TDDC30 - Programmering i Java, datastrukturer och algoritmer

TDDC30 är en grundkurs i programspråket Java, datastrukturer och algoritmer. Kursen omfattar 6 högskolepoäng och undervisas både för Industriell ekonomi och för Systemvetenskap på Linköpings universitet. Kursen är en påbyggnadskurs på TDDD11 - Programmering, grundkurs och förutsätter att studenten har grundläggande programmeringskunskaper gällande ett "programmeringstänk".

Kursen går igenom ett antal sorteringsalgoritmer, olika typer av datastrukturer, hur man skriver och använder UML-diagram, hur man använder det grafiska Swingpaketet och allmänt hur man ska tänka för att programmera objektorienterat. Examinationsmomenten innefattar 5 stycken laborationer (0-4) och en tentamen. Tentan består av en teoretisk del och en praktisk programmeringsdel.

Java

Java är ett av världens mest använda programmeringsspråk, just för dess operativsystemsneutralitet. I programspråket ADA som kursen TDDD11 undervisas i så använder man en kompilator som tolkar den källkod som programmeraren skrivit och gör om den till maskinkod som datorn kan köra. I Java så finns det ett mellanlager som kallas för Java Virtual Machine (JVM). JVM gör det möjlig att köra samma javakod på alla operativsystem som har stöd för detta, vilket i stort sett gör språket plattformsoberoende, det går lika bra att köra javakod i en Androidtelefon som på en Mac.

Språket är uppbyggt på klasser som på olika sätt kommunicerar och interagerar med varandra.

Klass

Java är ett objektorienterat språk som är uppbyggt på b.la klasser. En klass är ett eget kodstycke som är en mall man använder för att skapa ett objekt i Java. I klassen skriver man instruktioner om hur just den klassen/objektet fungerar. Instruktionerna (klassen) består av importering av paket, attribut och metoder. Se följande exempel:

package test; // Denna klass tillhör paketet "test"

// Detta är en kommentar. Kommentarer i Java skrivs med två stycken slash följt av en text
import java.grafisktpaket.* // Stjärnan (*) betyder att vi importerar precis alla klasser i paketet grafisktpaket
import java.util.ArrayList; // Här hämtar vi enbart klassen "ArrayList". Det är viktigt att inte hämta onödiga klasser som inte används


private int nummer; // Här skapar vi en private integer (heltalsvariabel) med namnet nummer
private double nummer2; // Här skapar vi en private double (decimalvariabel) med namn nummer2
private String namn; // Här skapar vi en private String (textsträng) med namnet namn
private boolean check; // Här skapar vi en private boolean (tvåvärdesvariabel) med namn check


public class skrivText() { // Klassen heter skrivText och är public (dvs synlig för alla).
        System.out.println("Hello World!"); // Här skrivs "Hello World!" ut i konsolen.
}

För att skapa ett objekt så instansierar man en klass, detta görs i koden man vill skapa objektet. I nedanstående exempel instansierar vi klassen ArrayList. Detta sker i två steg:

1. Skapa en referens som ska peka på ett objekt skapat kring en specifik klass.
2. Instansiera själva objektet och peka referensen på objektet.

ArrayList<String> list; // Steg 1: Här skapar referensen "list" till ett ArrayList-objekt.
list = new ArrayList<String>(); // Steg 2. Här skapas själva ArrayList-objektet som referensen "list" pekar på.

Detta kan även göras genom att skriva ihop de två stegen:

ArrayList<String> list = new ArrayList<String>();

Loopar

En loop är ett kodstycke som man vill ska upprepas ett visst antal gånger. Det finns egentligen två loopar som användes mycket i kursen: While-loop och For-loop.

