die Überlegung, aus welchen Objekten und Klassen eine Aufgabenstellung besteht, und welche Eigenschaften und Aktionen diese Objekte haben - vorerst noch unabhängig von der verwendeten Programmiersprache. Man bezeichnet diesen Schritt als '''Objekt-orientierte Analyse''' (OOA).

<big>[[Aufgaben 6.1.]]</big>

Das Paradigma der objektorientierten Programmierung ruht auf vier Säulen:
* Beziehungen
* Vererbung
* Kapselung
* Polymorphismus

'''Beziehungen''' 
Objekte und Klassen existieren nicht für sich allein, sondern stehen in Beziehung zueinander:
::- sie sind sich ähnlich (haben Gemeinsamkeiten) ('''Generalisierung/Spezialisierung''')
::- sie enthalten einander ('''Aggregation/Komposition''')

'''Vererbung''' 
Die Vererbung dient dazu, ausgehend von existierenden Klassen neue Klassen zu schaffen, wobei die Beziehung zwischen ursprünglicher und neuer Klasse dauerhaft ist. Eine neue Klasse kann dabei eine Erweiterung oder eine Einschränkung der ursprünglichen Klasse sein. Beispiel: Die Klasse ''Quadrat'' erbt einen Großteil der Eigenschaften der Klasse ''Rechteck'', ebenso die Klasse ''Kreis'' einen Großteil der Eigenschaften der Klasse ''Ellipse''.

'''Kapselung''' 
Unter Kapselung versteht man den Schutz von Klassen und Attributen vor unerwünschtem Zugriff. Jedes Objekt ist sozusagen von einer Kapsel umgeben, die Daten und Methoden des Objekts schützt. Die Kapsel verbirgt die Teile des Objekts, die von außen nicht oder nur durch bestimmte andere Objekte erreichbar sein sollen. Die Stellen, an denen die Kapsel durchlässig ist, sind die oben erwähnten Schnittstellen.

'''Polymorphismus''' 
Der Polymorphismus macht es möglich, dass verschiedene Unterklassen dieselbe Botschaft verstehen, obwohl die technische Umsetzung der Reaktion auf diese Botschaft völlig unterschiedlich sein kann. Auf die Botschaft "bremsen" können sowohl Objekte vom Typ "Fahrrad" als auch vom Typ "LkW", die beide zur Oberklasse "Fahrzeug" gehören, reagieren, und das Resultat ist bei beiden vergleichbar, nämlich, dass die Geschwindigkeit verringert wird. Allerdings sind die Handgriffe, die hierzu erforderlich sind, bei beiden Objekten sehr unterschiedlich.

Aufgaben 2.1.

2013-10-13T18:43:27Z

TP59kripke:

Zur Lösung der Aufgaben soll folgendes Grundgerüst verwendet werden:

<pre>
import java.util.Scanner;

public class Aufgaben_2_1{

//Beispielaufgabe Addieren
public void addieren(){
Scanner eingabe = new Scanner (System.in);
System.out.print ("Geben Sie die erste Zahl ein: ");
int z1 = eingabe.nextInt();
System.out.print ("Geben Sie die zweite Zahl ein: ");
int z2 = eingabe.nextInt();
int add = z1 + z2;
System.out.println("Die Summe aus "+z1+" und "+z2+" lautet: "+add);
}

}
</pre>

Erläuterungen:
* Mit ''import java.util.Scanner'' wird ein sogenanntes Package importiert, das die Möglichkeit bietet, Zahlen oder Text auf der Konsole einzugeben. ([http://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/api/java/util/Scanner.html Dokumentation der Klasse Scanner])
* Mit ''Scanner eingabe = new Scanner (System.in)'' wird ein Scanner-Objekt mit dem Namen ''eingabe'' erzeugt, das die Verwendung der benötigten Eingabemethoden ermöglicht.
* Die Eingabe erfolgt nach folgendem Schema:
<pre>
System.out.print ("Geben Sie die erste Zahl ein: "); // Der Text zwischen den Anführungszeichen kann beliebig sein
int zahl1 = eingabe.nextInt(); // für ganze Zahlen
double zahl2 = eingabe.nextDouble(); // für Fließkommazahlen
String ein = eingabe.next(); // für Zeichenketten
</pre>
* Der Wert wird nach der ausgegebenen Eingabeaufforderung eingegeben. Nach Betätigen der ENTER-Taste wird der jeweilige Wert der entsprechenden Variable zugewiesen.

