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Professionelle Bücher. Auch für Einsteiger.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1 Java ist auch eine Sprache
2 Sprachbeschreibung
3 Klassen und Objekte
4 Der Umgang mit Zeichenketten
5 Eigene Klassen schreiben
6 Exceptions
7 Generics<T>
8 Äußere.innere Klassen
9 Besondere Klassen der Java SE
10 Architektur, Design und angewandte Objektorientierung
11 Die Klassenbibliothek
12 Bits und Bytes und Mathematisches
13 Datenstrukturen und Algorithmen
14 Threads und nebenläufige Programmierung
15 Raum und Zeit
16 Dateien, Verzeichnisse und Dateizugriffe
17 Datenströme
18 Die eXtensible Markup Language (XML)
19 Grafische Oberflächen mit Swing
20 Grafikprogrammierung
21 Netzwerkprogrammierung
22 Verteilte Programmierung mit RMI
23 JavaServer Pages und Servlets
24 Datenbankmanagement mit JDBC
25 Reflection und Annotationen
26 Dienstprogramme für die Java-Umgebung
A Die Begleit-DVD
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Java ist auch eine Insel von Christian Ullenboom
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Rheinwerk Computing
ISBN 978-3-8362-1506-0
Pfeil 13 Datenstrukturen und Algorithmen
  Pfeil 13.1 Datenstrukturen und die Collection-API
    Pfeil 13.1.1 Designprinzip mit Schnittstellen, abstrakten und konkreten Klassen
    Pfeil 13.1.2 Die Basis-Schnittstellen Collection und Map
    Pfeil 13.1.3 Das erste Programm mit Container-Klassen
    Pfeil 13.1.4 Die Schnittstelle Collection und Kernkonzepte
    Pfeil 13.1.5 Schnittstellen, die Collection erweitern, und Map
    Pfeil 13.1.6 Konkrete Container-Klassen
    Pfeil 13.1.7 Welche Container-Klasse nehmen?
    Pfeil 13.1.8 Generische Datentypen in der Collection-API
    Pfeil 13.1.9 Die Schnittstelle »Iterable« und das erweiterte »for«
  Pfeil 13.2 Mit einem Iterator durch die Daten wandern
    Pfeil 13.2.1 Die Schnittstellen Enumeration und Iterator
    Pfeil 13.2.2 Iteratoren von Sammlungen und das erweiterte »for«
    Pfeil 13.2.3 Fail-Fast-Iterator und die ConcurrentModificationException
  Pfeil 13.3 Listen
    Pfeil 13.3.1 Auswahlkriterium ArrayList oder LinkedList
    Pfeil 13.3.2 Die Schnittstelle List
    Pfeil 13.3.3 ListIterator *
    Pfeil 13.3.4 ArrayList
    Pfeil 13.3.5 LinkedList
    Pfeil 13.3.6 Der Feld-Adapter »Arrays.asList()«
    Pfeil 13.3.7 »toArray()« von Collection verstehen – die Gefahr einer Falle erkennen
    Pfeil 13.3.8 Primitive Elemente in den Collection-Datenstrukturen
  Pfeil 13.4 Datenstrukturen mit Ordnung
    Pfeil 13.4.1 Algorithmen mit Such- und Sortiermöglichkeiten
    Pfeil 13.4.2 Den größten und kleinsten Wert einer Collection finden
    Pfeil 13.4.3 Sortieren
  Pfeil 13.5 Mengen (Sets)
    Pfeil 13.5.1 HashSet
    Pfeil 13.5.2 TreeSet – die Menge durch Bäume
    Pfeil 13.5.3 LinkedHashSet
  Pfeil 13.6 Stack (Kellerspeicher, Stapel)
    Pfeil 13.6.1 Die Methoden von »Stack«
    Pfeil 13.6.2 Ein »Stack« ist ein »Vector« – aha!
  Pfeil 13.7 Queues (Schlangen) und Deques
    Pfeil 13.7.1 Die Schnittstelle »Queue«
    Pfeil 13.7.2 Blockierende Queues und Prioritätswarteschlangen
    Pfeil 13.7.3 »Deque«-Klassen
  Pfeil 13.8 Assoziative Speicher
    Pfeil 13.8.1 Die Klassen »HashMap« und »TreeMap«
    Pfeil 13.8.2 Einfügen und Abfragen der Datenstruktur
    Pfeil 13.8.3 Über die Bedeutung von »equals()«, »hashCode()«
    Pfeil 13.8.4 IdentityHashMap
    Pfeil 13.8.5 Das Problem von veränderten Elementen
    Pfeil 13.8.6 Aufzählungen und Ansichten des Assoziativspeichers
    Pfeil 13.8.7 Der Gleichheitstest, Hash-Wert und Klon einer Hash-Tabelle*
    Pfeil 13.8.8 Die Arbeitsweise einer Hash-Tabelle *
  Pfeil 13.9 Die Properties-Klasse
    Pfeil 13.9.1 Properties setzen und lesen
    Pfeil 13.9.2 Properties verketten
    Pfeil 13.9.3 Hierarchische Eigenschaften
    Pfeil 13.9.4 Eigenschaften ausgeben *
    Pfeil 13.9.5 Properties laden und speichern
  Pfeil 13.10 Algorithmen in Collections
    Pfeil 13.10.1 Nicht-änderbare Datenstrukturen
    Pfeil 13.10.2 Null Object Pattern und leere Sammlungen zurückgeben
    Pfeil 13.10.3 Mit der Halbierungssuche nach Elementen fahnden
    Pfeil 13.10.4 Ersetzen, Kopieren, Füllen, Umdrehen, Rotieren, Durchmischen *
    Pfeil 13.10.5 Häufigkeit eines Elements *
    Pfeil 13.10.6 nCopies() *
    Pfeil 13.10.7 Singletons *
  Pfeil 13.11 Synchronisation der Datenstrukturen
    Pfeil 13.11.1 Lock-free-Algorithmen aus java.util.concurrent
    Pfeil 13.11.2 Wrapper zur Synchronisation
    Pfeil 13.11.3 »CopyOnWriteArrayList« und »CopyOnWriteArraySet«
  Pfeil 13.12 Die Klasse »BitSet« für Bitmengen *
    Pfeil 13.12.1 Ein »BitSet« anlegen, füllen und erfragen
    Pfeil 13.12.2 Mengenorientierte Operationen
    Pfeil 13.12.3 Methodenübersicht
    Pfeil 13.12.4 Primzahlen in einem BitSet verwalten
  Pfeil 13.13 Zum Weiterlesen

