Organisatorisches

• Kurztest
  • 20 Punkte, 25 Minuten; 11. Februar
  • Am PC (Moodle) mit Fragen, Aufgaben, usw.
• Programmentwurf
  • 80 Punkte, 60 Minuten; 17. März
  • Am PC (Entwicklungsumgebung) mit Coding-Aufgaben
• Bücher
  • Learn Java Fundamentals
  • Java in a Nutshell
  • Grundkurs Programmieren in Java

Links zu Vorlesungsmaterialien (Skript, Folien, Übungen) im Moodle-Kurs

Über mich

Einleitung

Warum Programmieren?

• Breites Jobspektrum
• Fördert logisches Denken

Warum Java?

• Plattformunabhängigkeit
• Community und umfangreiches Ökosystem
• Verlässlichkeit und Skalierbarkeit

Java & Python

• Werden nebeneinander eingesetzt
• Java: Stabilität → Software Development
• Python: Einfachheit → Data Science

Umfrage JetBrains

Innovation Graph GitHub

State of Java 2025

Einführung in die Programmierung

Aspekte des Programmierens

Quellcode

Der Quellcode ist die in einer Programmiersprache geschriebene textuelle Repräsentation eines Programms. Entwickler nutzen den Quellcode, um Algorithmen und logische Anweisungen zu formulieren, die vom Computer interpretiert und ausgeführt werden. Der Quellcode enthält die gesamte Logik der Anwendung und dient als Basis für die Kompilation oder Interpretation durch das System. Gut strukturierter und verständlicher Quellcode ist essenziell, nicht nur für die aktuelle Entwicklung, sondern auch für zukünftige Wartung und Erweiterung des Programms. Dies erfordert klare Namenskonventionen, konsistente Formatierung und Kommentierung.

Programmierstil

Der Programmierstil bezieht sich auf die Art und Weise, wie der Quellcode organisiert und geschrieben wird. Ein guter Programmierstil zielt darauf ab, die Lesbarkeit & Wartbarkeit des Codes zu verbessern. Dazu gehören der sinnvolle Einsatz von Einrückungen, eine klare und konsistente Benennung von Variablen und Funktionen sowie der Verzicht auf unnötige Komplexität. Ein konsistenter Programmierstil hilft dabei, Fehler zu vermeiden, und macht es anderen Entwicklern einfacher, den Code zu verstehen und daran weiterzuarbeiten. Der Stil variiert oft je nach Programmiersprache und Entwicklerumgebung, doch existieren allgemeine Richtlinien, die für alle Sprachen gelten.

Coding Conventions

Kompilation & Ausführung

Kompilation & Ausführung

Kompilation & Ausführung

Kompilation & Ausführung

Exkurs: Python JIT

"Normaler" Python Code

Exkurs: Python JIT

CPython-Version

Console output (MacBook M4 Pro)

PyPy-Version

Console output (MacBook M4 Pro)

Exkurs: Python JIT

Testen

Debugging

• Debugging bezeichnet die systematische Fehlersuche & -behebung im Quellcode. Entwickler nutzen Debugging-Tools, um Programme schrittweise auszuführen, den Programmablauf zu analysieren und den Zustand von Variablen zu überprüfen.
• Breakpoints: Ermöglichen das Stoppen der Programmausführung an bestimmten Stellen, um Fehlerquellen gezielt zu untersuchen und Codeprobleme zu verstehen.
• Ergänzend: Log-Dateien & Fehlermeldungen liefern zusätzliche Hinweise zur Identifikation und Analyse von Fehlern.

Java Runtime Environment

Java Runtime Environment

Java Development Kit

Programmierparadigmen

Programmierparadigmen sind grundlegende Ansätze zur Strukturierung & Organisation von Code. Sie beeinflussen die Art und Weise, wie Entwickler Probleme lösen, Software entwerfen und implementieren.

Imperativ

Deklarativ

Funktional

Funktional

Objektorientiert

Das objektorientierte Programmieren ist ein Paradigma, das die Strukturierung von Code um Objekte herum fördert. Objekte sind Instanzen von Klassen, die Daten (Attribute) und Verhalten (Methoden) kapseln. OOP bietet Konzepte wie Vererbung, Polymorphismus & Kapselung, die eine bessere Wiederverwendbarkeit und Wartbarkeit des Codes ermöglichen.

Entwicklungsumgebung (IDE)

Eclipse

• Download: https://www.eclipse.org/downloads/packages/

Eine IDE die v. a. früher zahlreich verwendet wurde, heute abnehmende Beliebtheit.

VS Code

• Download: https://code.visualstudio.com/
• Anleitung für Java: Link

Zunehmende Beliebtheit. Leichtgewichtiger Editor mit zahlreichen Extensions.