'''Aufgabe 2.1.1.''' (Kreisberechnung)

Erstelle eine Methode '''''public void kreisberechnung()''''', die nach Eingabe des Radius den Umfang und den Inhalt des Kreises berechnet und auf der Konsole ausgibt. Pi kann mit dem gerundeten Wert ''3.1415926'' verwendet werden.

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.1|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.2''' ("Mondbremse")

Aufgrund der Gezeitenkräfte des Mondes wird die Rotation der Erde abgebremst. Als Folge daraus verlängern sich in den nächsten 1000 Jahren die Tage jedes Jahres um 0.0016 Sekunden. Erstelle eine Methode '''''public void mondbremse()''''', die nach Eingabe des Kalenderjahres angibt, um wieviel länger der Tag im Vergleich zu heute dauert. (Achtung: Typumwandlung nicht vergessen!)

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.2|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.3.''' ("Temperaturumrechnung")

Erstelle eine Methode '''''public void umrechnung_F_C ()''''', die die eingegebene Temperatur von Fahrenheit in Celsius umrechnet und ausgibt. Die Umrechnungsformel lautet: C=5/9(F-32). Vorsicht mit den verwendeten Datentypen, da sonst als Ergebnis immer 0.0 erscheinen wird! (Kontrolle: 212 Grad Fahrenheit entsprechen 100 Grad Celsius.)

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.3|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.4.''' ("Zinsrechnung")

Erstelle eine Methode '''''public void zinsrechnung()''''', die nach Eingabe von Kapital und Zinssatz (in Prozent) das Kapital nach einem Jahr berechnet. Erweitere anschließend das Programm um die Ausgabe des Kapitals nach zwei Jahren.

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.4|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.5.''' ("Bogenmaß") 
Erstelle eine Methode '''''public void Bogenmaß()''''', die einen Winkel von Grad nach Bogenmaß umrechnet. Tipp: Die Funktion '''''Math.round(x)''''' rundet auf die nächste ganze Zahl auf oder ab. 
(Kontrolle: 180° entsprechen 3,141) 
[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.5|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.6.''' ("Inchumrechnung") 
Erstelle eine Methode '''''public void inchUmrechnung()''''', die von der Einheit Inch nach cm umrechnet.
(Kontrolle: 1cm entsprechen 2,54)

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.6|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.7.''' ("Prozentumrechnung") 
Erstelle eine Methode '''''public void Prozentumrechnung()''''' die durch Eingabe des Gesamtenbetrags und des Teilbetrags den prozentualen Anteil des Gesamtbetrags berechnet.

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.7.|Lösungsvorschlag]]

Aufgaben 2.1.

2013-10-13T18:41:55Z

TP59kripke:

Zur Lösung der Aufgaben soll folgendes Grundgerüst verwendet werden:

<pre>
import java.util.Scanner;

public class Aufgaben_2_1{

//Beispielaufgabe Addieren
public void addieren(){
Scanner eingabe = new Scanner (System.in);
System.out.print ("Geben Sie die erste Zahl ein: ");
int z1 = eingabe.nextInt();
System.out.print ("Geben Sie die zweite Zahl ein: ");
int z2 = eingabe.nextInt();
int add = z1 + z2;
System.out.println("Die Summe aus "+z1+" und "+z2+" lautet: "+add);
}

