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Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1 Java ist auch eine Sprache
2 Sprachbeschreibung
3 Klassen und Objekte
4 Der Umgang mit Zeichenketten
5 Mathematisches
6 Eigene Klassen schreiben
7 Angewandte Objektorientierung
8 Exceptions
9 Die Funktionsbibliothek
10 Threads und nebenläufige Programmierung
11 Raum und Zeit
12 Datenstrukturen und Algorithmen
13 Dateien und Datenströme
14 Die eXtensible Markup Language (XML)
15 Grafische Oberflächen mit Swing
16 Grafikprogrammierung
17 Netzwerkprogrammierung
18 Verteilte Programmierung mit RMI und Web-Services
19 JavaServer Pages und Servlets
20 Applets
21 Midlets und die Java ME
22 Datenbankmanagement mit JDBC
23 Reflection und Annotationen
24 Logging und Monitoring
25 Sicherheitskonzepte
26 Java Native Interface (JNI)
27 Dienstprogramme für die Java-Umgebung
A Die Begleit-DVD
Stichwort
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Java ist auch eine Insel von Christian Ullenboom Programmieren mit der Java Standard Edition Version 6
Java ist auch eine Insel 7., aktualisierte Auflage geb., mit DVD (November 2007) 1.492 S., 49,90 Euro Galileo Computing ISBN 978-3-8362-1146-8 |
| 12 Datenstrukturen und Algorithmen
|  | 12.1 Datenstrukturen und die Collection-API
|  |  | 12.1.1 Designprinzip mit Schnittstellen, abstrakten Klassen, konkreten Klassen
|  |  | 12.1.2 Die Basis-Schnittstellen Collection und Map
|  |  | 12.1.3 Das erste Programm mit Container-Klassen
|  |  | 12.1.4 Die Schnittstelle Collection
|  |  | 12.1.5 Schnittstellen, die Collection erweitern, und Map
|  |  | 12.1.6 Konkrete Container-Klassen
|  |  | 12.1.7 Welche Klasse nehmen?
|  |  | 12.1.8 Generische Datentypen in der Collection-API
|  |  | 12.1.9 Die Schnittstelle Iterable und das erweiterte for
|  | 12.2 Mit einem Iterator durch die Daten wandern
|  |  | 12.2.1 Die Schnittstellen Enumeration und Iterator
|  |  | 12.2.2 Iteratoren von Sammlungen und das erweiterte for
|  |  | 12.2.3 Fail-Fast Iterator und die ConcurrentModificationException
|  | 12.3 Listen
|  |  | 12.3.1 ArrayList oder LinkedList? Speicherung im Feld oder in einer verketteten Liste
|  |  | 12.3.2 Die Schnittstelle List
|  |  | 12.3.3 ArrayList
|  |  | 12.3.4 LinkedList
|  |  | 12.3.5 Der Feld-Adapter Arrays.asList()
|  |  | 12.3.6 toArray() von Collection verstehen – die Gefahr einer Falle erkennen
|  |  | 12.3.7 Primitive Elemente in den Collection-Datenstrukturen
|  | 12.4 Vergleichen von Objekten
|  |  | 12.4.1 Die Schnittstellen Comparator und Comparable
|  |  | 12.4.2 Algorithmen mit Such- und Sortiermöglichkeiten
|  |  | 12.4.3 Den größten und kleinsten Wert einer Collection finden
|  |  | 12.4.4 Sortieren
|  | 12.5 Mengen (Sets)
|  |  | 12.5.1 HashSet
|  |  | 12.5.2 TreeSet – die Menge durch Bäume
|  |  | 12.5.3 LinkedHashSet
|  | 12.6 Stack (Kellerspeicher, Stapel)
|  |  | 12.6.1 Die Methoden von Stack
|  |  | 12.6.2 Ein Stack ist ein Vector – aha!