»Überlege einmal, bevor du gibst, zweimal, bevor du annimmst, und tausendmal, bevor du verlangst.« – Marie von Ebner-Eschenbach (1830–1916)

13 Datenstrukturen und Algorithmen

Algorithmen [Das Wort »Algorithmus« geht auf den persisch-arabischen Mathematiker Ibn Mûsâ Al-Chwârismî zurück, der im 9. Jahrhundert lebte. ] sind ein zentrales Thema der Informatik. Ihre Erforschung und Untersuchung nimmt dort einen bedeutenden Platz ein. Algorithmen operieren nur dann effektiv mit Daten, wenn diese geeignet strukturiert sind. Schon das Beispiel Telefonbuch zeigt, wie wichtig die Ordnung der Daten nach einem Schema ist. Die Suche nach einer Telefonnummer bei gegebenem Namen gelingt schnell, während die Suche nach einem Namen bei bekannter Telefonnummer ein mühseliges Unterfangen darstellt. Datenstrukturen und Algorithmen sind also eng miteinander verbunden, und die Wahl der richtigen Datenstruktur entscheidet über effiziente Laufzeiten; beide erfüllen allein nie ihren Zweck. Leider ist die Wahl der »richtigen« Datenstruktur nicht so einfach, wie es sich anhört, und eine Reihe von schwierigen Problemen in der Informatik ist wohl deswegen noch nicht gelöst, weil eine passende Datenorganisation bis jetzt nicht gefunden wurde.

Die wichtigsten Datenstrukturen, wie Listen, Mengen, Kellerspeicher und Assoziativspeicher, sollen in diesem Kapitel vorgestellt werden. In der zweiten Hälfte des Kapitels wollen wir uns dann stärker den Algorithmen widmen, die auf diesen Datenstrukturen operieren.


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13.1 Datenstrukturen und die Collection-API  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Dynamische Datenstrukturen passen ihre Größe der Anzahl der Daten an, die sie aufnehmen. Schon in Java 1.0 brachte die Standard-Bibliothek fundamentale Datenstrukturen mit, aber erst mit Java 1.2 wurde mit der Collection-API der Umgang mit Datenstrukturen und Algorithmen auf eine gute Basis gestellt. In Java 5 gab es große Anpassungen durch Einführung der Generics.


Sprachweise Ein Container ist ein Objekt, das wiederum Objekte aufnimmt und die Verantwortung für die Elemente übernimmt. Wir werden die Begriffe »Container«, »Sammlung« und »Collection« synonym verwenden.