IntelliJ

• Community Edition (kostenlos): Link
• Studenten-Lizenz für Ultimate-Edition: Link

Über Jahre stetig hohe Beliebtheit. Großes (vorgegebenes) Ökosystem.

Wird im Programmentwurf verwendet!

Grundlagen

Syntax

• Beschreibt die Regeln für korrektes Schreiben von Programmen
• Java → streng typisiert, objektorientiert, fördert Lesbarkeit & Wartbarkeit
• Statements: Kleinste ausführbare Einheiten in Java, enden mit „;“, z. B. Variablenzuweisungen, Methodenaufrufe oder Kontrollstrukturen.

Syntax

• Blöcke: Gruppieren mehrere Anweisungen mit „{}“ und definieren den Gültigkeitsbereich (Scope) von Variablen.

Main-Methode

Die main-Methode ist der Einstiegspunkt jedes Java-Programms und eine der wichtigsten Komponenten der Sprache. Sie wird von der JVM aufgerufen, um die Ausführung eines Programms zu starten.

Main-Methode-Aufbau

• Zugriffsmodifikator public: Die Methode ist öffentlich, damit die JVM darauf zugreifen kann.
• Statische Eigenschaft static: Die Methode gehört zur Klasse selbst und nicht zu einer Instanz, da die JVM beim Programmstart keine Objekte erzeugt und die Methode direkt aufrufen muss.
• Rückgabewert void: Zeigt an, dass die main-Methode keinen Wert zurückgibt, sondern lediglich den Programmstartpunkt definiert und anschließend die Kontrolle an die JVM übergibt.
• Parameter String[] args: Das Argument ist ein Array von Zeichenketten, das Befehlszeilenargumente enthält. Können zur Laufzeit genutzt werden, um das Programm-Verhalten dynamisch zu beeinflussen.

Main-Methode-Befehlszeilenargumente

Einschub Command-Line

Primitive Datentypen

Primitive Datentypen bilden die grundlegenden Bausteine für die Verarbeitung von Daten in Java. Sie sind die einfachsten Datentypen und werden zur Darstellung grundlegender Informationen wie Zahlen, Zeichen und Wahrheitswerte verwendet. Im Gegensatz zu Objekten, sogenannten Referenztypen haben primitive Datentypen keine Methoden und sind nicht veränderbar – wird als immutable bezeichnet).

Primitive Datentypen

Praxis: Possible lossy conversion

Folgender Java-Code

Führt zu folgender Meldung in der Konsole

incompatible types: possible lossy conversion from long to int

Praxis: Possible lossy conversion

Andere Beispiele

Praxis: Possible lossy conversion

Lossy conversion

Möglich

Praxis: Possible lossy conversion

Größere Datentypen sind möglich

Praxis: Possible lossy conversion

Gegenmaßnahme (u.a.): Downcasting

Praxis: Overflow

Was ist hier zu erwarten?

Praxis: Overflow

Ergebnis

Praxis: Overflow

Gegenmaßnahmen (u.a.)

• Andere/ größere Datentypen verwenden (z.B. long, BigInteger)
• Validierung vor der Operation mit Bedingungen (siehe Kapitel Kontrollstrukturen)

Übungen

1. Erstelle ein Programm, das alle primitiven Datentypen in Java deklariert, initialisiert und deren Werte auf der Konsole ausgibt.
2. Vergleiche die Genauigkeit von float und double durch eine Berechnung, die Rundungsfehler demonstriert.

Einschub: String

In Java ist der Datentyp String eine unveränderliche (immutable) Klasse, die eine Folge von Zeichen repräsentiert und zur Speicherung und Manipulation von Text verwendet wird. Der String-Typ bietet zahlreiche Methoden, um Operationen wie Verkettung, Suche, Teilstring-Extraktion oder Vergleich durchzuführen.

Einschub: String

Operatoren – Arithmetisch

Operatoren – Arithmetisch

Praxis: Floating-Point Precision Error

Praxis: Floating-Point Precision Error

JSON-Array mit Daten

Praxis: Floating-Point Precision Error

Ausschnitt der Vue-Component

Praxis: Floating-Point Precision Error

Warum tritt der Fehler auf?

Die Dezimalzahl 0.1306573 kann nicht exakt binär dargestellt werden. Begründung: Es können nur Brüche dargestellt werden, die Summen von Potenzen sind (1/2, 1/4, 1/8, usw.). Der Computer speichert stattdessen einen minimal ungenaueren Wert: 0.13065729999999998. Dies ist eine direkte Folge der IEEE 754-Norm zur Darstellung von Fließkommazahlen.

Als Lösung für dieses Problem bieten Programmiersprachen wie Java z.B. eine BigDecimal-Klasse an.