|  | 12.7 Queues (Schlangen) und Deques
|  |  | 12.7.1 Die Schnittstelle Queue
|  |  | 12.7.2 Blockierende Queues und Prioritätswarteschlangen
|  |  | 12.7.3 Deque-Klassen
|  | 12.8 Assoziative Speicher
|  |  | 12.8.1 Die Klassen HashMap und TreeMap
|  |  | 12.8.2 Einfügen und Abfragen der Datenstruktur
|  |  | 12.8.3 Die Bedeutung von equals(), hashCode() und IdentityHashMap
|  |  | 12.8.4 Elemente im Assoziativspeicher müssen unveränderbar bleiben
|  |  | 12.8.5 Aufzählungen und Sichten auf den Assoziativspeicher
|  |  | 12.8.6 Der Gleichheitstest, Hash-Wert und Klon einer Hash-Tabelle
|  |  | 12.8.7 Die Arbeitsweise einer Hash-Tabelle
|  |  | 12.8.8 Multi-Maps
|  | 12.9 Die Properties-Klasse
|  |  | 12.9.1 Properties setzen und lesen
|  |  | 12.9.2 Properties verketten
|  |  | 12.9.3 Eigenschaften ausgeben
|  |  | 12.9.4 Hierarchische Eigenschaften
|  |  | 12.9.5 Properties speichern
|  |  | 12.9.6 Klassenbeziehungen: Properties und Hashtable
|  | 12.10 Algorithmen in Collections
|  |  | 12.10.1 Listenoperationen: Ersetzen, Kopieren, Füllen, Umdrehen, Rotieren, Durchmischen
|  |  | 12.10.2 Mit der Halbierungssuche nach Elementen fahnden
|  |  | 12.10.3 Nicht-änderbare Datenstrukturen
|  |  | 12.10.4 Häufigkeit eines Elements
|  |  | 12.10.5 nCopies()
|  |  | 12.10.6 Singletons
|  | 12.11 Synchronisation der Datenstrukturen
|  |  | 12.11.1 Lock-Free-Algorithmen aus java.util.concurrent
|  |  | 12.11.2 Wrapper zur Synchronisation
|  |  | 12.11.3 CopyOnWriteArrayList und CopyOnWriteArraySet
|  | 12.12 Die Klasse BitSet für Bitmengen
|  |  | 12.12.1 Ein BitSet anlegen, füllen und erfragen
|  |  | 12.12.2 Mengenorientierte Operationen
|  |  | 12.12.3 Funktionsübersicht
|  |  | 12.12.4 Primzahlen in einem BitSet verwalten
## 12.8 Assoziative Speicher Ein assoziativer Speicher verbindet einen Schlüssel mit einem Wert. Java bietet für Datenstrukturen dieser Art die allgemeine Schnittstelle Map mit wichtigen Funktionen wie put(key, value) zum Aufbau einer Assoziation und get(key) zum Erfragen eines assoziierten Wertes. ### 12.8.1 Die Klassen HashMap und TreeMap Die Java-Bibliothek implementiert assoziativer Speicher mit einigen Klassen, wobei wir unser Augenmerk zunächst auf zwei wichtige Klassen richten wollen: Eine schnelle Implementierung ist die Hash-Tabelle (engl. hashtable), die in Java durch java.util.HashMap implementiert ist. Vor Java 1.2 wurde java.util.Hashtable verwendet. Die Schlüsselobjekte müssen »hashbar« sein, also equals() und hashCode() konkret implementieren. Eine besondere Schnittstelle ist nicht nötig. Daneben existiert die Klasse java.util.TreeMap, die etwas langsamer im Zugriff ist, doch dafür alle Schlüsselobjekte immer sortiert hält. Sie sortiert die Elemente in einen internen Binärbaum ein. Die Schlüssel müssen sich in eine Ordnung bringen lassen, wozu etwas Vorbereitung nötig ist. Während also bei den Assoziativspeichern nach dem Hashing-Verfahren eine hashCode() und equals()-Methode bei den Schlüssel-Objekten essenziell ist, ist das bei den Baum-orientierten Verfahren nicht nötig – hier muss nur eine Ordnung zwischen den Elementen entweder mit Comparable oder Comparator her. Hier klicken, um das Bild zu vergrößern Ein Assoziativspeicher arbeitet nur in einer Richtung schnell. Wenn etwa im Fall eines Telefonbuchs ein Name mit einer Nummer assoziiert wurde, kann die Datenstruktur die Frage nach einer Telefonnummer schnell beantworten, in die andere Richtung dauert es wesentlich länger, weil hier keine Verknüpfung besteht. Sie ist immer nur einseitig. Für wechselseitige Beziehungen sind die Klassen nicht vorbereitet. #### Die Klasse HashMap Die Klasse HashMap eignet sich ideal dazu, viele Elemente unsortiert zu speichern und sie über die Schlüssel schnell wieder verfügbar zu machen. Das interne Hashing-Verfahren ist schnell, eine Sortierung der Schlüssel nach einem gegebenen Kriterium aber nicht möglich.
    class java.util.HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
HashMap() Erzeugt eine neue Hash-Tabelle. HashMap( Map<? extends K,? extends V> m ) Erzeugt eine neue Hash-Tabelle aus einer anderen Map. #### Die Klasse TreeMap und die Schnittstelle SortedMap/NavigableMap Ein TreeMap implementiert seit Java 6 die Schnittstelle NavigableMap, die wiederum SortedMap [Vor Java 6 war dies die implementierte Schnittstelle. ] und diese Map erweitert. Eine NavigableMap sortiert die Elemente eines Assoziativspeichers nach Schlüsseln und bietet Zugriff auf das kleinste oder größte Element mit Methoden wie firstKey(), lastKey() und kann mit subMap(), tailMap() Sichten auf den Assoziativspeicher bilden. Damit die Schlüssel in einer TreeMap sortiert werden können, gilt das Gleiche wie beim TreeSet: die Elemente müssen eine natürliche Ordnung besitzen, oder ein externer Comparator muss die Ordnung festlegen.