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13.1.1 Designprinzip mit Schnittstellen, abstrakten und konkreten Klassen  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Das Design der Collection-Klassen folgt vier Prinzipien:

  • Schnittstellen legen Gruppen von Operationen für die verschiedenen Behältertypen fest. So gibt es zum Beispiel mit List eine Schnittstelle für Sequenzen (Listen) und mit Map eine Schnittstelle für Assoziativspeicher, die Schlüssel-Werte-Paare verbinden.
  • Abstrakte Basisklassen führen die Operationen der Schnittstellen auf eine minimale Zahl von als abstrakt deklarierten Grundoperationen zurück, etwa addAll() auf add() oder isEmpty() auf getSize(). (Mit den abstrakten Basisimplementierungen wollen wir uns nicht weiter beschäftigen. Sie sind interessanter, wenn eigene Datenstrukturen auf der Basis der Grundimplementierung entworfen werden.)
  • Konkrete Klassen für bestimmte Behältertypen beerben die entsprechende abstrakte Basisklasse und ergänzen die unbedingt erforderlichen Grundoperationen (und einige die Performance steigernde Abkürzungen gegenüber der allgemeinen Lösung in der Oberklasse). Sie sind in der Nutzung unsere direkten Ansprechpartner. Für eine Liste können wir zum Beispiel die konkrete Klasse ArrayList und als Assoziativspeicher die Klasse TreeMap nutzen.
  • Algorithmen, wie die Suche nach einem Element, gehören zum Teil zur Schnittstelle der Datenstrukturen. Zusätzlich gibt es mit der Klasse Collections eine Utility-Klasse mit weiteren Algorithmen.

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13.1.2 Die Basis-Schnittstellen Collection und Map  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Alle Datenstrukturen aus der Collection-API fußen entweder auf der Schnittstelle java.util.Collection (für Listen, Mengen, Schlangen) oder java.util.Map (für Assoziativspeicher). Durch die gemeinsame Schnittstelle erhalten alle implementierenden Klassen einen gemeinsamen Rahmen. Die Operationen lassen sich grob einteilen in:

  • Basisoperationen zum Erfragen der Elementanzahl und zum Hinzufügen, Löschen, Selektieren und Finden von Elementen
  • Mengenoperationen, um etwa andere Sammlungen einzufügen
  • Feldoperationen bei Collection, um die Sammlung in ein Array zu konvertieren, und bei Map Operationen, um alternative Ansichten von Schlüsseln oder Werten zu bekommen.

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13.1.3 Das erste Programm mit Container-Klassen  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Bis auf Assoziativspeicher implementieren alle Container-Klassen das Interface Collection und haben dadurch schon wichtige Methoden, um Daten aufzunehmen, zu manipulieren und auszulesen. Das folgende Programm erzeugt als Datenstruktur eine verkettete Liste, fügt Strings ein und gibt zum Schluss die Sammlung auf der Standardausgabe aus:

Listing 13.1  com/tutego/insel/util/MyFirstCollection.java, MyFirstCollection

public class MyFirstCollection
{
  private static void fill( Collection<String> c )
  {
    c.add( "Juvy" );
    c.add( "Tina" );
    c.add( "Joy" );
  }

  public static void main( String[] args )
  {
    List<String> c = new LinkedList<String>();
    fill( c );
    System.out.println( c );     // [Juvy, Tina, Joy]
    Collections.sort( c );
    System.out.println( c );     // [Joy, Juvy, Tina]
  }
}

Das Beispiel zeigt unterschiedliche Aspekte der Collection-API:

  • Seit Java 5 sind alle Datenstrukturen generisch deklariert. Statt new LinkedList() schreiben wir new LinkedList<String>().
  • Unserer eigenen statischen Methode fill() ist es egal, welche Collection wir ihr geben. Sie arbeitet nicht nur auf der LinkedList, sondern genauso auf einer ArrayList und auf Mengen (Set-Objekte), denn Set-Klassen implementieren ebenfalls Collection.
  • Einer Liste lässt sich mit add() füllen. Die Methode schreibt die Schnittstelle Collection vor und LinkedList realisiert die Operation aus der Schnittstelle.
  • Während Collection eine Schnittstelle ist, die von unterschiedlichen Datenstrukturen implementiert wird, ist Collections eine Utililty-Klasse mit vielen Hilfsmethoden, etwa zum sortieren mit Collections.sort().