Operatoren – Relational

Operatoren – Logisch

Exkurs: Operatoren – Bitweise

Einsatzzwecke u.a. Embedded System, Kryptographie, mathematische Programme

Exkurs: Bitwise Operatoren

Operatoren – Zuweisung

Operatoren – Inkrement & Dekrement

Die Inkrement- (++) & Dekrementoperatoren (--) erhöhen oder verringern den Wert einer Variablen um eins. Sie können sowohl vor der Variablen - präfix - als auch danach - postfix- verwendet werden.

Operatoren – Inkrement & Dekrement

Übungen

1. Erstelle ein Programm, das zwei Zahlen definiert und die grundlegenden arithmetischen Operationen an diesen Zahlen durchführt. Zeige anschließend, wie Zuweisungsoperatoren verwendet werden.
2. Schreibe ein Programm, das zwei ganzzahlige Variablen definiert und mithilfe von Vergleichsoperatoren überprüft, ob eine der Zahlen größer, kleiner oder gleich der anderen ist.
3. Erstelle ein Programm, das drei boolean-Variablen definiert und mithilfe logischer Operatoren überprüft, ob mindestens zwei der Variablen den Wert true haben.
4. Erstelle ein Programm, das die Verwendung von Inkrement- & Dekrementoperatoren veranschaulicht.

Scanner

Scanner

Kontrollstrukturen

if-Anweisung

Die einfachste Form einer bedingten Verzweigung in Java ist die if-Anweisung. Sie führt einen Codeblock nur dann aus, wenn die angegebene Bedingung erfüllt (true) ist. Andernfalls wird der Codeblock übersprungen.

if-Anweisung

if-else-Verzweigung

Die if-else-Verzweigung erweitert die if-Anweisung, indem sie eine Alternative bietet, wenn die Bedingung nicht wahr ist. Das bedeutet, dass ein alternativer Codeblock immer ausgeführt wird, wenn die Bedingung falsch ist.

if-else-Verzweigung

if-else-if-Kette

Wenn mehrere Bedingungen nacheinander geprüft werden sollen, wird die if-else-if-Kette verwendet. Mit dieser Struktur können verschiedene Bedingungen nacheinander geprüft werden, und der erste Block, dessen Bedingung wahr ist, wird ausgeführt.

if-else-if-Kette

Verschachtelung

If-Else-Verzweigungen können auch verschachtelt werden, indem man if- oder if-else-Blöcke innerhalb anderer if- oder else-Blöcke platziert. Dies ermöglicht komplexere Entscheidungsstrukturen.

Verschachtelung

Ternärer Operator

Java (und andere Programmiersprachen) bietet eine kompakte Möglichkeit, einfache If-Else-Verzweigungen mit dem ternären Operator in einer Zeile auszudrücken.

Ternärer Operator

Übungen

1. Implementiere ein Programm, das eine Zahl einliest und mittels eines if-Statements prüft, ob sie positiv, negativ oder null ist, und die entsprechende Meldung ausgibt.
2. Erstelle ein Programm, das Noten in Buchstabenwerte (A, B, C...) umwandelt, basierend auf Punktzahlen mit einer if-else-if-Kette.
3. Schreibe ein Programm mit verschachtelten If-Else-Verzweigungen, das die maximale von drei Zahlen bestimmt.
4. Nutze den ternären Operator, um zu evaluieren, ob eine Zahl gerade oder ungerade ist.

Switch-Statement

Die switch-Anweisung ist eine Kontrollstruktur in Java, die es ermöglicht, eine Variable mit mehreren möglichen Werten zu vergleichen und basierend auf dem Wert einen bestimmten Codeblock auszuführen. Sie wird häufig verwendet, wenn mehrere Bedingungen nacheinander geprüft werden müssen und es zu umständlich oder unübersichtlich wäre, viele if-else-if-Anweisungen zu verwenden.
switch-Anweisungen können zudem durch sogenannte jump tables performanter sein, als if-else-Anweisungen (Paper-Link).

Switch-Statement

1. Ausdruck: Der Ausdruck, dessen Wert geprüft wird. In Java können dies die folgenden Datentypen sein: int, short, char, byte (oder deren Wrapper-Typen), String (seit Java 7) oder eine Enumaration.
2. case: Jeder case-Block enthält einen möglichen Wert für den Ausdruck. Wenn der Ausdruck den angegebenen Wert hat, werden die Anweisungen im entsprechenden case-Block ausgeführt.
3. break: Beendet die switch-Anweisung, damit keine Anweisungen in den folgenden case-Blöcken ausgeführt werden. Findet die break-Anweisung nicht statt, werden alle nachfolgenden case-Blöcke ausgeführt - dieses Verhalten nennt man Fallthrough
4. default: Wird ausgeführt, wenn keiner der vorherigen case-Blöcke zutrifft. Der default-Block ist optional.

