Ch. Wolff Digitale Informationsverarbeitung, Kap. 261 Entwicklung von Java zForschungsprojekt zur...

Ch. Wolff Digitale Informationsverarbeitung, Kap. 26

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Entwicklung von Java

Forschungsprojekt zur Entwicklung einer Programmiersprache für vernetzte und eingebettete Anwendungen (OAK)

konzeptuelle Basis: OOP-Sprachen (C++, SmallTalk, Eiffel) Java Development Kit 1.2: ca. 2000 vordefinierte Klassen JDK 1.0: 1995, 1.1: 1996, 1.2: 1999 (Java 2-Plattform) „killer application“: Java Applets im WWW Nachteile höherer Programmiersprachen:

Hardwareinkompatibiliät, mangelnde Portabilität unzureichende oder nicht implementierte Standards Bedeutung des Internet über den akademischen Bereich hinaus


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Grundkonzepte

Einfachheit Objektorientierung Robustheit Portabilität und Architekturneutralität:

plattformneutraler Bytecode virtuelle Java-Maschine (JVM) als Interpreter auf jeder Plattform

Interpretierte Sprache Multithreading (nebenläufige Programmierung als genuines

Sprachkonstrukt) Leistungsfähigkeit (?) automatische Speicherverwaltung Sicherheit


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Einfachheit

Wesentlicher Anspruch: Einfachheit verglichen mit den Nachteilen von C++. Reduzierte Sprachdefinition gegenüber C++, typische Charakteristika von

C++ fehlen Einfache Migration, da syntaktisch eng an C++ angelehnt:

class HelloWorld {

public static void main(String args[]){

System.out.println(„Hello, world!");}

} Deklaration der Klasse HelloWorld Verwenden einer Methode main(), die wiederum eine vordefinierte Methode

der System-Klasse (Eigenschaft out der Klasse System vom Typ Printwriter - Ausgabe an die Konsole)


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Objektorientierung in Java

Umsetzung der Objektorientierung analog zu C++ mit Vereinfachungen Datenkapselung (Modularität, data hiding and abstraction) Polymorphismus Vererbung dynamisches Binden von Klassen nach Bedarf Objekte: Zustand definiert durch Instanzenvariablen,

Instanzenvariablen und Methoden werden in einer Klassendefinition festgelegt; Objekte werden unter Verwendung des Klassennamens instantiiert.


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Objektorientierung in Java II

Wie in C++: unterschiedliche Konstruktoren für eine Klasse

Bildung von Unterklassen (subclassing) im wesentlichen wie in C++

Wie in C++ Bildung abstrakter Superklassen, die nicht unmittelbar zu Objekten instantiiert werden: Effizienzsteigerung durch einmalige Definition abstrakter Methoden in der abstrakten Oberklasse, die dann von allen „konkreten" Objekten der Unterklassen benutzt werden können (Beispiel: Graphical - Rectangle, Circle etc)


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Besonderheiten von Java im Vergleich zu C++

Syntax: eng an C/C++ angelehnt (Operatoren, Aufbau von Ausdrücken, Datentypen ...)

Unterschiede: kein Präprozessor kein Typedef kein Define keine Records und Unions („nur Klassen !“) keine Funktionen ( Methoden !) keine Mehrfachvererbung kein Goto


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Besonderheiten von Java im Vergleich zu C++, II

kein Überladen von Operatoren keine Templates keine automatische Typumwandlung keine Zeiger/Pointer Speicherung in Unicode Packages (Pakete zusammengehörender Klassen) für

den Import von Klassen statt #include über Headerdateien

verschiedene Typen von Kommentaren automatische Speicherverwaltung synchronisierte Threads werden unterstützt


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Sprachbeschreibung von Java

lexikalische StrukturDatentypenProgrammstrukturObjektorientierungSyntax (Ausdrücke, Anweisungen,

Operatoren)


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Zeichenkodierung

Zeichenkodierung Kodierung von Zeichen in UNICODE Übersetzung eines Unicode-Zeichenstroms in Java-

Tokens Zusätzlich Mapping von ASCII nach UNICODE, um

auch Source-Code auf nicht-UNICODE-Systemen zu unterstützen (UNICODE als Obermenge von ASCII)


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Lexikalische Struktur von Java II