    class java.util.TreeMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements NavigableMap<K,V>, Cloneable, Serializable
TreeMap() Erzeugt ein neues TreeMap, welches eine natürliche Ordnung von seinen Elementen erwartet. TreeMap( Comparator<? super K> comparator ) Erzeugt ein neues TreeMap mit einem Comparator, sodass die Elemente keine natürliche Ordnung besitzen müssen. TreeMap( Map<? extends K,? extends V> m ) Erzeugt eine TreeMap mit einsortierten Elementen aus m, die eine natürliche Ordnung besitzen müssen. TreeMap( SortedMap<K,? extends V> m ) Erzeugt eine TreeMap mit einsortierten Elementen aus m und übernimmt von m auch die Ordnung. Um die Sortierung zu ermöglichen, ist der Zugriff etwas langsamer als über HashMap, aber mit dem Hashing-Verfahren lassen sich Elemente nicht sortieren. ### 12.8.2 Einfügen und Abfragen der Datenstruktur Wir haben gesagt, dass die Elemente des Assoziativspeichers Paare aus Schlüssel und zugehörigem Wert sind. Das Wiederfinden der Werte ist effizient nur über Schlüssel möglich. #### Daten einfügen Zum Hinzufügen von Schlüssel-Werte-Paaren dient die Methode put(key, value). Das erste Argument ist der Schlüssel und das zweite Argument der mit dem Schlüssel zu assoziierende Wert. Der Schlüssel und der Wert können null sein.
Beispiel Einem Assoziativspeicher, dem wir Werte10 hinzufügen: Listing 12.19 com/tutego/insel/util/map/HashMapDemo.java, main()
    Map<String, String> aldiSupplier = new HashMap<String, String>();
    aldiSupplier.put( "Carbo, spanischer Sekt", "Freixenet" );
    aldiSupplier.put( "ibu Stapelchips", "Bahlsen Chipsletten" );
    aldiSupplier.put( "Ko-kra Katzenfutter", "felix Katzenfutter" );
    aldiSupplier.put( "Küchenpapier", "Zewa" );
    aldiSupplier.put( "Nuss-Nougat-Creme", "Zentis" );
    aldiSupplier.put( "Pommes Frites", "McCaine" );
Die zweite HashMap soll Strings mit Zahlen assoziieren:
    Map<String, Number> num = new HashMap<String, Number>();
    num.put( "zwei", 2 );    // Boxing durch Integer.valueOf(2)
    num.put( "drei", 3.0 );  // Boxing durch Double.valueOf(3.0)
    interface java.util.Map<K,V>
V put( K key, V value ) Speichert den Schlüssel und den Wert in der Hash-Tabelle. Falls sich zu diesem Schlüssel schon ein Eintrag in der Hash-Tabelle befand, wird der alte Wert überschrieben und der vorherige Wert zum Schlüssel zurückgegeben. (Das ist anders als beim Set, wo die Operation dann nichts tut.) Ist der Schlüssel neu, liefert put() den Rückgabewert null. Das heißt natürlich auch, dass mit put(key, value) == null nicht klar ist, ob put() einen Wert überschreibt und der alte Wert null war, oder ob noch kein Schlüssel-Werte-Paar in dem Assoziativspeicher lag. void putAll( Map<? extends K, ? extends V> m ) Fügt alle Schlüssel-Werte-Paare aus m in die aktuelle Map ein. Auch diese Methode überschreibt unter Umständen vorhandene Schlüssel. #### Daten auslesen Um wieder ein Element auszulesen, deklariert Map die Operation get(key). Das Argument identifiziert das zu findende Objekt über den Schlüssel, in dem das Objekt aus der Datenstruktur herausgesucht wird, das im Sinne von equals() mit dem Anfrageobjekt gleich ist. Wenn das Objekt nicht vorhanden ist, ist die Rückgabe null. Allerdings kann auch null der mit einem Schlüssel assoziierte Wert sein, da null als Wert durchaus erlaubt ist. [Siehe dazu auch http://www.aldibaran.de/faq/faq5.html#2. ]
Beispiel Erfrage den Assoziativspeicher nach »zwei«. Das Ergebnis wird ein Number-Objekt sein:
    Map<String, Number> num = new HashMap<String, Number>();
    Number number = num.get( "zwei" );
    if ( number != null )
      System.out.println( number.intValue() );
Mit Generics kann eine Typanpassung entfallen, wenn – wie in unserem Beispiel – Number-Objekte mit dem String assoziiert waren. Wurde der Typ nicht angegeben, ist eine Typanpassung nötig.