}
</pre>

Erläuterungen:
* Mit ''import java.util.Scanner'' wird ein sogenanntes Package importiert, das die Möglichkeit bietet, Zahlen oder Text auf der Konsole einzugeben. ([http://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/api/java/util/Scanner.html Dokumentation der Klasse Scanner])
* Mit ''Scanner eingabe = new Scanner (System.in)'' wird ein Scanner-Objekt mit dem Namen ''eingabe'' erzeugt, das die Verwendung der benötigten Eingabemethoden ermöglicht.
* Die Eingabe erfolgt nach folgendem Schema:
<pre>
System.out.print ("Geben Sie die erste Zahl ein: "); // Der Text zwischen den Anführungszeichen kann beliebig sein
int zahl1 = eingabe.nextInt(); // für ganze Zahlen
double zahl2 = eingabe.nextDouble(); // für Fließkommazahlen
String ein = eingabe.next(); // für Zeichenketten
</pre>
* Der Wert wird nach der ausgegebenen Eingabeaufforderung eingegeben. Nach Betätigen der ENTER-Taste wird der jeweilige Wert der entsprechenden Variable zugewiesen.

'''Aufgabe 2.1.1.''' (Kreisberechnung)

Erstelle eine Methode '''''public void kreisberechnung()''''', die nach Eingabe des Radius den Umfang und den Inhalt des Kreises berechnet und auf der Konsole ausgibt. Pi kann mit dem gerundeten Wert ''3.1415926'' verwendet werden.

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.1|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.2''' ("Mondbremse")

Aufgrund der Gezeitenkräfte des Mondes wird die Rotation der Erde abgebremst. Als Folge daraus verlängern sich in den nächsten 1000 Jahren die Tage jedes Jahres um 0.0016 Sekunden. Erstelle eine Methode '''''public void mondbremse()''''', die nach Eingabe des Kalenderjahres angibt, um wieviel länger der Tag im Vergleich zu heute dauert. (Achtung: Typumwandlung nicht vergessen!)

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.2|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.3.''' ("Temperaturumrechnung")

Erstelle eine Methode '''''public void umrechnung_F_C ()''''', die die eingegebene Temperatur von Fahrenheit in Celsius umrechnet und ausgibt. Die Umrechnungsformel lautet: C=5/9(F-32). Vorsicht mit den verwendeten Datentypen, da sonst als Ergebnis immer 0.0 erscheinen wird! (Kontrolle: 212 Grad Fahrenheit entsprechen 100 Grad Celsius.)

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.3|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.4.''' ("Zinsrechnung")

Erstelle eine Methode '''''public void zinsrechnung()''''', die nach Eingabe von Kapital und Zinssatz (in Prozent) das Kapital nach einem Jahr berechnet. Erweitere anschließend das Programm um die Ausgabe des Kapitals nach zwei Jahren.

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.4|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.5.''' ("Bogenmaß") 
Erstelle eine Methode '''''public void Bogenmaß()''''', die einen Winkel von Grad nach Bogenmaß umrechnet. Tipp: Die Funktion '''''Math.round(x)''''' rundet auf die nächste ganze Zahl auf oder ab. 
(Kontrolle: 180° entsprechen 3,141) 
[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.5|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.6.''' ("Inchumrechnung") 
Erstelle eine Methode '''''public void inchUmrechnung()''''', die von der Einheit Inch nach cm umrechnet.
(Kontrolle: 1cm entsprechen 2,54)

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.6|Lösungsvorschlag ]]

'''Aufgabe 2.1.7.''' ("Prozentumrechnung") 
Erstelle eine Methode die durch Eingabe des Gesamtenbetrags und des Teilbetrags den prozentualen Anteil des Gesamtbetrags berechnet.

