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Generische Klassen und Schnittstellen der Java API

• Das Paket java.util bietet Algorithmen, Klassen und Schnittstellen für die effiziente Verwaltung von Mengen beliebiger Datenobjekte.
• Typische Beispiele sind Listen, Suchbäume und Sortierverfahren.
• Wichtige generische Schnittstellen sind Comparable und Iterator.
• Comparable ermöglicht den Vergleich von zwei Objekten.
• Iterator ermöglicht den Durchlauf durch eine Datenstruktur unabhängig von der konkreten Implementierung.

Interface List<E>

• List<E> ist eine zentrale Schnittstelle in java.util.
• Es hat Ober-Interfaces wie Iterable<E>.
• Die Schnittstelle List wird von Klassen wie ArrayList<E>, LinkedList<E> und SortedList<E> implementiert.
• Wichtige Methoden im Interface List sind add(E e) (boolean), get(int index) (E) und subList(int fromIndex, int toIndex) (List<E>).

Tipps zum Umgang mit Interfaces

• Für Datenstrukturen wird empfohlen, Interfaces als Typ von Variablen/Parametern zu verwenden.
• Interfaces haben verschiedene Implementierungen mit unterschiedlichen "nicht-funktionalen" Eigenschaften.
• Algorithmen sollten meist unabhängig von "nicht-funktionalen" Eigenschaften sein.
• Beispiel für eine generische Methode, die eine List als Parameter akzeptiert: public void sort(List<E> l).
• ArrayList ist schnell beim Zugriff über den Index.
• LinkedList ist schnell beim Anfügen an den Anfang.

Interface Comparable<T>

• Das Interface Comparable<T> wird für geordnete Daten verwendet.
• Es schreibt die Methode int compareTo(T o) für Objekte o vom Typ T vor.
• Die compareTo-Methode gibt einen Integer-Wert zurück, der die Beziehung zwischen zwei Objekten angibt.
• Eine Konvention ist, dass ein negativer Wert a < b bedeutet, 0 bedeutet a == b, und ein positiver Wert bedeutet a > b.

Interface Iterator<E>

• Ein Behälter ist ein generischer Datentyp zur Verwaltung von Mengen beliebiger Objekte.
• Listen dienen nur als Beispiel für einen Behälter.
• Ein Iterator liefert in einer spezifischen Reihenfolge die Elemente eines Behälters.
• hasNext() liefert true, wenn es noch Elemente im Behälter gibt.
• next() produziert das nächste Element der Aufzählung.
• remove() entfernt das zuletzt mit next() abgelieferte Element aus dem Behälter (optional).

Beispiel: Ein Iterator für Listen

• Es existiert eine remove()-Methode als Standardmethode im Interface Iterator.
• Es wird eine UnsupportedOperationException ausgelöst

Interface Iterable<E>

• Listen können wie Arrays mit einer for-each-Schleife durchlaufen werden.
• Voraussetzung ist, dass die Liste das generische Interface Iterable<E> implementiert.
• Die Schnittstelle List erweitert die Schnittstelle Iterable.
• Die Klasse LinkedList implementiert die Methode.

Anwendung der for-each Schleife

• Da die Klasse LinkedList die Schnittstelle Iterable implementiert, kann der Durchlauf mit einer for-each-Schleife erfolgen.
• Die for-each-Schleife kann für alle Klassen, die Iterable implementieren, verwendet werden, ähnlich wie bei Arrays.

Java Generics im Detail

• Es werden weitere Details von Java Generics behandelt.
• Bisher wurden am Beispiel von Listen wichtigsten Konzepte generischer Klassen erläutert.

Syntax

• Java Generics unterstützen die Parametrisierung mit Typen bei Klassen, Schnittstellen und Methoden.
• Anzahl der Parameter ist beliebig, typischerweise aber kleiner als 3.
• Die Parameterliste wird in eckigen Klammern "<...>" angegeben.
• Bei Klassen und Schnittstellen folgt die Angabe nach dem entsprechenden Namen.
• Parameter werden durch Kommata getrennt.

Beschränkungen

• Keine primitiven Typen als Argument für Typparameter.
• Keine Aufrufe von Konstruktoren des Typparameters T.
• Keine Aufrufe statischer Methoden des Typparameters T.
• Keine Verwendung des Typparameters T in der Definition von statischen Methoden oder statischen Felddeklarationen.
• Keine Allokation eines Arrays vom Typparameter T.
• Implizite Typumwandlungen sind beim Hinzufügen von primitiven Datentypen in eine Liste von Wrapper-Klassen möglich.