Tipp Nutze immer den kleinstnötigen Typ! Wir haben das an zwei Stellen getan. Statt fill(LinkedList<String> c) deklariert das Programm fill(Collection<String> c) und statt LinkedList<String> c = new LinkedList<String>() nutzt es List<String> c = new LinkedList<String>(). Mit dieser Schreibweise lassen sich unter softwaretechnischen Gesichtspunkten leicht die konkreten Datenstrukturen ändern, aber etwa die Methodensignatur ändert sich nicht und ist breiter aufgestellt. Es ist immer schön, wenn wir – etwa aus Gründen der Geschwindigkeit oder Speicherplatzbeschränkung – auf diese Weise leicht die Datenstruktur ändern können und der Rest des Programms unverändert bleibt. Das ist die Idee der schnittstellenorientierten Programmierung, und es ist in Java selten nötig, den konkreten Typ einer Klasse direkt anzugeben.



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13.1.4 Die Schnittstelle Collection und Kernkonzepte  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Unterschnittstellen erweitern Collection und schreiben Verhalten vor, ob etwa der Container die Reihenfolge des Einfügens beachtet, Werte doppelt beinhalten darf oder die Werte sortiert hält; List, Set, Queue, Deque und NavigableSet sind dabei die wichtigsten.


interface java.util.Collection<E> extends Iterable<E>


  • boolean add( E o ) Optional. Fügt dem Container ein Element hinzu und gibt true zurück, falls sich das Element einfügen lässt. Gibt false zurück, wenn schon ein Objekt gleichen Werts vorhanden ist und doppelte Werte nicht erlaubt sind. Diese Semantik gilt etwa bei Mengen. Erlaubt der Container das Hinzufügen grundsätzlich nicht, löst er eine UnsupportedOperationException aus.
  • boolean addAll( Collection<? extends E> c ) Fügt alle Elemente der Collection c dem Container hinzu.
  • void clear() Optional. Löscht alle Elemente im Container. Wird dies vom Container nicht unterstützt, wird eine UnsupportedOperationException ausgelöst.
  • boolean contains( Object o ) Liefert true, falls der Container ein inhaltlich gleiches Element enthält.
  • boolean containsAll( Collection<?> c ) Liefert true, falls der Container alle Elemente der Collection c enthält.
  • boolean isEmpty() Liefert true, falls der Container keine Elemente enthält.
  • Iterator<E> iterator() Liefert ein Iterator-Objekt über alle Elemente des Containers.
  • boolean remove( Object o ) Optional. Entfernt das angegebene Objekt aus dem Container, falls es vorhanden ist.
  • boolean removeAll( Collection<?> c ) Optional. Entfernt alle Objekte der Collection c aus dem Container.
  • boolean retainAll( Collection<?> c ) Optional. Entfernt alle Objekte, die nicht in der Collection c vorkommen.
  • int size() Gibt die Anzahl der Elemente im Container zurück.
  • Object[] toArray() Gibt ein Array mit allen Elementen des Containers zurück.
  • <T> T[] toArray( T[] a ) Gibt ein Array mit allen Elementen des Containers zurück. Verwendet das als Argument übergebene Array als Zielcontainer, wenn es groß genug ist. Sonst wird ein Array passender Größe angelegt, dessen Laufzeittyp a entspricht.
  • boolean equals( Object o ) Prüft a) ob das angegebene Objekt o ein kompatibler Container ist und b) alle Elemente aus dem eigenen Container equals()-gleich der Elemente des anderen Containers sind und c) – falls vorhanden – die gleiche Ordnung haben.
  • int hashCode() Liefert den Hash-Wert des Containers. Dies ist wichtig, wenn der Container als Schlüssel in Hash-Tabellen verwendet wird. Dann darf der Inhalt aber nicht mehr geändert werden, da der Hash-Wert von allen Elementen des Containers abhängt.

Hinweis Der Basistyp Collection ist typisiert, genauso wie die Unterschnittstellen und im-plementierenden Klassen. Auffällig sind die Methoden remove(Object) und contains(Object), die gerade nicht mit dem generischen Typ E versehen sind, was zur Konsequenz hat, dass diese Methoden mit beliebigen Objekten aufgerufen werden können. Fehler schleichen sich schnell ein, wenn der Typ der eingefügten Objekte ein anderer ist als der beim Löschversuch, etwa bei HashSet<Long> set mit anschließendem set.add(1L) und remove(1).


Anzeige der Veränderungen durch boolesche Rückgaben

Der Rückgabewert einiger Methoden wie add() oder remove() ist ein boolean und könnte natürlich auch void sein. Doch die Collection-API signalisiert über die Rückgabe, ob eine Änderung der Datenstruktur erfolgte oder nicht. Bei Mengen liefert add() etwa false, wenn ein gleiches Element schon in der Menge ist; add() ersetzt das alte nicht durch das neue.