    interface java.util.Map<K,V>
V get( Object key ) Liefert das mit dem entsprechenden Schlüssel verbundene Objekt. Falls kein passendes Objekt vorhanden ist, liefert die Funktion null. #### Existiert der Schlüssel, existiert der Wert? Neben get() kann auch mit einer anderen Funktion das Vorhandensein eines Schlüssels getestet werden: containsKey() überprüft, ob ein Schlüssel in der Tabelle vorkommt, und gibt dann ein true zurück. Die Implementierung unterscheidet sich nicht wesentlich von get(). Im Gegensatz zu get() und containsKey(), die das Auffinden eines Werts bei gegebenem Schlüssel erlauben, lässt sich auch nur nach den Werten ohne Schlüssel suchen. Dies ist allerdings wesentlich langsamer, da alle Werte der Reihe nach durchsucht werden müssen. Die Klasse bietet hierzu containsValue() an.
    interface java.util.Map<K,V>
boolean containsKey( Object key ) Liefert true, falls der Schlüssel in der Hash-Tabelle vorkommt. Den Vergleich auf Gleichheit führt HashMap mit equals() durch. Demnach sollte das zu vergleichende Objekt diese Methode aus Object passend überschreiben. hashCode() und equals() müssen miteinander konsistent sein. Aus der Gleichheit zweier Objekte unter equals() muss auch die Gleichheit ihrer hashCode()s folgen. boolean containsValue( Object value ) Liefert true, falls der Assoziativspeicher einen oder mehrere Werte enthält, die mit dem Objekt inhaltlich (also per equals()) übereinstimmen. #### Einträge und die Map löschen Zum Löschen eines Elements gibt es remove() und zum Löschen der gesamten Map die Funktion clear().
    interface java.util.Map<K,V>
V remove( Object key ) Löscht den Schlüssel und seinen zugehörigen Wert. Wenn der Schlüssel nicht in der Hash-Tabelle ist, so bewirkt die Funktion nichts. Im letzten Atemzug wird noch der Wert zum Schlüssel zurückgegeben. void clear() Löscht die Hash-Tabelle so, dass sie keine Werte mehr enthält. #### Sonstiges Mit size() lässt sich die Anzahl der Werte in der Hash-Tabelle erfragen. isEmpty() entspricht einem size() == 0, gibt also true zurück, falls die Hash-Tabelle keine Elemente enthält. toString() liefert eine Zeichenkette, die eine Repräsentation der Hash-Tabelle zurückgibt. Die Stringrepräsentation der Hash-Tabelle liefert jeden enthaltenen Schlüssel, gefolgt von einem Gleichheitszeichen und dem zugehörigen Wert. ### 12.8.3 Die Bedeutung von equals(), hashCode() und IdentityHashMap Wenn wir Assoziativspeicher wie eine HashMap nutzen, dann sollte uns bewusst sein, dass Vergleiche nach dem Hashcode und der Gleichheit durchgeführt werden, nicht aber nach der Identität. Die folgenden Zeilen zeigen ein Beispiel: Listing 12.20 com/tutego/insel/util/map/HashMapAndEquals.java(), main()
    Map<Point, String> map = new HashMap<Point, String>();
    Point p1 = new Point( 10, 20 );
    map.put( p1, "Point p1" );
Die HashMap assoziiert den Punkt p1 mit einer Zeichenkette. Was ist nun, wenn wir ein zweites Punkt-Objekt mit den gleichen Koordinaten bilden und die Map nach diesem Objekt fragen?
    Point p2 = new Point( 10, 20 );
    System.out.println( map.get( p2 ) );                    // ???