[[Lösungsvorschlag Aufgabe 2.1.7.|Lösungsvorschlag]]

Lösungsvorschlag Exkurs Math - Aufgabe 3

2013-10-11T21:52:35Z

TP59kripke: Die Seite wurde neu angelegt: „<pre> public void Zylinder(){ Scanner eingabe = new Scanner (System.in); System.out.print("Geben sie den Radius der Kreisfläche ein: "); double r= eingabe.next…“

<pre>

public void Zylinder(){
Scanner eingabe = new Scanner (System.in);
System.out.print("Geben sie den Radius der Kreisfläche ein: ");
double r= eingabe.nextInt();
System.out.print("Geben sie die Höhe des Zylinders ein: ");
double h=eingabe.nextInt();
double V=Math.floor(Math.pow(r,2)*Math.PI*h);
double O=Math.floor(2*Math.pow(r,2)*Math.PI+2*r*Math.PI*h);
System.out.println("Die Oberfläche des Zylinders beträgt "+O+" Das Volumen beträgt "+V+"");
}

</pre>

Exkurs: Mathematische Funktionen mit java.lang.Math

2013-10-11T21:50:27Z

TP59kripke:

Eine der großen Stärken von Java sind vordefinierte Klassen, die in einer Bibliothek bzw. einem ''package'' mitgeliefert werden. Ein typisches Beispiel für so eine vordefinierte Klasse ist die Klasse '''Math''', die im ''package'' '''java.lang''' enthalten ist. Die Sprache Java selbst sieht nur einfache arithmetische Operationen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation etc. vor. Schon bei einfachen mathematischen Formeln müssen wir aber kompliziertere mathematische Funktionen verwenden wie z.B. Quadratwurzel, Sinus oder Cosinus. Die Designer von Java haben sich entschlossen, diese komplexeren mathematischen Funktionen in eine spezielle Klasse namens '''Math''' zu packen. Die Klassen von '''java.lang''' werden immer automatisch vom Java-Compiler verfügbar gemacht, so dass das ''package'' nicht importiert werden muss.

[http://docs.oracle.com/javase/6/docs/api/java/lang/Math.html Dokumentation der Klasse java.lang.Math]

Beispiele für die Verwendung von Methoden der Klasse '''Math''':

{| class="wikitable" border="1"
|-
! Funktion
! Methode
|-
| Kreiszahl Pi
| Math.PI
|-
| Quadratwurzel von x
| Math.sqrt(x)
|-
| Potenz: x hoch a
| Math.pow(x,a)
|-
| Winkelfunktionen (sin, cos, tan)
| Math.sin(x)
|-
| Rundung
| Math.round(x)
|-
| Aufrunden
| Math.ceil(x)
|-
| Abrunden
| Math.floor(y)
|}

'''Anwendungen'''

Beispiel 1:

<pre>
public void wurzelBerechnen(){
Scanner eingabe = new Scanner (System.in);
System.out.print ("Geben Sie eine Zahl ein: ");
int x = eingabe.nextInt();
System.out.println("Die Wurzel von "+x+" ist "+Math.sqrt(x));
}
</pre>

Beispiel 2:

<pre>
public void gerundeteWurzel(){
Scanner eingabe = new Scanner (System.in);
System.out.print ("Geben Sie eine Zahl ein: ");
int x = eingabe.nextInt();
System.out.println("Die gerundete Wurzel von "+x+" ist "+Math.round(Math.sqrt(x)));
}
</pre>

'''Aufgabe 1'''

Erstelle eine Methode '''public void pythagoras()''', die nach Eingabe der Seitenlänge der beiden Katheten eines rechtwinkligen Dreiecks die Länge der Hypotenuse berechnet.

[[Lösungsvorschlag Exkurs Math - Aufgabe 1 | Lösungsvorschlag]]

'''Aufgabe 2'''

Erstelle eine Methode '''public void kugel()''', die nach Eingabe des Radius das Volumen und die Oberfläche der entsprechenden Kugel berechnet. ('''Achtung:''' Bei der Berechnung des Volumens lauert eine böse "Datentypfalle" !!)

[[Lösungsvorschlag Exkurs Math - Aufgabe 2 | Lösungsvorschlag]]

'''Aufgabe 3'''

Erstelle eine Methode '''Public void Zylinder()''', die nach Eingabe des Radius und der Höhe das Volumen und die Oberfläche des entsprechenden Zylinders berechnet.

[[Lösungsvorschlag Exkurs Math - Aufgabe 3 | Lösungsvorschlag]]