Optionale Methoden und UnsupportedOperationException

Einige Methoden aus der Schnittstelle Collection sind optional, weil konkrete Container oder Realisierungen die Operationen nicht realisieren wollen oder können. Da eine Schnittstellenimplementierung aber auf jeden Fall die Operation als Methode implementieren muss, lösen die Methoden eine UnsupportedOperationException aus. Den Grund, warum Container nicht verändert werden dürfen, kann das folgende Beispiel erläutern:

Listing 13.2  com/tutego/insel/util/UnsupportedOperationExceptionDemo.java, main()

Collection<Integer> set = new HashSet<Integer>();
Collection<Integer> set2 = Collections.unmodifiableCollection( set );
set2.add( 1 ); // Exception in thread "main" Umbruch
               // java.lang.UnsupportedOperationException

Die vielen Optional-Anmerkungen erschrecken zunächst und lassen die Klassen beziehungsweise Schnittstellen irgendwie unzuverlässig oder nutzlos erscheinen. Die konkreten Standard-implementierungen der Collection-API bieten diese Operationen jedoch vollständig an, nur die Spezial-Wrapper für Nur-Lese-Container lassen sie weg. Das Konzept der optionalen Operationen ist umstritten, wenn Methoden zur Laufzeit eine Exception auslösen. Besser wären natürlich kleinere separate Schnittstellen, die nur die Leseoperationen enthalten und zur Übersetzungszeit überprüft werden können; dann gäbe es jedoch deutlich mehr Schnittstellen im java.util-Paket.

Vergleiche im Allgemeinen auf Basis von »equals()«

Der Methode equals() kommt bei den Elementen, die in die Datenstrukturen wandern, eine besondere Rolle zu. Jedes Objekt, welches eine ArrayList, LinkedList, HashSet und alle anderen Datenstrukturen [Lassen wir die besondere Klasse IdentityHashMap außen vor. ] aufnehmen soll, muss zwingend equals() implementieren. Denn Methoden wie contains(), remove() vergleichen die Elemente mit equals() auf Gleichheit und nicht mit == auf Identität.


Beispiel Ein neues Punkt-Objekt kommt in die Datenstruktur. Nun wird es mit einem anderen equals()-gleichen Objekt auf das Vorkommen in der Collection geprüft und gelöscht:

Collection<Point> list = new ArrayList<Point>();
list.add( new Point(47, 11) );
System.out.println( list.size() );                        // 1
System.out.println( list.contains( new Point(47, 11) ) ); // true
list.remove( new Point(47, 11) );
System.out.println( list.size() );                        // 0

Eigene Klassen müssen folglich equals() aus der absoluten Oberklasse Object überschreiben. Umgekehrt heißt das auch, dass Objekte, die kein sinnvolles equals() besitzen, nicht von den Datenstrukturen aufgenommen werden können; ein Beispiel hierfür ist StringBuilder/StringBuffer.


Besonderheit Die Datenstrukturen selbst deklarieren eine equals()-Methode. Zwei Datenstrukturen sind equals()-gleich, wenn sie die gleichen Elemente – gleich nach der equals()-Relation – besitzen und die gleiche Ordnung haben. Ein Detail in der Implementierung überrascht jedoch. Exemplarisch:

LinkedList<String> l1 = new LinkedList<String>( Arrays.asList( "" ) );
ArrayList<String>  l2 = new ArrayList<String>( Arrays.asList( "" ) );
System.out.println( l1.equals( l2 ) );          // true

Die beiden Datenstrukturen sind gleich, obwohl ihre Typen unterschiedlich sind. Das ist einmalig in der Java-API. Dahinter steht, dass die equals()-Implementierung von etwa ArrayList, LinkedList nur betrachtet, ob das an equals() übergebene Objekt vom Typ List ist. Das Gleiche gilt im Übrigen auch für Set und Map. Nach dem Typtest folgend die Tests auf die Gleichheit der Elemente.



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13.1.5 Schnittstellen, die Collection erweitern, und Map  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Es gibt einige elementare Schnittstellen, die einen Container weiter untergliedern, etwa in der Art, wie Elemente gespeichert werden.

Abbildung 13.1  Zentrale Schnittstellen und Klassen der Collection-API

Die Schnittstelle List für Sequenzen

Die Schnittstelle List [Wie in der Collection-Design-FAQ unter http://java.sun.com/javase/6/docs/technotes/guides/collections/designfaq.html#11 nachzulesen, hätte die Schnittstelle durchaus Sequence heißen können. ] , die die Collection-Schnittstelle erweitert, enthält zusätzliche Operationen für eine geordnete Liste (auch Sequenz genannt) von Elementen. Auf die Elemente einer Liste lässt sich über einen ganzzahligen Index zugreifen, und es kann linear nach Elementen gesucht werden. Doppelte Elemente sind erlaubt, auch beliebig viele null-Einträge.