Quelltext ::== { Kommentar | Leerzeichen | Sprachelement }

Leerzeichen ::== ASCII-SP | ASCII-HT | ASCII-FF | Zeilenendezeichen

Sprachelement ::== Schlüsselwort | Identifikator | Literal | Separator |

Operator


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Schlüsselwörter von Java

abstractbooleanbreakbytecasecastcatchcharclassconstcontinuedefaultdo

nativenewnulloperatorouterpackageprivateprotectedpublicrestreturnshortstaticsuper

switchsychronize

dthisthrowthrowstransienttryvarvoidwhile

doubleelseextendsfinalfinallyfloatforifimplementsimportinstanceofintinterfacelong


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Programmstruktur

Quelltextdatei ::== [Paketfestlegung] {Import} {Typdeklaration}

Paketfestlegung ::== package Paketname;

Import = Typimport | Paketimport;

Typdeklaration = Klassendeklaration | Schnittstellendeklaration


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Beispiel Programmaufbau

package NeuesPaket;import java.applet.Applet;class Test extends Applet{

int EineEigenschaft = 0;int EineMethode(int EinFormalerParameter){

return (EinFormalerParameter + EineEigenschaft) * 5;}

}


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Datentypen

einfache/primitive Datentypen Zeichen: char Ganzzahlen: byte short int long Gleitkommazahlen: float double Wahrheitswerte: boolean

Referenzdatentypen Arrays Klassen-Datentypen Interface-Datentypen (Schnittstellen)


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Klassen- und Interface-Typdeklarationen

Eine Klassendeklaration führt einen Referenztyp ein, dessen Implementierung von der Implementierung einer anderen Klassen abgeleitet sein kann (Vererbung)

Eine Klasse kann unmittelbare oder mittelbare Superklasse einer anderen sein

interface-Deklaration: neuer Referenztyp, der eine Menge von Methoden und/oder Namen spezifiziert, ohne unmittelbare Implementierung


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Klassendeklarationen

Aufbau:[public] [Klassenmodifikator (abstract, final)]

class Bezeichner [extends Klassentyp] [implements Schnittstellentyp {,

Schnittstellentyp}]Klassenrumpf

Beispiele: public class Test {...}abstract class Test2 {...}public final class Test3 implements InterfaceExmpl {...}


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Klassenrumpf

Klassenrumpf = { Komponentendeklaration | Initialisierung } Der Klassenrumpf besteht aus einer oder mehrerer

Komponentendeklarationen, d.h. Variablen- und Methodenvereinbarungen sowie aus Initialisierungenpublic class test{

int test; //Deklarationint test2 = 0 //Deklaration und Initialisierung{ test = 5; } // Initialisierung in speparatem Block

int quadriere(int einWert) // Methodendeklaration{

return einWert * einWert;}

}


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Sichtbarkeit

Das Schlüsselwort public in der Klassendeklaration einer (Toplevel-)Klasse regelt deren Sichtbarkeit:

Ist die Klasse public, ist sie auch außerhalb ihres Paketes sichtbar,

ansonsten ist sie nur in dem Paket sichtbar, in dem sie deklariert wurde.


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Vererbung: Grundprinzipien

In Java existiert zwischen Klassen nur die Einfachvererbung, d.h. eine Klasse kann immer nur von einer Oberklasse abgeleitet sein:class Unterklasse extends Oberklasse{

//...}

Damit ist die sog. diamond inheritance ausgeschlossen


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Vererbung: Sonderfälle

Von einer Klasse, die als final gekennzeichnet ist, kann man keine Unterklasse ableiten:

final class Unterklasse extends Oberklasse // geht nicht: class Unterklasse2 extends Unterklasse

Umgekehrt muß man von einer als abstract gekennzeichenten Klasse eine Unterklasse ableiten, um sie verwenden zu können

Mehrfachvererbung ist nur indirekt, d.h. über die einmalige oder mehrfache Implementierung von Schnittstellen durch eine Klasse möglich (zusätzlich zur Einfachvererbung)


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Methodendeklaration

Vollständige Syntax der Methodendeklaration: [public | protected | private] Sichtbarkeit der Methode[static] Zuordnung Klasse/Objekt[abstract | final]

Vererbbarkeit/Abstraktionsgrad[native] Zugriff auf

Plattformspezifisches[synchronized] Synchronisation von threads

Resulttattyp Methodenname {[]} ([ÜbergabeParameter])[Ausnahmen] Methodenrumpf


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Methodendeklaration

Die Methodendeklaration mußwenigstens folgende Bestandteile aufweisen:

Resulttattyp MethodenName() { //Rumpf } z.B.