Switch-Statement

Switch-Statement - Fallthrough

Übungen

1. Schreibe ein Programm, das dem Benutzer ein Menü mit verschiedenen Getränken (z. B. 1 = Wasser, 2 = Kaffee, 3 = Tee, 4 = Limonade) anzeigt. Der Benutzer gibt eine Zahl ein, und das Programm gibt den Namen des gewählten Getränks aus. Falls die Eingabe ungültig ist (z. B. 0 oder eine Zahl außerhalb des Menüs), soll eine Fehlermeldung erscheinen. Nutzer u.a. switch-Statements.
2. Schreibe ein Programm, das eine Schulnote (1 bis 6) einliest und mithilfe eines switch-Statements eine passende Beschreibung ausgibt (z. B. 1 = „Sehr gut“, 2 = „Gut“, 3 = „Befriedigend“ usw.). Für ungültige Eingaben soll eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben werden.

Schleifen

Schleifen

Schleifen ermöglichen es, einen Block von Anweisungen wiederholt auszuführen, solange eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. Java bietet mehrere Arten von Schleifen, die je nach Bedarf und Anwendungsfall verwendet werden können.

for-Schleife

for-Schleife

while-Schleife

Die while-Schleife wird verwendet, wenn die Anzahl der Wiederholungen nicht im Voraus bekannt ist und die Schleife so lange laufen soll, wie eine bestimmte Bedingung wahr ist.

while-Schleife

do-while-Schleife

Die do-while-Schleife ist ähnlich wie die while-Schleife, führt jedoch den Anweisungsblock mindestens einmal aus, bevor die Bedingung überprüft wird.

do-while-Schleife

do-while-Schleife

for-each-Schleife

Die erweiterte for-Schleife, for-each-Schleife genannt, ist eine Schleife, die speziell für die Iteration über Arrays & Sammlungen (engl. Collections) in Java entwickelt wurde. Sie ist besonders nützlich, wenn alle Elemente in einer Sammlung durchlaufen werden, ohne einen Index verwenden zu müssen.

for-each-Schleife

break und continue

break: Beendet die Schleife sofort, unabhängig von der Bedingung.

break und continue

break und continue

continue: Überspringt den aktuellen Durchlauf der Schleife und fährt mit dem nächsten Durchlauf fort.

break und continue

Übungen

1. Schreibe ein Programm, das die einfache for-Schleife verwendet, um die ersten 10 Fibonacci-Zahlen zu berechnen.
2. Erstelle ein Programm, das eine while-Schleife verwendet, um eine Zahl so lange zu halbieren, bis sie kleiner als 1 ist.
3. Implementiere eine do-while-Schleife, um ein Passwort von einem Benutzer abzufragen, bis es korrekt eingegeben wird.
4. Implementiere ein Programm, das die Fakultät einer Zahl mit einer for- & while-Schleife berechnet.
5. Schreibe ein Programm, das die Verwendung von break und continue in Schleifen zeigt, z. B. um Zahlen in einem Bereich zu überspringen.
6. Implementiere ein Programm, das überprüft, ob eine gegebene Zahl eine Primzahl ist.

Datenstrukturen

Datenstrukturen

Datenstrukturen sind essenzielle Werkzeuge in der Programmierung, die es ermöglichen, Daten effizient zu speichern, zu organisieren und darauf zuzugreifen. In Java gehören Arrays & ArrayLists zu den grundlegendsten und am häufigsten verwendeten Datenstrukturen.

Arrays

Ein Array ist eine Datenstruktur, die eine feste Anzahl von Elementen desselben Typs enthält. Es wird zur Speicherung einer festgelegten Anzahl von Werten verwendet, die über einen Index angesprochen werden können.

Arrays

Einschub: Wrapper

Wrapper

ArrayList

Die ArrayList ist eine flexible, dynamische Datenstruktur, die Teil der Java Collections Framework ist. Im Gegensatz zu Arrays kann ihre Größe dynamisch angepasst werden, was sie für Anwendungen geeignet macht, bei denen die Anzahl der zu speichernden Elemente nicht im Voraus bekannt ist.