Zwei bekannte implementierende Klassen sind LinkedList sowie ArrayList. Weil das AWT-Paket eine Klasse mit dem Namen List deklariert, muss bei Namenskonflikten der voll qualifizierte Name, also java.util.List oder java.awt.List, verwendet werden.

Die Schnittstelle »Set« für Mengen

Ein Set ist eine im mathematischen Sinn definierte Menge von Objekten. Wie von mathematischen Mengen bekannt, darf ein Set keine doppelten Elemente enthalten. Für zwei nicht identische Elemente e1 und e2 eines Set-Objekts liefert der Vergleich e1.equals(e2) also immer false. Genauer gesagt: Aus e1.equals(e2) folgt, dass e1 und e2 identische Objekt-referenzen sind, sich also auf dasselbe Mengenelement beziehen.

Besondere Beachtung muss Objekten geschenkt werden, die ihren Wert nachträglich ändern, da so zunächst ungleiche Mengenelemente inhaltlich gleich werden können. Dies kann ein Set nicht kontrollieren. Als weitere Einschränkung gilt, dass eine Menge sich selbst nicht als Element enthalten darf. Die wichtigste konkrete Mengen-Klasse ist HashSet.

NavigableSet – beziehungsweise ihre Mutter SortedSet – erweitert Set um die Eigenschaft, Elemente sortiert auslesen zu können. Das Sortierkriterium wird durch ein Exemplar der Hilfsklasse Comparator bestimmt, oder die Elemente implementieren Comparable. TreeSet und ConcurrentSkipListSet implementieren die Schnittstellen und erlauben mit einem Iterator oder einer Feld-Repräsentation Zugriff auf die sortierten Elemente.

Die Schnittstelle »Queue« für (Warte-)Schlangen

Eine Queue arbeitet nach dem FIFO-Prinzip (First in, First out); zuerst eingefügte Elemente werden zuerst wieder ausgegeben, getreu nach dem Motto »Wer zuerst kommt, mahlt zuerst«. Die Schnittstelle Queue deklariert Operationen für alle Warteschlangen und wird etwa von den Klassen LinkedList und PriorityQueue implementiert.

Queue mit zwei Enden

Während die Queue Operationen bietet, um an einem Ende Daten anzuhängen und zu erfragen, bietet die Datenstruktur Deque (vom Englischen »double-ended queue«) das an beiden Enden. Die Klasse LinkedList ist zum Beispiel eine Implementierung von Deque. Die Datenstruktur wird wie »Deck« ausgesprochen.

Die Schnittstelle »Map«

Eine Datenstruktur, die einen Schlüssel (engl. key) mit einem Wert (engl. value) verbindet, heißt assoziativer Speicher. Sie erinnert an ein Gedächtnis und ist vergleichbar mit einem Wörterbuch oder Nachschlagewerk. Betrachten wir ein Beispiel: Auf einem Personalausweis findet sich eine eindeutige Nummer, eine ID, die einmalig für jeden Bundesbürger ist. Wenn nun in einem Assoziativspeicher alle Passnummern gespeichert sind, lässt sich leicht über die Passnummer (Schlüssel) die Person (Wert) herausfinden, also den Namen der Person, Gültigkeit des Ausweises usw. In die gleiche Richtung geht ein Beispiel, welches ISB-Nummern mit Büchern verbindet. Ein Assoziativspeicher könnte zu der ISB-Nummer zum Beispiel das Erscheinungsjahr assoziieren, ein anderer Assoziativspeicher eine Liste von Rezensionen.


Hinweis Gerne wird als Beispiel für einen Assoziativspeicher ein Telefonbuch mit einer Assoziation zwischen Namen und Telefonnummern genannt. Wenn das mit einem Assoziativspeicher realisiert werden muss, reicht natürlich der Name alleine nicht aus, sondern der Ort/das Land müssen dazukommen (ich bin zum Beispiel nicht der einzige Christian Ullenboom, in Erlangen wohnt mein Namenspate). Auch weniger ist es ein Problem, dass in einem Familienhaushalt mehrere Personen die gleiche Telefonnummer besitzen, als vielmehr die Tatsache, dass eine Person unterschiedliche Telefonnummern, etwa eine Mobil- und Festnetznummer besitzen kann. Damit das Modell korrekt bleibt, muss eine Assoziation zwischen einem Namen und einer Liste von Telefonnummern bestehen. Ein Assoziativspeicher ist flexibel genug dafür: Der assoziierte Wert muss kein einfacher Wert wie eine Zahl oder String sein, sondern kann eine komplexe Datenstruktur sein.