void eineMethode(){

int x = 5;}


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Sichtbarkeit von Methoden und Eigenschaften

public: Methode kann von anderen Klassen benutzt werden, auch außerhalb ihres Pakets bzw. der Klassenhierarchie

protected: Methode kann nur innerhalb der Klassenhierarchie und des Pakets der Klasse benutzt werden

default (kein Modifikator): Methode ist nur im gleichen Paket sichtbar

private: Methode kann nur von Objekten der Klasse, in der sie definiert ist, benutzt werden


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Konstruktoren

Konstrukten die dienen der Initialisierung von Objekten Ein Konstruktor einer Klasse hat denselben Bezeichner wie die

Klasse selbst, aber keinen Rückgabewert Für eine Klasse kann es mehrere Konstruktoren mit

unterschiedlichen Parametern geben (Polymorphismus)class Konstrukt{

int einWert;Konstrukt(int W){

einWert = W;}

}


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Konstruktoren: Beispiel

Für die vordefinierte Klasse String existieren zahlreiche verschiedene Konstruktoren, u. a.: public String() public String(String value) public String(char[] value) public String(char[] value, int offset, int count) public String(byte[] ascii, int hibyte, int offset, int count) public String(byte[] ascii, int hibyte) public String(StringBuffer, buffer)


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Schnittstellen

Mit einer Schnittstelle gibt eine man Menge von Methoden und Eigenschaften vor, die von einer Klasse implementiert werden sollen. Alle Methoden einer Schnittstelle sind abstrakt, d.h. ohne Implementierung

Eine Schnittstelle liefert eine Funktionsschablone, die von unterschiedlichen Klassen implementiert werden kann


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Aufbau von Schnittstellen

Syntax:

[public] [abstract] interface Schnittstellenname[extends Schnittstellenname {, Schnittstellenname}]Schnittstellenrumpf


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Schnittstellen: Beispiel

public interface Darstellbar{

int Groesse = 2000;int Flaeche = 500;void stelleDar();

}


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Methoden und Variablen in Schnittstellen

Alle Methoden einer Schnittstelle sind abstrakt; sie sind öffentlich (public), falls die Schnittstelle öffentlich ist

Die Variablen (Eigenschaften) einer Schnittstelle dienen zur Bestimmung von Konstantenwerten, d.h. sie müssen im Schnittstellenrumpf initialisiert werden; ihr Wert kann nicht mehr geändert werde.


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OO-Modellierung mit Java: Klassen

UML-Beispiel Umsetzung in Java

Auto

Hubraum : int

beschleunigen(int) : boolean

bremsen(int) : void

Gewicht : int

class Auto{

int Hubraum;int Gewicht;boolean beschleunigen(int umWieviel){

// Implementierung ...return true;

}void bremsen(int umWieviel){

// Implementierung ...}

}


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OO-Modellierung mit Java: Objekte


einAuto : Auto

Hubraum = 1800

Gewicht = 1100

class Autotest{

Auto einAuto;public Autotest(int H, int G){

einAuto.Hubraum = H;einAuto.Gewicht = G;

}// Das Objektschema links zeigt das Objekt einAuto// in dem Zustand, in dem es sich nach Aufruf des// Konstruktors Autotest(1800, 1100) befindet.

}


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OO-Modellierung mit Java: Vererbung


Fahrzeug

Kombi

Flugzeug Auto

class Fahrzeug{

// Eigenschaften /Methoden}class Flugzeug extends Fahrzeug{

// Eigenschaften /Methoden}class Auto extends Fahrzeug{

// Eigenschaften /Methoden}class Kombi extends Auto{

// Eigenschaften /Methoden}


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OO-Modellierung mit Java: Schnittstellen

«interface»Druckbar

bereiteDruckDaten() : void

sendeDruckDaten() : void

interface Druckbar{

// Methodenköpfe ohne Implementierungvoid bereiteDruckDaten();void sendeDruckDaten()

}

Grafik

Druckbar

bzw. Grafik

Druckbar

class Grafik implements Druckbar{

void bereiteDruckDaten(){

// Realisierung}void sendeDruckDaten(){

// Realisierung}

}


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Fazit: OO-Konzepte in Java

Entstehung der Sprache: Java ist syntaktisch eng an C++ angelehnt, aber

anders als C++ eine streng an den Prinzipien der Objektorientierung orientierte Sprache.

Ausnahme: Primitiven Datentypen, die keine Objekte eines Klassentyps sind.

Typisierung: Java realisiert eine strenge Typprüfung – sowohl zur

compile time als auch zur Laufzeit eines Programms.


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OO-Konzepte in Java (Forts.)