ArrayList

Übungen

1. Erstelle ein Programm, das ein Array mit mindestens 10 ganzzahligen Werten enthält. Verwende eine forEach-Schleife, um die Summe aller Elemente im Array zu berechnen. Gib anschließend den Durchschnitt der Werte auf der Konsole aus.
2. Schreibe ein Programm, das eine ArrayList mit mindestens 15 Zufallszahlen zwischen 1 und 100 generiert - verwende hierzu new Random().nextInt(100)+1. Verwende eine forEach-Schleife, um alle Zahlen in der Liste zu durchlaufen und nur die geraden Zahlen auszugeben.
3. Schreibe eine Applikation, die ein 2D-Array transponiert (Zeilen und Spalten vertauscht).
   Beispiel: (1, 2, 3), (4, 5, 6) wird zu (1, 4), (2, 5), (3, 6)

Parameter

Parameter

Ein Parameter ist eine Variable, die in der Methodensignatur definiert ist und der Methode einen Wert übergibt, wenn sie aufgerufen wird. Parameter ermöglichen es Methoden, Eingabewerte zu erhalten und basierend auf diesen Werten Operationen durchzuführen. Die Definition von Parametern erfolgt in der Methodensignatur, zwischen dem Methodennamen und den geschweiften Klammern.

Parameter

Call by Value

Bei der Übergabe von Wertparametern wird eine Kopie des Wertes an die Methode übergeben. Änderungen am Parameter innerhalb der Methode haben keinen Einfluss auf den ursprünglichen Wert außerhalb der Methode.

Call by Value

Call by Reference

Bei der Übergabe von Referenzparametern wird die Referenz (der Speicherort) eines Objekts an die Methode übergeben. Änderungen an den Parametern innerhalb der Methode wirken sich auf das ursprüngliche Objekt aus.

Call by Reference

Übungen

Varargs

Java unterstützt auch die Verwendung von variablen Argumenten, sogenannten Varargs, die es ermöglichen, eine beliebige Anzahl von Argumenten eines bestimmten Typs an eine Methode zu übergeben. Dies ist besonders nützlich, wenn die Anzahl der Eingaben zur Compile-Zeit nicht bekannt ist.

Varargs

Methoden

Prozedur & Funktion

In Java sind Methoden grundlegende Bausteine, die es ermöglichen, Code zu strukturieren und wiederverwendbar zu gestalten. Methoden können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Prozeduren & Funktionen.

Prozedur

1. Eine Prozedur ist eine Methode, die Aufgaben ausführt, aber keinen Rückgabewert hat. Sie dient dazu, wiederkehrende Operationen wie z. B. Datenmodifikationen oder Ausgaben auf dem Bildschirm zu kapseln.
2. Rückgabetyp: Der Rückgabetyp void zeigt an, dass die Prozedur keine Werte zurückgibt, sondern lediglich Aktionen ausführt.
3. Aufbau: Eine Prozedur besteht aus einer Methodensignatur, die den Namen und die Parameter definiert, sowie einem Methodenrumpf, der die auszuführenden Anweisungen enthält.

Prozedur

Prozedur

Funktion

• Eine Funktion ist eine Methode, die Aufgaben ausführt und einen Wert zurückgibt. Sie wird eingesetzt, wenn eine Berechnung ein Ergebnis erzeugt, das weiterverwendet werden soll.
• Rückgabewert: Der Rückgabewert wird in der Methodensignatur durch den Datentyp festgelegt. Funktionen geben mit dem Schlüsselwort return den berechneten Wert zurück.
• Aufbau: Eine Funktion umfasst eine Methodensignatur und einen Methodenrumpf mit Anweisungen, die den gewünschten Wert berechnen.

Funktion

Übungen

1. Schreibe eine Prozedur, die eine Nachricht auf der Konsole ausgibt, und eine Funktion, die den Durchschnitt von drei Zahlen berechnet.
2. Schreibe eine Methode, die den Umfang eines Kreises berechnet, und definiere den Radius als Parameter.
3. Schreibe eine Prozedur, die alle Zahlen von 1 bis n (Parameter) auf der Konsole ausgibt. Schreibe eine Funktion, die prüft, ob eine gegebene Zahl (Parameter) eine Primzahl ist. Die Funktion soll true zurückgeben, wenn die Zahl eine Primzahl ist, und false, wenn nicht.

Objekte und Klassen

Referenzdatentypen

Ein Referenzdatentyp ist ein Datentyp, der eine Referenz auf ein Objekt im Speicher hält, anstatt den Wert des Objekts selbst zu speichern – im Gegensatz zu primitiven Datentypen. Diese Referenz ermöglicht den Zugriff auf die Attribute und Methoden des Objekts.

Referenzdatentypen – Arten

Klassen: Grundlage für die Erstellung von Objekten in Java. Sie definieren die Struktur und das Verhalten von Objekten, einschließlich ihrer Attribute und Methoden.

Referenzdatentypen – Arten

Referenzdatentypen – Arten

Interface: Eine Sammlung von abstrakten Methoden, die von Klassen implementiert werden können. Interfaces fördern die Modularität und ermöglichen polymorphe Programmierung.