In Java schreibt die Schnittstelle Map Verhalten für einen Assoziativspeicher vor. Map ist ein wenig anders als die anderen Schnittstellen. So erweitert die Schnittstelle Map die Schnittstelle Collection nicht. Das liegt daran, dass bei einem Assoziativspeicher Schlüssel und Wert immer zusammen vorkommen müssen und die Datenstruktur eine Operation wie add(Object) nicht unterstützen kann. Im Gegensatz zu List gibt es bei einer Map auch keine Position.

Die Schlüssel einer Map können mit Hilfe eines Kriteriums sortiert werden. Ist das der Fall, implementieren diese speziellen Klassen die Schnittstelle NavigableMap (beziehungsweise die Mutter SortedSet), die Map direkt erweitert. Das Sortierkriterium wird entweder über ein externes Comparator-Objekt festgelegt, oder die Elemente in der Map sind vom Typ Comparable. Damit kann ein Iterator in einer definierten Reihenfolge einen assoziativen Speicher ablaufen. Bisher implementieren TreeMap und ConcurrentSkipListMap die Schnittstelle NavigableMap.


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13.1.6 Konkrete Container-Klassen  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Alle bisher vorgestellten Schnittstellen und Klassen dienen zur Modellierung und dem Programmierer nur als Basistyp. Die folgenden Klassen sind konkrete Klassen und können von uns benutzt werden:


Tabelle 13.1  Konkrete Container-Klassen

Listen (List)

ArrayList

Implementiert Listen-Funktionalität durch die Abbildung auf ein Feld; implementiert die Schnittstelle List.

LinkedList

LinkedList ist eine doppelt verkettete Liste, also eine Liste von Einträgen mit einer Referenz auf den jeweiligen Nachfolger und Vorgänger. Das ist nützlich beim Einfügen und Löschen von Elementen an beliebigen Stellen innerhalb der Liste.

Mengen (Set)

HashSet

Eine Implementierung der Schnittstelle Set durch ein schnelles Hash-Verfahren.

TreeSet

Implementierung von Set durch einen Baum, der alle Elemente sortiert hält.

LinkedHashSet

Eine schnelle Mengen-Implementierung, die sich parallel auch die Reihenfolge der eingefügten Elemente merkt.

Assoziativspeicher (Map)

HashMap

Implementiert einen assoziativen Speicher durch ein Hash-Verfahren.

TreeMap

Exemplare dieser Klasse halten ihre Elemente in einem Binärbaum sortiert; implementiert NavigableMap.

LinkedHashMap

Ein schneller Assoziativspeicher, der sich parallel auch die Reihenfolge der eingefügten Elemente merkt.

WeakHashMap

Verwaltet Elemente mit schwachen Referenzen, sodass die Laufzeitumgebung bei Speicherknappheit Elemente entfernen kann.

Schlange (Queue)

LinkedList

Die verkettete Liste implementiert Queue und auch Deque.

ArrayBlockingQueue

Eine blockierende Warteschlange.

PriorityQueue

Prioritätswarteschlange.


Alle Datenstrukturen sind serialisierbar und implementieren Serializable, die Basisschnittstellen wie Set, List … machen das nicht!


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13.1.7 Welche Container-Klasse nehmen?  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Bei der großen Anzahl von Klassen sind Entscheidungskriterien angebracht, nach denen Entwickler Klassen auswählen können. Die folgende Aufzählung soll einige Vorschläge geben:

  • Ist eine Sequenz, also eine feste Ordnung gefordert? Wenn ja, dann nimm eine Liste.
  • Soll es einen schnellen Zugriff über einen Index geben? Wenn ja, ist die ArrayList gegenüber der LinkedList im Vorteil.
  • Werden oft am Ende und Anfang Elemente eingefügt? Dann kann LinkedList punkten.
  • Wenn eine Reihenfolge der Elemente uninteressant ist, aber schnell entschieden werden soll, ob ein Element Teil einer Menge ist, erweist sich HashSet als interessant.
  • Sollen Elemente nur einmal vorkommen und immer sortiert bleiben? Dann ist TreeSet eine gute Wahl.
  • Muss es eine Assoziation zwischen Schlüssel und Elementen geben, ist eine Map von Vorteil.