While-loop
En While-loop används då man med ett villkor vill bestämma antalet loopar som ska göras, så länge villkoret är uppfyllt så körs loopen. Viktigt är att det finns en variabel i villkoret som förändras under varje loop, annars kommer loopen att gå i all evighet. Ett exempel kan vara att man letar efter ett visst värde i en lista, vi slutar loopen när vi hittat värdet. Det programmet kan se ut på följande sätt:

ArrayList<Integer> listOfNumbers = new ArrayList<Integer>(); // Vi skapar en ArrayList av Integers (siffror)

add.listOfNumbers(1); // Vi lägger till ett antal siffror i vår lista
add.listOfNumbers(2);
add.listOfNumbers(3);
add.listOfNumbers(4);
add.listOfNumbers(5);

private int counter = 0;

while (listOfNumbers(counter) != 3) {
     ++counter;
}

System.Out.println(counter); // Siffran 3 kommer att skrivas ut i terminalen

For-loop
For-loopen är en typ av While-loop, även den har ett villkor i sig och så länge som villkoret är uppfyllt så körs loopen. For-loopens huvud är uppdelat i tre delar:

1. Deklaration av integer som används som en counter
2. Villkor
3. Hur countern ska förändras

Om vi skriver samma exempel som ovan, fast med en for-loop, skulle det kunna se ut såhär:

ArrayList<Integer> listOfNumbers = new ArrayList<Integer>(); // Vi skapar en ArrayList av Integers (siffror)

add.listOfNumbers(1); // Vi lägger till ett antal siffror i vår lista
add.listOfNumbers(2);
add.listOfNumbers(3);
add.listOfNumbers(4);
add.listOfNumbers(5);

private int forPrint;

// Vi skapar integens i som börjar med värdet 0. Detta är vår counter
// Så länge villkoret listOfNumbers(i) != 3 så körs loopen
// Varje varv loopen körs så ökar countern med 1
for (int i = 0; listOfNumbers(i) != 3; ++i) { 
   forPrint = i;
}

System.Out.println(forPrint); // Siffran 3 kommer att skrivas ut i terminalen

UML

UML-diagram

Ett UML-schema beskriver relationen mellan klasser

Unified Modeling Language (UML) är ett objektorienterat sätt att modelera system som beskriver hur olika klasser hör ihop. Ett klassdiagram (som du ser till höger) är en beskrivning över en klass, vad klassen heter, vilka attribut/variabler klassen har och dess metoder. Det beskriver också vilken access varje attribut och metod har genom ett "prefix" som skrivs innan attributet/metoden. Det beskriver dessutom vilket indata varje metod har, samt om metoden returnerar något data.

Access klassdiagram

Prefix	Access	Explanation
+	public	Synlig för klassen, paketet, subklasser och värld.
-	private	Synlig enbart i klassen
#	protected	Synlig för klassen, paketet och subklasser.
understruken	static	Ett static attribut behöver inte instanseras för att användas.
italic	abstract	Klassen kan inte instanseras och innehåller metoder som måste implementeras.

Ett fullt UML-schema beskriver vilka relationer klasserna har till varandra. Vi kommer senare att gå igenom att klasser kan både ärva och implementera andra klasser. Detta är någonting som ett UML-schema visar. Schemat beskriver även om en klass använder, äger eller "har" en annan klass.

I följande exempel är klassen "Animal" en superklass till subklasserna "Cat" och "Dog", det vill säga att Cat och Dog ärver från Animal. När en klass ärver från en annan klass så kan man via subklassen (Cat & Dog) använda alla metoder som superklassen (Animal) har. Dessutom finns det möjlighet att överskriva (Override) metoder i supeklassen. T.ex har superklassen Animal en klass som heter "Eat". Dock så vill vi specificera exakt vad just Cat och Dog ska äta, så vi skriver en ny Eat-metod i både Cat och Dog. Kallar vi nu på metoder Eat med ett Cat- eller Dogobjekt så kommer deras egna metoder att köras och inte superklassen Animals Eat-metod. Väljer man däremot att inte skriva en ny Eat-metod i sin subklass så kommer superklassens metod att köras.