Vererbung Für Klassen existiert nur Einfachvererbung,

Mehrfachvererbung nur für Schnittstellen

Polymorphismus: das Überladen von Methoden und Konstruktoren, Entscheidung für die passende Methodenimplementierung

zur Laufzeit (late binding) und Zuweisung von Objektreferenzen zu Objektreferenzen

anderen Typs (im gleichen Teilbaum der Klassenhierarchie) Kein Überladen von Operatoren (z. B. Neudefinition von ‚+‘

oder ‚*‘ für eine Klasse)


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OO-Konzepte in Java III

Initialisierung und Konstruktoren Eigenschaften von Klassen werden automatisch instantiiert

und mit Default-Werten belegt (0 bei Integer-Werten, false bei boolean ...)

Für jede Klasse existiert ein (parameterloser) Defaultkonstruktor

unterschiedliche Konstruktoren (Parametertyp und -anzahl) können deklariert werden

Die “Dekonstruktion” von Klassen geschieht automatisch durch die Speicherverwaltung


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OO-Konzepte in Java IV

Abstrakte Klassen Die Bildung abstrakter Klassen wird von Java unterstützt.

Zusätzlich können in Schnittstellen abstrakte Methoden zusammengestellt werden, die einen semantisch zusammengehörenden Funktionalitätsbereich spezifizieren.

Metaklassen und Klassenobjekte Durch die Klasse Class und die im Paket java.lang.reflect

unterstützt Java die Bildung von Klassen und Objekten und das dynamische Laden von Klassen, deren Instantiierung und Verwendung zur Laufzeit eines Programms.


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OO-Konzepte in Java V

Generische Klassen Mit Hilfe der Basisklasse Object und der Mechanismen der

class reflection lassen sich generische Klassen (z. B. abstrakte Datentypen) definieren, die je nach Bedarf mit Objekten unterschiedlichen Typs gefüllt werden können, vgl. unten Kap. und .

Zuweisung von Objektreferenzen Die Zuweisung von Objektreferenzen erfolgt auf der Basis der

Referenzsemantik (d. h. die Referenz auf das Objekt, nicht seine Werte werden übergeben). Für primitive Datentypen gilt die Wertsemantik.


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Anweisungen und Anweisungsblöcke

Blockaufbau und Variablendeklarationen erfolgen im wesentlichen nach den von C++ bekannten Regeln.

Folgende Typen von Anweisungen sind in Java vorhanden: Leere Anweisung Anweisung mit Label Ausdruck; Auswahl Iteration Sprunganweisung Sychronisationsanweisung Ausnahmeanweisung


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Anweisungsblöcke

Ein Anweisungsblock besteht aus einer einzenlen, durch Semikolon abgeschlossenen Anweisung oder einer in geschweiften Klammern eingefassten Folge von Anweisungen:

Anweisung;

{Anweisung1; Anweisung2;// ...Anweisungn;

}


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Methoden- und Komponentenzugriffe

Auf die Methoden einer Klasse (eines Objektes einer Klasse) kann man unter Angabe von Klase und Methode zugreifen:

Objektname.Methodenname();Z. B.:System.out.println();

Gleiches gilt für die Komponenten eines Objekts:MeinObjekt.MeineEigenschaft = 0;

Die Angabe der Objektvariablen ist nur notwendig, wenn der Zugriff nicht ohnehin innerhalb der Klassendeklaration erfolgt.


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Operatoren und Separatoren

verfügbare Operatoren im wesentlichen mit den aus C/C++ bekannten Operatoren identisch:Separatoren:

() [] {} ; , .Operatoren:

= > < ! ? : == <= >= != && ||++ -- + - * / & | ^ %

<< >>>>> += -= *= /= &= |= ^= %=<<= >>=>>>=Wichtig: Der Additionsoperator ist auch für Objekte vom Typ String definiert (string concatenation).


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Auswahlanweisungen

Wie in C/C++ gibt es zwei Formen: if-Anweisung (mit else-Verzweigung) switch-Anweisung Zu beachten ist, daß bei der if-Anweisung der auszuwertende

Typ den Datentyp boolean haben muß; anders als in C können also nicht ohne weiteres einfach Integer-Variablenwerte ausgewertet werden, da sie nicht direkt nach boolean konvertierbar sind.