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13.1.8 Generische Datentypen in der Collection-API  Zur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Eine Eigenschaft der Datenstrukturen besteht darin, dass sie prinzipiell offen für jeden Typ sind. Sie nehmen beim Speichern den allgemeinsten Typ Object entgegen (wir nehmen hier die vereinfachte Variante von Java 1.4 an) und liefern diesen auch als Rückgabe, also anschaulich bei der List:

  • void add( Object o )
  • Object get( int index )

Wenn eine Liste zum Beispiel aber nur Spieler-Objekte aufnehmen soll, sind dort keine Strings, Flummis und Friseurläden erwünscht – der Basistyp Object kann das nicht verhindern. So werden im Folgenden zwei Elemente in die Liste eingefügt; ein erwünschtes und ein unerwünschtes.

List players = new ArrayList();
Player laraFarm = new Player();
players.add( laraFarm );
players.add( "ätsch" );

Der Fehler fällt beim Einfügen nicht auf, doch bei der Wiederholung der Daten und anschließender Typanpassung folgt die gefürchtete ClassCastException.

Player p1 = (Player) players.get( 0 );  //    OK
Player p2 = (Player) players.get( 1 );  // Fehler BUM!

Generics in der Collection-API

Seit Java 5 macht die Collection-API massiv Gebrauch von Generics. Das fällt unter anderem dadurch auf, dass die API-Dokumentation einen parametrisierten Typ erwähnt und gerade nicht add(Object e) bei der Collection steht, sondern add(E e). Generics gewährleisten bessere Typsicherheit, da nur spezielle Objekte in die Datenstruktur kommen. Mit den Generics lässt sich bei der Konstruktion einer Collection-Datenstruktur angeben, welche Typen zum Beispiel in der Datenstruktur-Liste erlaubt sind. In unserem Beispiel wird die Spielerliste players deklariert als:

List<Player> players = new ArrayList<Player>();

So lässt die Liste nur den Typ Player beim Hinzufügen und Anfragen zu, nicht aber andere Typen, wie etwa Zeichenketten. Das ist zum einen eine schöne Sicherheit für den Programmierer, hat aber noch einen weiteren Vorteil: die Typanpassungen können entfallen. Wird die Liste ohne den Typ Player angelegt, muss für den Zugriff auf das erste Element die explizite Typanpassung von Object auf Player eingesetzt werden. Mit den Generics kann diese Anpassung entfallen, und es wird kurz:

Player laraFarm = players.get( 0 );

Geschachtelte Generics

Eine Liste von Strings deklariert List<String>. Um eine verkettete Liste aufzubauen, deren Elemente wiederum Listen mit Strings sind, lassen sich die Deklarationen auch zusammenführen: [Das erinnert mich immer unangenehm an C: Ein Feld von Pointern, die auf Strukturen zeigen, die Pointer enthalten. ]

List<List<String>> las = new LinkedList<List<String>>();

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13.1.9 Die Schnittstelle »Iterable« und das erweiterte »for«  topZur vorigen Überschrift

Das erweiterte for erwartet rechts vom Doppelpunkt den Typ java.lang.Iterable, um durch die Datenmenge laufen zu können. Praktisch ist, dass alle java.util.Collection-Klassen die Schnittstelle Iterable implementieren, denn damit kann das erweiterte for leicht über diverse Sammlungen laufen.

Von der Datenstruktur nutzt das erweiterte for den konkreten generischen Typ, etwa String, sodass wir schreiben können:

Collection<String> c = new LinkedList<String>();
for ( String s : c )
  System.out.println( s );

Ist die Sammlung nicht typisiert, wird die lokale Variable vom erweiterten for nicht den Typ String bekommen können, sondern nur Object. Falls keine Typisierung für die Datenstruktur verwendet wurde, muss danach eine Typanpassung im Inneren der Schleife vorgenommen werden:

Listing 13.3  com/tutego/insel/util/IterableCollection.java, main()

Collection c = new LinkedList();
for ( String s : "1 2 3 4 5".split(" ") )
  c.add( s );
for ( Object elem : c )
  System.out.println( ((String)elem).length() );

Hinweis Ist die Datenstruktur null, so führt das zu einer NullPointerExcpetion:

Collection<String> list = null;
for ( String s : list )      // Fehler NullPointerExcpetion zur Laufzeit

Es wäre interessant, wenn Java dann die Schleife überspringen würde, aber der Grund für die Ausnahme ist, dass die Realisierung vom erweiteren for versucht, eine Methode vom Iterable aufzurufen, was natürlich bei null schiefgeht. Bei Feldern gilt übrigens das Gleiche, auch wenn hier keine Methode aufgerufen wird.




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