Datastrukturer

Träd

En trädstruktur bygger på en rotnod som är "grunden" i trädet. Det är i roten som all avsökning börjar och det är även i roten som man tar bort objekt ur trädet. Varje nod innehåller det datat man vill lagra, det kan till exempel vara siffror, filmtitlar, personnummer osv. Noden har sedan en referens i sig som pekar på dess barn.
Ett träd har följande uppdelning:

Träd

• Rot: Grundnoden
  
• Förälder: Förälder till noden under sig
  
• Barn: Barn till noden över sig
  
• Syskon: Två noder som har samma förälder
  
• Gren: Ett träd kan ha flera grenar. Varje gren har en toppnod och en egen trädstruktur
  
• Löv: Nod som inte har några barn
  

Heap

En heap bygger på en fullstädig trädstruktur där varje nod högst kan ha 2 stycken barn. Det finns två typer av heapar: Maxheap och Minheap.

Maxheap

Minheap

Maxheap

• Roten har det största värdet i heapen
• Varje barn har ett mindre värde än sin förälder
• Vid borttagning tas rotnoden bort. Den ersätts med den sista noden i heapen (noden som är längst till höger i nedersta leveln). Där efter tittar man om nått av barnen är större än den nya roten. Finner man ett barn som är större, byt dem. Där efter fortsätter man titta på barnen och ser om nån av de två nya barnen är större än noden. Är båda barnen större, byt med den största.
• Vid inaddering av en nod, lägg den sist i heapen (dvs på nästa tomma plats, längst ner i heapen, sett från vänster). Där efter, se om noden är större än sin förälder. Om ja, byt plats, om nej stanna. Fortsätt tills noden har hittat sin rätta plats.

Minheap

• Roten har det minsta värdet i heapen
• Varje barn har ett större värde än sin förälder
• Vid borttagning tas rotnoden bort. Den ersätts med den sista noden i heapen (noden som är längst till höger i nedersta leveln). Där efter tittar man om nått av barnen är mindre än den nya roten. Finner man ett barn som är mindre, byt dem. Där efter fortsätter man titta på barnen och ser om nån av de två nya barnen är mindre än noden. Är båda barnen mindre, byt med den minsta.
• Vid inaddering av en nod, lägg den sist i heapen (dvs på nästa tomma plats, längst ner i heapen, sett från vänster). Där efter, se om noden är mindre än sin förälder. Om ja, byt plats, om nej stanna. Fortsätt tills noden har hittat sin rätta plats.

Binärt sökträd

Binärt sökträd

Ett binärt sökträd består även det av en trädstruktur, dock inte nödvändigtvis ett fullständig träd. Ett binärt sökträd har följande egenskaper:

• Varje nod har ett värde
• Nodens vänstra barn och alla andra noder i det vänstra benet ska ha ett mindre värde än noden själv
• Nodens högra barn och alla andra noder i det högra benet ska ha ett större värde än noden själv

Kö (Queue)

Queue

En kö är precis vad det låter, först in först ut (FIFO, First In First Out). Tänk dig att du är en kassörska. Det kommer in massa kunder som ställer sig i kö och du hjälper dem en efter en precis i den ordningen som de kom in. Det vill säga, det som har väntat längst får också hjälp först. Kommer det en ny kund så placeras denna sist i kön och får vänta tills alla framför har fått hjälp.

Metoder som används i en kö:

• front()/peak(): Returnerar det värdet som är längst fram i kön
• void enqueue(E): Datat E längst till i slutet av kön
• dequeue(): Returnerar och tar bort det värdet som är längst fram i kön
• int size(): Returnerar storleken på kön, dvs antal element.
• boolean isEmpty(): Returnerar sant om kön är tom, returnerar falskt om kön ej är tom

Stack

Stack

En stack fungerar som en stapel tallrikar, där varje tallrik representerar ett värde i stacken. Varje gång man lägger till ett ny tallrik (värde) i stacken så hamnar den nya tallriken högst upp. Varje gång man tar en tallrik från stacken så tar man den man senast la, det vill säga sist in, först ut (LIFO, Last In First Out).