Die Antwort ist die Zeichenfolge »Point p1«. Das liegt daran, dass zunächst der Hashcode von p1 und p2 gleich ist. Des Weiteren liefert auch equals() ein true, sodass dies als ein Fund zu werten ist. (Das liefert noch einmal einen wichtigen Hinweis, dass immer beide Funktionen equals() und hashCode() in Unterklassen zu überschreiben sind.) Mit etwas Überlegung folgt dieser Punkt fast zwangsläufig, denn bei einer Anfrage ist ja das zu erfragende Objekt nicht bekannt. Daher kann der Vergleich nur auf Gleichheit, nicht aber auf Identität stattfinden. #### Eigene Objekte hashen Für Objekte, die als Schlüssel in einen Hash-Assoziativspeicher gesetzt werden, gibt es keine Schnittstelle zu implementieren, lediglich die Aufforderung, dass equals() und hashCode() in geeigneter Weise (der Bedeutung oder Semantik des Objekts entsprechend) untereinander konsistent implementiert sein sollen. Viele Standard-Klassen, wie String oder Point, erfüllen dies, andere, wie StringBuilder, wiederum nicht. Für Schlüsselobjekte in einer NavigableMap ist hashCode() natürlich nicht erforderlich. In Kapitel 9 (»Hashcodes über hashCode() liefern«) haben wir Implementierungsdetails schon beleuchtet. Wir wollen nun kurz eine Klasse entwerfen, die hashCode() und equals() so implementiert, dass Strings unabhängig von ihrer Groß-/Kleinschreibung einsortiert und gefunden werden. Listing 12.21 com/tutego/insel/util/map/EqualsIgnoreCaseString.java
    package com.tutego.insel.util.map;

    public class EqualsIgnoreCaseString
    {
      private final String string;

      public EqualsIgnoreCaseString( String string )
      {
        this.string = string.toLowerCase();
      }

      @Override public int hashCode()
      {
        return string.hashCode();
      }

      @Override public boolean equals( Object obj )
      {
        if ( this == obj )
          return true;
        if ( obj == null )
          return false;
        if ( getClass() != obj.getClass() )
          return false;
        if ( string == null )
          if ( ((EqualsIgnoreCaseString) obj).string != null )
            return false;
        return string.equals( ((EqualsIgnoreCaseString) obj).string );
      }
    }
Ein kleiner Test mit den Rückgaben im Kommentar: Listing 12.22 com/tutego/insel/util/map/EqualsIgnoreCaseStringDemo.java, main()
    Map<EqualsIgnoreCaseString, String> map =
      new HashMap<EqualsIgnoreCaseString, String>();
    map.put( new EqualsIgnoreCaseString("tutego"), "tutego" ); // null
    map.put( new EqualsIgnoreCaseString("Tutego"), "Tutego" ); // tutego
    map.put( new EqualsIgnoreCaseString("TUTI!"), "TUTI!" );   // null

    map.get( new EqualsIgnoreCaseString("tutego") );           // Tutego
    map.get( new EqualsIgnoreCaseString("TUTEGO") );           // Tutego
    map.get( new EqualsIgnoreCaseString("tUtI!") );            // TUTI!
    map.get( new EqualsIgnoreCaseString("tröt") );             // null
#### IdentityHashMap Es gibt eine besondere Datenstruktur mit dem Namen IdentityHashMap, die statt der internen equals()-Vergleiche einen Identitätsvergleich mit == durchführt. Die Implementierung ist selten im Einsatz, kann aber im Bereich der Performance-Optimierung eine interessante Rolle übernehmen und auch das Problem lösen, wenn in der Map denn absichtlich Objekte enthalten sein sollen, die equals()-gleich, aber nicht identisch sind. ### 12.8.4 Elemente im Assoziativspeicher müssen unveränderbar bleiben Ein Hashcode ergibt sich aus den Attributen eines Objekts. Um ein Objekt in einem Assoziativspeicher zu finden, wird dann nach dem Hash-Wert gesucht; dumm, wenn sich dieser in der Zwischenzeit geändert hat. Listing 12.23 com/tutego/insel/util/map/MapImmutable.java(), main()
    Map<Point, String> map = new HashMap<Point, String>();
    Point q = new Point( 10, 10 );
    map.put( q, "Punkt q" );
    q.x = 12345;
    System.out.println( map.get( q ) ); // ???
Nach der Zuweisung an x wird hashCode() einen anderen Wert als vorher liefern. Wenn nun get() nach dem Objekt sucht, berechnet es den Hashcode und sucht in den internen Datenstrukturen. Änderte sich der Hashcode jedoch unterdessen, kann das Element nicht mehr gefunden werden und liegt als Leiche in der Map. Daher kann nur davor gewarnt werden, Objektattribute von Objekten, die durch Assoziativspeicher verwaltet werden, nachträglich zu ändern. Das Prinzip Hashing benutzt gerade diese Eigenschaft, um Objekte durch unveränderte Zustände wiederzufinden. ### 12.8.5 Aufzählungen und Sichten auf den Assoziativspeicher Eine Map kann beim erweiterten for nicht rechts vom Doppelpunkt stehen, da sie kein Iterable implementiert – nicht direkt und, da eine Map keine Collection ist, auch nicht indirekt. Auch fehlt der Map irgendeine direkte Funktion iterator(). Eine Map kann jedoch auf drei Arten Collection-Sammlungen zurückgeben, über die sich iterieren lässt: keySet() liefert eine Menge der Schlüssel. values() liefert eine Collection der Werte. entrySet() liefert ein Set mit speziellen Map.Entry-Objekten. Die Map.Entry speichern gleichzeitig den Schlüssel sowie den Wert. Für die Sammlungen gibt es erst einmal keine definierte Reihenfolge, es sei denn, die Map ist eine NavigableMap, wo ein Comparator die Ordnung vorgibt oder die Elemente Comparable sind.