Referenzdatentypen – Arten

Referenzdatentypen – Arten

Arrays: Spezielle Objekte, die eine Sammlung von Werten des gleichen Datentyps speichern. In Java sind Arrays selbst Referenzdatentypen, die auf eine Gruppe von Werten verweisen.

Referenzdatentypen – Arten

Referenzdatentypen – Arten

Strings: Eine spezielle Art von Referenzdatentypen, die eine Zeichenfolgenstruktur repräsentieren.

Referenzdatentypen – Arten

Nullreferenzen

Eine Nullreferenz eine Referenzvariable, die mit null belegt ist und somit auf kein Objekt im Speicher verweist; der Zugriff auf Methoden oder Attribute einer solchen Referenz löst eine NullPointerException aus, weshalb vor der Nutzung stets eine Nullprüfung empfohlen wird.

Nullreferenzen

Operatoren – Instanceof

Der instanceof-Operator wird verwendet, um zu überprüfen, ob ein Objekt eine Instanz einer bestimmten Klasse oder eines Interfaces ist. Dies wird in der objektorientierten Programmierung verwendet, um die Typensicherheit zu gewährleisten.

Operatoren – Instanceof

Enums

Ein Enum (kurz für Enumerationen) ist eine spezielle Klasse, die eine Gruppe von konstanten Werten definiert. In Java werden Enums mit dem Schlüsselwort enum deklariert, gefolgt von einer Liste der Werte, die durch Kommas getrennt sind.

Enums

Enums

Übungen

1. Definiere ein Enum namens Wochentag und implementiere eine Methode, die je nach Wochentag unterschiedliche Nachrichten ausgibt (z.B. „Wochenende“ oder „Arbeitstag“).
2. Ergänze das Enum mit Eigenschaften (z.B. Anzahl der Stunden pro Arbeitstag) und demonstriere deren Nutzung.

Klassen

Eine Klasse in Java ist ein Datentyp, der eine Sammlung von Attributen und Methoden innehält, um das Verhalten und die Eigenschaften von Objekten zu beschreiben. Klassen ermöglichen es Entwicklern, Daten und Funktionen logisch zu organisieren und wiederverwendbare Codeeinheiten zu erstellen.

Klassen

Zugriffsmodifikatoren

Zugriffsmodifikatoren

Zugriffsmodifikatoren

Konstruktoren

Ein Konstruktor ist eine spezielle Methode, die beim Erstellen eines Objekts einer Klasse aufgerufen wird. Konstruktoren haben denselben Namen wie die Klasse und haben keinen Rückgabewert. Sie werden verwendet, um die Attribute eines Objekts zu initialisieren.

Konstruktoren

Konstruktoren

Hinweis: Der Vorteil von this liegt in der Lösung von Namenskonflikte zwischen Instanzvariablen & lokalen Variablen/ Parametern - shadowing. this repräsentiert die Referenz auf das aktuelle Objekt.

Objekte und Instanziierung

Ein Objekt ist eine Instanz einer Klasse, die im Speicher existiert und Zugriff auf die Attribute und Methoden der Klasse hat. Um ein Objekt zu erstellen, d. h. zu instanziieren, verwendet man das Schlüsselwort new, gefolgt von einem Aufruf des Konstruktors der Klasse.

Objekte und Instanziierung

Praxis: N Classes; 1 File

Mehrere Logik-Inhalte in einer Datei

Praxis: N Classes; 1 File

Verteilung der Logiken in Subbausteine

Praxis: N Classes; 1 File

Gründe gegen mehrere "lose" Klassen in einer Datei:

• Compile-Schwierigkeiten, v.a. bei Abhängigkeiten
• Unübersichtliche/ verwirrende Strukturierung
• Verhindert logische Kapselung, es wird zu viel Code "offenbart"

Übungen

1. Erstelle eine Person-Klasse, die zwei Felder enthält: name und age. Schreibe ein Programm, das eine Person-Instanz erstellt und deren Name und Alter ausgibt.
   • Vermeide eine NullPointerException, indem du sicherstellst, dass die Instanz nicht null ist, bevor du auf deren Felder zugreifst. Falls die Instanz null ist, gib eine entsprechende Fehlermeldung aus.
2. Schreibe eine Methode, die einen String als Parameter entgegennimmt und dessen Länge zurückgibt.
   • Verhindere eine NullPointerException, indem du sicherstellst, dass der übergebene String nicht null ist, bevor du dessen Länge berechnest. Falls der String null ist, gebe eine Fehlermeldung aus, die darauf hinweist.

Übungen

Vererbung

Vererbung ermöglicht es einer Klasse, die Eigenschaften und Methoden einer anderen Klasse zu erben, was zu einer Hierarchie von Klassen führt.

