Datenstrukturen

Vertiefung der Programmierung

Datenstrukturen

Motivation

Welche Datenstrukturen
kennen wir
schon?

Java Collections

Bild: C. Sahnwaldt

Wichtige Datenstrukturen

List

Map

Set

Diese Datenstrukturen (Collections) sind Schnittstellen, deren Methoden durch konkrete Implementierungen umgesetzt werden müssen, z.B. ArrayList<String>.

List

[E] bezieht sich auf den sog. generischen Typ, d.h. hier können sämtliche Klassen angegeben werden

Exkurs: Hash-Tabellen

Eingabe: "Marian"

{ Hash-Funktion }

Ausgabe: Bucket

Bucket	Wert
0	Hans
...	...
13	Marian

Hash-Tabellen können nahezu

genauso schnell auf Elemente zugreifen wie Arrays ➔ O(1)
(reale Laufzeit abhängig von Hash-Funktion)

Set (Mengen)

[E] bezieht sich auf den sog. generischen Typ, d.h. hier können sämtliche Klassen angegeben werden

📦 import java.util.Set;
📦 import java.util.HashSet;

Set (Mengen)

Sets implementieren mathematisch gesehen Mengen
Diese Datenstruktur sorgt automatisch dafür, dass keine Duplikate angelegt werden
- Bsp.: {1, 2, 2, 3, 3, 4} → {1, 2, 3, 4}
Der Zugriff ist sehr schnell
- HashSet: O(1)
TreeSet sortiert automatisch

Sets sind sehr gut geeignet, wenn man sicherstellen möchte, dass keine Duplikate existieren dürfen.

Set (Wichtige Methoden)

boolean add(E element)
- Fügt ein Element hinzu, wenn es noch nicht im Set vorhanden ist
- Beispiel: set.add("Max");
boolean remove(Object o)
- Entfernt ein bestimmtes Element aus dem Set
- Beispiel: set.remove("Max");
boolean contains(Object o)
- Prüft, ob ein bestimmtes Element im Set vorhanden ist.
- Beispiel: set.contains("Max");
int size()
- Liefert die Anzahl der gespeicherten Elemente
boolean isEmpty()
- Prüft, ob das Set keine Elemente enthält.

Set (Beispiel)

import java.util.Set;
import java.util.HashSet;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Set<Integer> numbers = new HashSet<>();
        numbers.add(1);
        numbers.add(2);
        numbers.add(2);

        for(Integer elem : numbers) {
            System.out.println(elem);
        }

    }   
}

Ausgabe:
1
2

⌨️ Set (Beispiel)

Map

Map speichert Daten als sog. Schlüssel-Wert-Paare (Key-Value-Pairs)
Jeder Schlüssel (Key) ist eindeutig, ein Wert darf mehrfach vorkommen
Suche nach einem Wert über den Schlüssel ist sehr schnell
→ O(1) für HashMap
Verändern der Map:
- Einträge hinzufügen: put(K key, V value)
- Einträge lesen: get(K key)
- Einträge löschen: remove(K key)

Maps eignen sich sehr gut für als universelle "Nachschlagewerke".

Map (Implementierungen)

[K] und [V] beziehen sich auf sog. generische Typen, d.h. hier können sämtliche Klassen angegeben werden.
[K] ist Key (=Schlüssel) und [V] ist Value (=Wert)

📦 import java.util.Map;
📦 import java.util.HashMap;

Map (Beispiel)

import java.util.Map;
import java.util.HashMap;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {

        Map<String, Integer> str2num = new HashMap<>(); 

        // Schlüssel-Werte-Paare einfügen
        str2num.put("Eins", 1);
        str2num.put("Zweihundertdrei", 203);
        
        // Schlüssel-Werte-Paare ausgeben
        System.out.println(str2num.get("Eins"));
    }   
}

Map (Wichtige Methoden)

V put(K key, V value)
- Fügt ein Schlüssel-Wert-Paar hinzu oder überschreibt den Wert, wenn der Schlüssel schon existiert.
- Beispiel: map.put("Max", 20);
V get(Object key)
- Gibt den Wert zum angegebenen Schlüssel zurück (oder null, wenn nicht vorhanden).
- Beispiel: map.get("Max");
V remove(Object key)
- Entfernt das Eintrag-Paar zum Schlüssel.
- Beispiel: map.remove("Max");
boolean containsKey(Object key)
- Prüft, ob ein bestimmter Schlüssel existiert.
- Beispiel: map.containsKey("Max");

Map (Wichtige Methoden)

boolean containsValue(Object value)
- Prüft, ob ein bestimmter Wert existiert
int size()
- Gibt die Anzahl der Einträge zurück
boolean isEmpty()
- Prüft, ob die Map leer ist
void clear()
- Entfernt alle Einträge.
Set<K> keySet()
- Gibt alle Schlüssel als Set zurück.
  - Beispiel: map.keySet();
Collection<V> values()
- Gibt alle Werte zurück
  - Beispiel: map.values();

⌨️ Map (Beispiel)

Live coding

Eigene Klassen als Elemente

Für Java-eigene Klasse (z.B. Double, String, Integer, ...) werden Hash-Codes korrekt bestimmt
→ Werte, auf die Objekte zeigen, werden genutzt
z.B. String s = "VProg"; Double d = 2.;
Das funktioniert nicht für eigene Klassen.
Warum nicht? → Beispiel

public class Person {
  private String name;
  private boolean isActive;
  
  public Person(String name, boolean isActive) {
    this.name = name;
    this.isActive = isActive;
  }
}

Welcher Wert soll hier als Schlüssel
dienen?

`equal`- und `hashCode`-Methoden

import java.util.Set;
import java.util.HashSet;

public class Main {

    // Here is the start!
    public static void main(String[] args) {
        Set<Person> set = new HashSet<>();

        set.add(new Person("Marian"));
        set.add(new Person("Marian"));

        for (Person elem : set) {
            System.out.println(elem.getName());
        }
    }   
}

import java.util.Objects;

class Person {
   String name;

   Person(String name) {
      this.name = name;
   }

   public String getName() {
      return this.name;
   }

   @Override
   public boolean equals(Object otherObject) {
      String other = ((Person) otherObject).getName();
      return this.name.equals(other);
   }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(this.name);
    }
   
}

https://codepad.th-luebeck.dev/share/job/java-24d8cb020807e6cbfbe19fba713cd549

📦 import java.util.Objects;

Java Collections (Ausblick)

Bild: C. Sahnwaldt

Zusammenfassung

Je nach Anwendungsfall sind unterschiedliche Datenstrukturen geeignet
- Easy going: Listen (v.a. ArrayList)
- Schneller Zugriff (bei vielen Elementen): Map
- Nachschlagen (z.B. "read" → "lesen"): Map
- Duplikate vermeiden: Set
Bei eigenen Klassen müssen equals() und hashCode() überschrieben werden

Vertiefung der Programmierung