Beispiel Laufe die Schlüssel einer HashMap mit einem Iterator (über das erweiterte for) ab:
    HashMap<String,String> h = new HashMap<String,String>();
    h.put( "C.Ullenboom", "C.Ullenboom@no-spam.com" );
    h.put( "Webmaster", "C.Ullenboom@spammer.com" );
    h.put( "Weihnachtsmann", "Wunsch@weihnachtsmann.com" );
    h.put( "Christkind", "wunsch@pro-christkind.at" );
    for ( String elem : h.keySet() )
      System.out.println( elem );
Liefert:
    Christkind
    Webmaster
    C.Ullenboom
    Weihnachtsmann
Für die Werte ist kein valueSet() möglich, weil ein Wert mehr als einmal vorkommen kann und eine Menge laut Definition einen Wert nicht zweimal enthalten darf. values() liefert die spezielle Collection mit den Werten – iterator() auf dieser Collection bietet dann eine Aufzählung nach Werten. Über den Iterator oder die Collection können Elemente aus der Map gelöscht, aber keine neuen eingefügt werden.
Beispiel Laufe die Werte einer HashMap mit einem Iterator ab:
    for ( String elem : h.values() )
      System.out.println( elem );
Das liefert:
    wunsch@pro-christkind.at
    C.Ullenboom@no-spam.com
    C.Ullenboom@spammer.com
    Wunsch@weihnachtsmann.com
Während keySet() nur die eindeutigen Schlüssel in einer Menge liefert, gibt entrySet() eine Menge von Objekten vom Typ Map.Entry zurück. Entry ist eine innere Schnittstelle in der Schnittstelle Map, die Schlüssel-Werte-Paare speichert. Die wichtigen Funktionen dieser Schnittstelle sind getKey(), getValue() und setValue(), wobei die letzte Funktion von HashMap angeboten wird, aber eine optionale Funktion ist.
Beispiel Laufe die Elemente HashMap als Menge von Map.Entry-Objekten ab:
    for ( Map.Entry<String, String> e : h.entrySet() )
      System.out.println( e.getKey() + "=" + e.getValue() );
Beispiel Es ist zu erfragen, ob sich in zwei Assoziativspeichern map1 und map2 die gleichen Schlüssel befinden – unabhängig vom Wert.
    boolean areSameKeys = map1.keySet().equals( map2.keySet() );
Hier klicken, um das Bild zu vergrößern
    interface java.util.Map<K,V>
Set<K> keySet() Liefert eine Menge mit den Schlüsseln. Set<Map.Entry<K,V>> entrySet() Liefert eine Menge von Map.Entry-Objekten, die Zugriff auf die Schlüssel und Werte bieten. Collection<V> values() Liefert eine Sammlung der Werte. #### Verändernde Sichten Allen Methoden ist gemeinsam, dass sie nur eine andere Sicht auf die Originalmenge darstellen. Wir müssen uns dessen bewusst sein, dass Lösch-Operationen die ursprüngliche Menge verändern. Mit anderen Worten: Die von keySet(), values() oder entrySet() zurückgegebenen Sammlungen sind Sichten auf das Original, und Veränderungen wirken sich unmittelbar auf das Original aus. Listing 12.24 com/tutego/insel/util/map/MapView, main()
    Map<Integer, String> m = new HashMap<Integer, String>();
    m.put( 1, "Eins" );
    m.put( 2, "ZZZZZWWWWEEEEEIIII" );
    m.put( 3, "drei" );
    System.out.println( m );     // {1=Eins, 2=ZZZZZWWWWEEEEEIIII, 3=drei}

    m.keySet().remove( 2 );
    System.out.println( m );     // {1=Eins, 3=drei}

    m.values().remove( "Eins" );
    System.out.println( m );     // {3=drei}

    m.entrySet().clear();
    System.out.println( m );     // {}
### 12.8.6 Der Gleichheitstest, Hash-Wert und Klon einer Hash-Tabelle Aus Object stammen die Funktionen equals() und hashCode(), die eine Map wie HashMap beide implementiert. Jede HashMap/TreeMap besitzt zudem eine clone()-Methode, die eine Kopie der Hash-Tabelle erzeugt. Die Kopie bezieht sich allerdings nur auf den Assoziativspeicher selbst; die Schlüssel- und Wert-Objekte teilen sich Original und Klon. Diese Form der Kopie nennt sich auch flache Kopie (engl. shallow copy). Eine Veränderung an den enthaltenen Schlüssel-Werte-Objekten betrifft also immer beide Datenstrukturen, und eine unsachgemäße Modifikation kann zu Unregelmäßigkeiten im Original führen.
    interface java.util.Map<K,V>
boolean equals( Object o ) Damit die Gleichheit von zwei Hash-Tabellen gezeigt werden kann, vergleicht equals() alle Elemente von beiden Tabellen. int hashCode() Liefert den Hashcode des Objekts. Das ist wichtig, wenn Sie eine Hash-Tabelle selbst als Schlüssel benutzen wollen – was jedoch als problematisch gelten kann, wenn die Hash-Tabelle später noch verändert werden soll. [Fast schon philosophisch wird’s, wenn eine Hash-Tabelle als Schlüssel oder Wert in sich selbst eingefügt werden soll. Das kann sie zwar noch erkennen, aber bei Map h = new HashMap(); h.put(h, "a"); h.put(h, "b"); gibt es einen StackOverflowError, und damit ist die Philosophie am Ende. ]
    class java.util.HashMap<K,V> ...
    class java.util.TreeMap<K,V> ...