Vererbung

Method Overriding

Method Overriding ist ein Konzept, bei dem eine abgeleitete Klasse eine Methode einer Basisklasse mit der gleichen Signatur neu implementiert. Diese Funktionalität ermöglicht es einer abgeleiteten Klasse, das Verhalten einer Methode der Basisklasse zu ändern. Das Überschreiben einer Methode wird durch die Annotation @Override gekennzeichnet.

Method Overriding

Übungen

1. Schreibe eine Klasse mit mehreren überladenen Methoden zur Berechnung der Fläche von circle, rectangle und triangle.
2. Implementiere eine Klasse Animal mit der Methode makeSound(). Leite Klassen wie Dog und Cat ab, und überschreibe die Methode.

Übergeordnete Variablen & Methoden

Das super-Keyword wird verwendet, um auf die Methoden und Attribute der übergeordneten Klasse zuzugreifen.

Übergeordnete Variablen & Methoden

Übergeordnete Variablen & Methoden

Übungen

1. Implementiere ein Beispiel für Vererbung, indem eine Klasse Vehicle und davon abgeleitete Klassen wie Car und Motorcycle erstellt werden.
2. Erstelle eine Basisklasse und eine abgeleitete Klasse. Zeige, wie mit super auf übergeordnete Variablen und Methoden zugegriffen werden kann.
3. Definiere eine Klasse Vehicle mit Unterklassen Car und Bicycle. Implementiere unterschiedliche Methoden wie driving() für jede Klasse.

Klassenvariablen & -Methoden

Das static-Keyword wird verwendet, um Variablen und Methoden als Klassenmitglieder zu deklarieren, die nicht an eine spezifische Instanz einer Klasse gebunden sind. Stattdessen sind sie auf die Klasse selbst bezogen.

Klassenvariablen & -Methoden

Klassenvariablen & -Methoden

Übungen

1. Erstelle eine Klasse ShoppingBasket mit einer statischen Konstanten MAX_ITEMS = 10. Füge eine statische Methode isFull(int currentAmount) hinzu, die prüft, ob die Artikelanzahl den Maximalwert erreicht. Teste die Methode mit verschiedenen Werten.
2. Erstelle eine Klasse AppConfiguration mit einer statischen Liste defaultLanguages, die vordefinierte Sprachen (z.B. "Deutsch", "Englisch") enthält. Schreibe eine statische Methode addLanguages(String language), die eine neue Sprache zur Liste hinzufügt. Gib die Liste nach dem Hinzufügen aus.

Unveränderbarkeit

final wird verwendet, um eine Variable, Methode/ Klasse als unveränderlich zu kennzeichnen – einmal zugewiesene Werte können nicht geändert werden:

Unveränderbarkeit

Finale Variablen: Eine finale Variable kann nur einmal zugewiesen und danach nicht mehr geändert werden.

Unveränderbarkeit

Finale Methoden: Eine finale Methode kann nicht in einer abgeleiteten Klasse überschrieben werden.

Unveränderbarkeit

Finale Klassen: Eine finale Klasse kann nicht erweitert (vererbt) werden.

Übungen

1. Erstelle eine Klasse Kreis, die eine finale Variable PI enthält, die den Wert von Pi (3.14159) speichert. In der Klasse soll eine Methode calculateArea() implementiert werden, die den Flächeninhalt eines Kreises berechnet. Die Methode nimmt den Radius als Parameter und berechnet die Fläche mit der finalen PI-Variablen.
2. Erstelle eine Klasse Vehicle, die eine Methode driving() enthält, die mit dem final-Modifikator markiert ist.
3. Erstelle eine unveränderliche Klasse Address mit den Attributen Street, town and postcode. Stelle sicher, dass die Klasse unveränderlich bleibt.

Getter und Setter

Getter und Setter

Übungen

1. Erkläre, warum Getter und Setter nützlich sind. Implementiere dazu eine Klasse Account, die das aktuelle Guthaben speichert. Schreibe Getter- und Setter-Methoden mit Validierungen (z.B. keine negativen Einzahlungen).
2. Implementieren die Klasse Person mit privaten Attributen wie Name und Alter. Schreibe passende Getter- und Setter-Methoden. Modifiziere die Setter-Methode so, dass sie das Alter auf Werte zwischen 0 und 120 begrenzt.

Java Object

Java Object

Vorschau nächstes Semester

Wie ist Java hierarchisch aufgebaut?

Übung

Records

Records sind ein neuer Datentyp (ab Java 16). Sie bieten eine einfache Möglichkeit, Datenklassen zu erstellen, die nur aus einem Satz von unveränderlichen Attributen bestehen. Records reduzieren Boilerplate-Code, indem sie automatisch Getter, toString(), equals() und hashCode()-Methoden generieren. Ein Record wird mit dem Schlüsselwort record deklariert.