Generische Methoden

• Objektmethoden dürfen Typparameter der Klasse verwenden.
• Java erlaubt sowohl statischen als auch Objektmethoden, eigene Typparameter zu deklarieren.
• Die Liste der generischen Typen wird vor dem Rückgabetyp der Methode angegeben.

Automatische Typ-Bestimmung

• Der Java-Compiler kann den Typ für Typparameter oft selbst bestimmen.
• Dies gilt sowohl bei der Erzeugung einer Instanz als auch beim Aufruf einer Methode wo es eine explizite Typangabe.

Einschränkung des Typparameters

• Bisher wurden beliebige Typen bei der Instanziierung generischer Typen erlaubt.
• In bestimmten Fällen werden jedoch gewisse Eigenschaften von Typen gefordert.
• Eine sortierte Liste sollte z.B. nur mit Typen instanziiert werden, die das Interface Comparable unterstützen.

extends-Klausel

• Bei einer generischen Klasse kann eine Eigenschaft für einen Typparameter durch Angabe des Schlüsselworts extends und einer Klasse oder Schnittstelle gefordert werden.
• Die Klasse Number aus der Java API ist die Oberklasse von Klassen wie Integer oder Double.

extends-Klausel mit Schnittstellen

• Um eine Ordnung in einer Liste sicherzustellen, sollte der generische Typ die Schnittstelle Comparable unterstützen.
• Die Einschränkung, dass ein Typparameter von einer Schnittstelle erben muss, wird ebenfalls über die extends-Klausel angegeben.

Wildcards – Motivation (1)

• Bei den Möglichkeiten in Generics gibt es Probleme.
• Die Klasse Object ist Oberklasse von Point2D.
• LinkedList<Object> ist keine Oberklasse von LinkedList<Point2D>.
• Es gibt keine Polymorphie zwischen den beiden Listen-Klassen.

Warum ist es nicht erlaubt?

• Eine Methode zum Einfügen eines neuen Konto-Objekts in eine Liste vom Typ LinkedList<Object>.
• Der Aufruf der Methode mit einem Parameter vom Typ LinkedList<Point2D> sollte verhindert werden, da Konto keine Unterklasse von Point2D ist.

Warum sollte es erlaubt sein?

• Es soll eine Methode bereitgestellt werden, um eine beliebige Liste auszugeben, aber dem ist es nicht erlaubt!
• Die Methode verändert die Liste gar nicht.

Wildcard-Typ

• Durch Verwendung eines Wildcard-Typs wird das Problem behoben.
• Einschränkungen bei Verwendung des Wildcard-Typs als Typargument: In der Methode dürfen wir nicht die Methode add aufrufen.
• Der Typparameter der generischen LinkedList<?> ist unbekannt.

Beziehung zwischen Klassen

• Durch LinkedList<?> wird ein Obertyp für alle LinkedList-Klassen zur Verfügung gestellt.
• Einschränkungen: Wenn Methoden den Typparameter der LinkedList<?> als Ergebnis liefern, können wir nur davon ausgehen, dass das Ergebnis zur Klasse Object gehört.
• Es darf kein Aufruf einer Methode von LinkedList<?> erfolgen, in der die Parameterliste den Typparameter verwendet.
• Die erste Einschränkung kann durch nach oben beschränkte Wildcards gelockert, die zweite wird durch nach unten beschränkte Wildcards aufgehoben werden.

Motivation für oben beschränkte Wildcards

• Es wird eine Klassenhierarchie mit einem Interface GeoWithExtent, das von Rectangle und Circle implementiert wird, betrachtet.
• Ziel ist es, eine generische Methode bereitzustellen, die für alle drei Listen die Summe der Flächeninhalte der Objekte berechnet.

Obere Schranke für Wildcards

• Die obere Schranke für Wildcards kann mit Hilfe des extends Schlüsselworts.
• Diese Methode kann für alle Listen parametrisiert mit einer Unterklasse von GeoObjectsWithExtent verwendet werden.

Motivation für unten beschränkte Wildcards

• Es wird die Klassenhierarchie mit dem Interface GeoWithExtent betrachtet
• Die Klasse Circle soll double getRadius() Methode besitzen
• Wenn ja wie können wir das in Java unterstützen?

Beispiel 1/2: Unbeschränkte/beschränkte Wildcards

• Die Methode "getAllRadii" liest ein Element von der Liste und erwartet dass es dem Typ Circle entspricht
• Die Liste von GeoWithExt wird mit einem Rechteck befüllt.
• Hier kommt es zu einer Fehlermeldung, da wir eine Geometrie ohne Radius haben

Untere Schranke

• Damit der Compiler diese Programme akzeptiert es wird super <Klasse> verwendet.
• Dadurch sind nur Unterklassen und die Klasse selbst möglich.
• Auch hier ist nur ein lesender Zugriff möglich.