Object clone() Fertigt eine Kopie an, ohne jedoch die Werte selbst zu klonen. ### 12.8.7 Die Arbeitsweise einer Hash-Tabelle Die Hash-Tabelle arbeitet mit Schlüssel-Werte-Paaren. Aus dem Schlüssel wird nach einer Funktion – der so genannten Hash-Funktion – ein Hashcode berechnet. Dieser dient dann als Index für ein internes Array. Dieses Array hat am Anfang eine feste Größe. Wenn später eine Anfrage nach dem Schlüssel gestellt wird, muss einfach diese Berechnung erfolgen, und wir können dann an dieser Stelle nachsehen. Wir können uns eine einfache Hash-Funktion für folgendes Problem denken: Beliebige Zeichenketten sollen in der Hash-Tabelle abgelegt werden. Die Hash-Funktion summiert einfach alle ASCII-Werte der Buchstaben auf und nimmt sie Modulo 77. Dann können in einem Array mit 77 Elementen 77 verschiedene Wörter aufgenommen werden. Leider hat diese Technik einen entscheidenden Nachteil: Wenn zwei unterschiedliche Wörter denselben Hashcode besitzen, kommt es zu einer Kollision. Darauf muss die Datenstruktur vorbereitet sein. Hier gibt es verschiedene Lösungsansätze. Die unter Java implementierte Lösung benutzt eine verkettete Liste hinter jedem Feldelement (ein so genanntes Bucket); diese Implementierungsvariante heißt Hashing mit Verkettung. Falls eine Kollision auftritt, wird ein kleines Behälterobjekt mit dem Schlüssel und Wert aufgebaut und als Element an der Liste angehängt. Eine Sortierung findet nicht statt. Wir merken, dass es auf eine geschickte Wahl der Hash-Funktion ankommt. Denn eine »dumme« Hash-Funktion, die beispielsweise alle Schlüssel nur auf einen Indexwert abbilden würde, erreicht keine Verteilung, sondern lediglich eine lange Liste von Schlüssel-Werte-Paaren; das nennt sich Clustering. Doch auch bei der besten Verteilung über 77 Elemente ist nach dem Einfügen des 78. Elements irgendwo eine Liste mit mindestens zwei Elementen aufgebaut. Je länger die Listen der miteinander kollidierenden Einträge werden, desto langsamer wird der Zugriff auf die Datenstrukturen, die auf Hashing basieren. Um ein Maß für den Füllgrad zu bekommen, wird ein Füllfaktor (Füllgrad; engl. load factor) eingeführt. Dieser liegt zwischen 0 % und 100 %. Ist er 0 %, so bedeutet dies, dass die Hash-Tabelle leer ist; ist er 100 %, so enthält die Hash-Tabelle genauso viele Einträge, wie das interne Array Elemente umfasst. Die Verteilung der Einträge auf die Array-Elemente wird dabei in der Regel ungleichmäßig sein. Einige Array-Elemente enthalten bereits (kurze) Listen mit kollidierenden Einträgen, während andere Array-Elemente noch unbenutzt sind. Der Füllfaktor einer Hash-Tabelle sollte für einen schnellen Zugriff nicht höher als 75 % sein, das heißt, ein Viertel der Array-Elemente wird grundsätzlich nicht belegt. #### Der Füllfaktor und die Konstruktoren Wir haben oben schon kurz über den Füllfaktor gesprochen. Dieser gibt an, wie »voll« die Hash-Tabelle ist. Es lässt sich nun einstellen, dass die Hash-Tabelle sich automatisch vergrößert, damit der Zugriff wieder schneller wird. Dazu ordnen wir dem Füllgrad einen Prozentwert als Fließkommazahl zwischen 0,0 und 1,0 zu. Ein Wert von 0,75 entspricht also dem oben angesprochenen idealen Füllgrad von 75 Prozent. Es gibt einen Konstruktor für HashMap/Hashtable-Exemplare, der die Angabe eines Füllgrads erlaubt. Ist dieser überschritten, wird die Hash-Tabelle neu berechnet. Dies nennt sich rehash. Dazu wird eine neue Hash-Tabelle angelegt, deren Array größer als das alte ist. Jeder Wert aus der alten Hash-Tabelle wird dabei gemäß der Hash-Funktion an die passende Stelle in das größere Array eingefügt. Ist dies für alle Elemente geschehen, wird die alte Hash-Tabelle gelöscht. Dieses Kopieren und Neuberechnen dauert zwar einige Zeit, doch direkt danach lassen sich die Anfragen an die Datenstruktur wieder schnell beantworten. Wenn die Hash-Tabelle zu oft vergrößert und neu organisiert werden muss, ist dies natürlich ein gewaltiger Geschwindigkeitsnachteil. Doch durch die Vergrößerung wird der Zugriff wieder schneller. Das Rehashen kann nicht ausdrücklich erzwungen werden.