Records

Übungen

1. Implementiere ein Record namens Point mit den Attributen x und y. Zeige, wie Records mit equals(), hashCode() und toString() arbeiten.
2. Erstelle einen Record Book, der die Attribute title, author und pages enthält. Implementiere eine Methode describeBook(), die eine kurze Beschreibung des Buches ausgibt. Demonstriere in der main-Methode, wie du ein Buch-Objekt erstellst und die Methode aufrufst.

Abstrakte Klassen

Eine abstrakte Klasse wird mit dem Schlüsselwort abstract deklariert. Sie kann wie eine normale Klasse Attribute und Methoden definieren, jedoch müssen nicht alle Methoden implementiert sein. Abstrakte Methoden müssen in den abgeleiteten Klassen überschrieben werden. Zudem kann eine abstrakte Klasse nicht instanziiert werden.

Abstrakte Klassen

Übungen

1. Erstellen eine abstrakte Klasse Shape mit Methoden wie calculateArea() und calculatePerimeter(). Leite konkrete Klassen wie circle and rectangle ab und implementiere die Methoden.
2. Erstelle eine abstrakte Klasse Animal, die ein Attribut name enthält und eine abstrakte Methode makeNoise(). Implementiere in der abstrakten Klasse eine Methode showName(), die den Namen des Tieres ausgibt. Erstelle dann eine Klasse Dog, die von der abstrakten Klasse Animal erbt und die Methode makeNoise() implementiert. Demonstriere, wie du ein Hund-Objekt erstellst und beide Methoden aufrufst.

Interfaces

Ein Interface ist ein abstrakter Datentyp, der eine Sammlung von Definitionen zu Methoden & Konstanten beinhaltet. Die Deklaration findet mit dem Schlüsselwort interface statt. Es ist möglich, dass eine Klasse mehrere Interfaces implementiert. Eine Klasse, die ein Interface implementiert, muss alle in diesem Interface deklarierten Methoden implementieren.

Interfaces

default-Methoden

Seit Java 8 können Interfaces default-Methoden enthalten, die eine Standardimplementierung bereitstellen. Dies ermöglicht es, Interfaces zu erweitern, ohne bestehende Implementierungen zu beeinträchtigen. Klassen, die das Interface implementieren, erben automatisch die default-Methode, können sie aber bei Bedarf auch überschreiben.

default-Methoden

Übungen

Method Overloading

Method Overloading

Übung

Kohäsion

Kopplung

Kohäsion und Kopplung

Polymorphismus

Coercion

Overloading

Overloading

Parametrischer Polymorphismus

Subtyp-Polymorphismus

Upcasting

Upcasting ist die Umwandlung eines Objekts von einem Untertyp zu einem Obertyp. Dies geschieht in der Regel implizit und ist immer typsicher, da ein Objekt der Unterklasse immer auch eine Instanz der Oberklasse ist.

Upcasting

Downcasting

Downcasting ist die Umwandlung eines Objekts von einem Obertyp zu einem Untertyp. Dies erfordert einen expliziten Cast und kann zur Laufzeit eine ClassCastException auslösen, wenn das Objekt nicht tatsächlich eine Instanz des Zieltyps ist. Daher sollte vorher mit instanceof geprüft werden.

Downcasting

Übungen

1. Implementiere ein Beispiel, das Polymorphismus zeigt, mit einer Methode playSound(), die je nach Typ eines Instruments (z. B. Gitarre, Klavier) unterschiedliche Sounds abspielt.
2. Erstelle eine Oberklasse MedicalDevice mit der Methode deviceInfo().
   1. Leite eine Unterklasse BloodPressureMonitor ab, die die Methode deviceInfo() überschreibt und zusätzlich die Methode measure() enthält.
   2. Erstelle ein Objekt der Klasse BloodPressureMonitor und weise es einer Variablen vom Typ MedicalDevice zu (Upcasting).
   3. Prüfe mit dem instanceof-Operator, ob das Objekt vom Typ BloodPressureMonitor ist.
   4. Führe ein Downcasting durch und rufe die Methode measure() auf.

Ausblick

Anwendungsfelder

• Datenverarbeitung/ DataScience
• Webentwicklung
• Mobile App-Entwicklung
• Verteilte Systeme & Cloud-Anwendungen

Kommende Vorlesungen

• Datenbanken & Persistenz
• Verteilte Systeme und Netzwerke
• Fortgeschrittene Programmiertechniken
• KI & ML

Zum Thema Benamsung

Zum Thema Architektur

Zum Thema Softwarequalität