Metoder som man använder i en stack:

• top()/peek(): Returnerar det elementet som är på toppen av stacken utan att ta bort det
• void push(E): Lägger elementet E på toppen av stacken
• pop(): Returnerar och tar bort elementet som ligger på toppen av stacken
• int size(): Returnerar storleken på stacken, det vill säga antalet element
• boolean isEmpty(): Returnerar sant om stacken är tom, returnerar falskt om den inte är tom

Listor

Enkellänkad lista

Det finns olika typer av listor, det som dock är gemensamt för alla listor är att:

1. Varje nod innehåller ett data
2. Varje nod innehåller en eller flera referenser till samma typ av nod

Det som skiljer mellan de olika listorna är hur noderna är sammankopplade.

Enkellänkad lista
I en enkellänkad lista har varje nod en referens som refererar på nästkommande nod i listan. Detta gör att det enbart går att komma åt noder/värden som ligger efter den noden man "är på".

Dubbellänkad lista
I en dubbellänkad lista har varje nod två referenser, den ena refererar till noden före och den andra refererar till noden efter. Detta gör det möjligt att komma åt noder både före och efter noden man "är på".

Cirkulärt dubbellänkad lista
En cirkulärt dubbellänkad lista är en dubbellänkad lista där slutnoden (sista noden i listan) är ihopkopplad med den första noden och vice versa.

Traversering

Preorder traversering
E C A B D H F G

Inorder traversering
A B C D E F G H

Postorder traversering
B A D C G F H E

Traversering innebär att man läser av (och skriver ut) alla noderna i ett träd i en speciell ordning. Det finns 4 olika sätt att traversera: Level-traversering, preorder-traversering, inorder-traversering och postorder-traversering. Ett enkelt sett att tänka vid pre-, in- och postorder är att varje nod är en cirkel med tre stycken kontaktpunkter: Vänster, botten och höger. Beroende på vilken typ av traversering man är ute efter väljer man att fokusera på en av de tre kontaktpunkterna. Varje traversering börjar sedan på rotnodens vänstra sida. Följ därefter vänster ytterkant runt hela trädet tills du är tillbaka vid startläget. Varje gång du stöter på den kontaktpunkten som korresponderar med den traverseringen du gör så skriver du ut värdet i noden.

Levelorder-Traversering
Vid Levelorder-traversering läser man av noderna och dess värde, från vänster till höger och nivå för nivå.
E, C, H, A, D, F, B, G

Preorder-Traversering
Vid preorder-traversering fokuserar du på vänster kontaktpunkt, det vill säga varje gång du stöter på vänster kontaktpunkt så skriver du ut värdet i noden.
E, C, A, B, D, H, F, G

Inorder-Traversering
Vid inorder-traversering fokuserar du på kontaktpunkten som är under noden. Någonting annat att lägga märke till är att värderna är sorterade från minst till högst.
A, B, C, D, E, F, G, H

Postorder-Traversering
Vid postorder-traversering fokuserar du på höger kontaktpunkt.
B, A, D, C, G, F, H, E

Sorteringsalgoritmer

En sorteringsalgoritm används för att sortera data. Olika algoritmer är olika effektiva beroende på förhållandena där den ska implementeras.

Bubble sort

Bubble sort-algoritmen är en relativt långsam algoritm med en medeltidskomplexitet på O(n2).

Algoritm
Minst till vänster, störst till höger.
1) Börja i någon av ändarna (detta fallet höger)
2) Jämför de två bredvidliggande objekten. Är vänster mindre än höger -> Byt plats
3) Hoppa ett steg till vänster. Upprepa steg 2. 4) När algortimen träffar vänsterkanden, upprepa steg 1. Upprepa detta tills datat är sorterat

Exempel
513426
513426
513246
512346
152346
125346
123546
123456

Sammanfattningar

Fil:Sammanfattning-TDDC30.pdf