    class java.util.HashMap<K,V>
    extends AbstractMap<K,V>
    implements Map<K,V>, Cloneable, Serializable
HashMap() Die Hash-Tabelle enthält initial eine Kapazität von 16 Einträgen [Das JDK 1.3 setzte beim Standard-Konstruktor einen Initialwert von 101 Elementen, die frühen 1.4-Versionen 11 Elemente und seit 1.4.1 in einer ganz neuen Implementierung des Hashings 16 Elemente. Üblicherweise nutzen Implementierungen Primzahlen, doch dann kommt es sehr auf die Qualität der Hashfunktionen an, und schlechte Funktionen führen zur Verschlechterung der Laufzeit. Durch die Umstellung bildet nicht mehr die Funktion hashCode() die Elemente direkt auf das interne Feld ab, sondern eine private Hashfunktion, die das Ergebnis von hashCode() nur als einen Parameter sieht. Durch die Umstellung auf eine zweite Funktion sind keine Primzahlen für die Größe des internen Feldes zwingend nötig. ] und einen Füllfaktor von 75 %, also 0,75. HashMap( int initialCapacity ) Erzeugt eine Hash-Tabelle mit einer vorgegebenen Kapazität und dem Füllfaktor 0,75. HashMap( int initialCapacity, float loadFactor ) Erzeugt eine Hash-Tabelle mit einer vorgegebenen Kapazität und dem angegebenen Füllfaktor. Die anfängliche Größe des internen Arrays lässt sich in zwei Konstruktoren angeben; ein unsinniger Wert löst eine IllegalArgumentException aus. Zusätzlich kann der Füllfaktor angegeben werden; ist dieser falsch, wird diese Exception ebenfalls ausgelöst. initialCapacity muss größer als die geplante Nutzlast der Hash-Tabelle gewählt werden. Das heißt, bei geplanten 1000 Einträgen etwa 1000 × (1/0,75) = 1333. Ist ein Füllfaktor nicht explizit angegeben, wird die Hash-Tabelle dann vergrößert und neu organisiert, wenn die Anzahl der Einträge in der Hash-Tabelle größer gleich 0,75 × Größe des Arrays ist. Auch die Konstruktoren von HashSet die Angabe des Füllfaktors und der Initialgröße.
    class java.util.HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, Serializable
HashSet() Erzeugt ein neues HashSet-Objekt mit 16 freien Plätzen und einem Füllfaktor von 0,75. HashSet( int initialCapacity ) Erzeugt ein neues HashSet mit einer gegebenen Anzahl freier Plätze und dem Füllfaktor von 0,75. HashSet( int initialCapacity, float loadFactor ) Erzeugt ein neues leeres HashSet mit einer Startkapazität und einem gegebenen Füllfaktor. Die Startgröße ist für die Performance wichtig. Ist die Größe zu klein gewählt, muss die Datenstruktur bei neu hinzugefügten Elementen vergrößert werden – hier unterscheidet sich die Klasse HashSet nicht von der Klasse HashMap, da HashSet intern auf HashMap basiert. ### 12.8.8 Multi-Maps Eine Multi-Map ist eine Datenstruktur wie eine Map, nur dass ein Schlüssel mit einer Liste von Elementen assoziiert werden kann. Die Java-Bibliothek enthält bisher keine Multi-Map, da die Sun-Entwickler argumentieren, eine solche Datenstruktur wird selten benötigt. [http://java.sun.com/docs/books/tutorial/collections/interfaces/map.html ] Dennoch ist eine Multi-Map leicht zu definieren und mit Generics gut ausgedrückt, etwa für die Assoziation zwischen Strings und einer Liste von Positionen: Map<String, List<Integer>>. Und auch ohne die Implementierung selbst durchführen zu müssen, gibt es bei Apache Commons Collections (http://jakarta.apache.org/commons/collections/) eine MultiMap; generisch implementiert sie http://larvalabs.com/collections/. ### Ihr Kommentar Wie hat Ihnen das <openbook> gefallen? Wir freuen uns immer über Ihre freundlichen und kritischen Rückmeldungen.
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