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Die IF-Anweisung

if(<Bedingung>)Anweisung; bzw. {Anweisungsblock;} [else Anweisung; bzw. {Anweisungsblock;}]

class Test{

static public void main(String args[]){

int iZaehler = 5;if(iZaehler > 10){

System.out.println(iZaehler);}else{

System.out.println(iZaehler+10);} } }


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Switch-Anweisung

switch(<Ausdruck>){

case Auswahlwert1:// auszuführender Code für Fall 1

[break;]

case Auswahlwert2:// auszuführender Code für Fall 1

[break;]// ...ggf. weitere Fälle

default:// auszuführender Code, sollte sonst nichts zutreffen

[break;]}


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Beispiel Switch-Anweisung

int i = 0;

for(i = 5; i >= 0; i--)

{

switch(i)

{

case 4:

case 5:

System.out.print("i ");

break;

case 3:

System.out.print("\bst");

break;

case 2:

System.out.print(" die ");

case 1:

System.out.println("Zählvariable");break;

default:

System.out.println(".");break;

}}

}}


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Iterationsanweisungen

Zur Ablaufsteuerung existieren wie in C/C++ drei Schleifenkonstrukte: eine while-Schleife:

while (Ausdruck) Statement eine do/while-Schleife:

do Anweisung while (Ausdruck) eine for-Schleife:

for(Init; Ausdruckopt; Inkrementopt) Anweisung


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Beispiel while-Schleife

// ...iZaehler = 5;while(iZaehler-- > 0){

System.out.Println(iZaehler);}// ...while(false){

// Schleifenrumpf wird nie erreichtSystem.out.println(iZaehler);

}// ...


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Beispiel do-while-Schleife

iZaehler = 5;do{

System.out.println("Schleifenrumpf do-while\n");

}while(iZaehler-- > 0);


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Beispiel For-Schleife

for(i = 5; i < 10; i++){

System.out.println(i);System.out.println(“\n”);

}


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Sprunganweisungen

Der Kontrollfluß kann auch unbedingt durch Sprunganweisungen gesteuert werden: break [Bezeichner] - Verlassen einer Ausführungsumgebung continue [Bezeichner] - Fortsetzen einer umgebenden

Anweisung return [<Ausdruck>] Wertrückgabe


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Beispiel break-Anweisung

int i = 0;for(i = 5; i >= 0; i--){

if(i == 3)break;

}System.out.println(i);


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Beispiel Break mit Label

int i = 10, j = 0, k = 0;Ziel_des_Sprungs: while(i > 0){

do{

j++;for(k = 5; k >= 0; k--){

if(k == 3)break Ziel_des_Sprungs;

}}while(j < 10);i--;

}System.out.println(k);

Ausgabe: 3


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Beispiel continue-Anweisung

for(int i = 0; i < 5; i++){

System.out.println("vor");if(i == 2) continue;System.out.println("nach");

}

Ausgabe:vor nach vor nach vor vor nach vor nach


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Defensives Programmieren mit Ausnahmen

Möglichst frühzeitig sollen vom "normalen" Verhalten eines Programms abweichende Ereignisse abgefangen werden. Gerade bei Zugriff auf externe Ressourcen (Dateien, Netzwerkverbindungen etc.) tritt häufig der Fall ein, daß etwa ein Dateizugriff nicht gelingt da die Datei gesperrt ist oder eine Netzwerkressource nicht erreicht werden kann.

Dazu dienen in Java Ausnahmen


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Ausnahmen

Ausnahmen können durch eine throws-Anweisung einer Methode zugeordnet werden

in Java gibt es eine Reihe vordefinierter Ausnahmen Eine Ausnahme wird durch die throw-Anweisung

explizit ausgelöst


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Beispiel: Ausnahmeauslösung

static int teile(int x, int y) throws ArithmeticException{

if(y==0)throw(new ArithmeticException("Division durch 0"));elsereturn x / y;

}


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Abarbeiten von Ausnahmen

Try-, catch- und finally-Anweisungen dienen der Bearbeitung von Ausnahmen

Folgende Varianten sind erlaubt: try <Anweisungsblock> <catch-Block> try <Anweisungsblock> [<catch-Block>] finally

Ein mit try umschlossener Anweisungsblock muß einen catch-und/oder finally-Block nach sich ziehen. Ein einzelnes catch-Statement in einem <catch-Block> ist wie folgt aufgebaut

catch(Ausnahmetyp) <Anweisungsblock>


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try-/catch-Anweisungen schematisch

Schematisch sieht die Verwendung von try-catch-Konstrukten wie folgt aus:

try{ // Programmcode, der möglicherweise eine Ausnahme auslöst }catch(Ausnahme A1){ // Programmcode zur Ausnahmebehandlung }catch(Ausnahme A2){ // Programmcode zur Ausnahmebehandlung }finally{ // Programmcode, der unabhängig davon, wie der try-Block

// verlassen wurde, immer ausgeführt wird }

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