Galileo Computing :: Java 7 - Mehr als eine Insel - 3 Datenstrukturen und Algorithmen
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Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1 Neues in Java 7
2 Threads und nebenläufige Programmierung
3 Datenstrukturen und Algorithmen
4 Raum und Zeit
5 Dateien, Verzeichnisse und Dateizugriffe
6 Datenströme
7 Die eXtensible Markup Language (XML)
8 Dateiformate
9 Grafische Oberflächen mit Swing
10 Grafikprogrammierung
11 Netzwerkprogrammierung
12 Verteilte Programmierung mit RMI
13 RESTful und SOAP Web-Services
14 JavaServer Pages und Servlets
15 Applets
16 Datenbankmanagement mit JDBC
17 Technologien für die Infrastruktur
18 Reflection und Annotationen
19 Dynamische Übersetzung und Skriptsprachen
20 Logging und Monitoring
21 Java Native Interface (JNI)
22 Sicherheitskonzepte
23 Dienstprogramme für die Java-Umgebung
Stichwort

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Java 7 - Mehr als eine Insel von Christian Ullenboom
Das Handbuch zu den Java SE-Bibliotheken
Buch: Java 7 - Mehr als eine Insel

Java 7 - Mehr als eine Insel
Galileo Computing
1433 S., 2012, geb.
49,90 Euro, ISBN 978-3-8362-1507-7
Pfeil 3 Datenstrukturen und Algorithmen
Pfeil 3.1 Datenstrukturen und die Collection-API
Pfeil 3.1.1 Designprinzip mit Schnittstellen, abstrakten und konkreten Klassen
Pfeil 3.1.2 Die Basis-Schnittstellen Collection und Map
Pfeil 3.1.3 Die Utility-Klassen Collections und Arrays
Pfeil 3.1.4 Das erste Programm mit Container-Klassen
Pfeil 3.1.5 Die Schnittstelle Collection und Kernkonzepte
Pfeil 3.1.6 Schnittstellen, die Collection erweitern, und Map
Pfeil 3.1.7 Konkrete Container-Klassen
Pfeil 3.1.8 Generische Datentypen in der Collection-API
Pfeil 3.1.9 Die Schnittstelle Iterable und das erweiterte for
Pfeil 3.2 Listen
Pfeil 3.2.1 Erstes Listen-Beispiel
Pfeil 3.2.2 Auswahlkriterium ArrayList oder LinkedList
Pfeil 3.2.3 Die Schnittstelle List
Pfeil 3.2.4 ArrayList
Pfeil 3.2.5 LinkedList
Pfeil 3.2.6 Der Feld-Adapter Arrays.asList()
Pfeil 3.2.7 ListIterator *
Pfeil 3.2.8 toArray() von Collection verstehen – die Gefahr einer Falle erkennen
Pfeil 3.2.9 Primitive Elemente in Datenstrukturen verwalten
Pfeil 3.3 Mengen (Sets)
Pfeil 3.3.1 Ein erstes Mengen-Beispiel
Pfeil 3.3.2 Methoden der Schnittstelle Set
Pfeil 3.3.3 HashSet
Pfeil 3.3.4 TreeSet – die sortierte Menge
Pfeil 3.3.5 Die Schnittstellen NavigableSet und SortedSet
Pfeil 3.3.6 LinkedHashSet
Pfeil 3.4 Stack (Kellerspeicher, Stapel)
Pfeil 3.4.1 Die Methoden von Stack
Pfeil 3.5 Queues (Schlangen) und Deques
Pfeil 3.5.1 Queue-Klassen
Pfeil 3.5.2 Deque-Klassen
Pfeil 3.5.3 Blockierende Queues und Prioritätswarteschlangen
Pfeil 3.5.4 PriorityQueue
Pfeil 3.6 Assoziative Speicher
Pfeil 3.6.1 Die Klassen HashMap und TreeMap
Pfeil 3.6.2 Einfügen und Abfragen der Datenstruktur
Pfeil 3.6.3 Über die Bedeutung von equals() und hashCode()
Pfeil 3.6.4 Eigene Objekte hashen
Pfeil 3.6.5 IdentityHashMap
Pfeil 3.6.6 Das Problem von veränderten Elementen
Pfeil 3.6.7 Aufzählungen und Ansichten des Assoziativspeichers
Pfeil 3.6.8 Die Arbeitsweise einer Hash-Tabelle *
Pfeil 3.7 Die Properties-Klasse
Pfeil 3.7.1 Properties setzen und lesen
Pfeil 3.7.2 Properties verketten
Pfeil 3.7.3 Hierarchische Eigenschaften
Pfeil 3.7.4 Eigenschaften auf der Konsole ausgeben *
Pfeil 3.7.5 Properties laden und speichern
Pfeil 3.7.6 Klassenbeziehungen: Properties und Hashtable *
Pfeil 3.8 Mit einem Iterator durch die Daten wandern
Pfeil 3.8.1 Die Schnittstelle Iterator
Pfeil 3.8.2 Der Iterator kann (eventuell auch) löschen
Pfeil 3.8.3 Einen Zufallszahleniterator schreiben
Pfeil 3.8.4 Iteratoren von Sammlungen, das erweiterte for und Iterable
Pfeil 3.8.5 Fail-Fast-Iterator und die ConcurrentModificationException
Pfeil 3.8.6 Die Schnittstelle Enumerator *
Pfeil 3.9 Algorithmen in Collections
Pfeil 3.9.1 Die Bedeutung von Ordnung mit Comparator und Comparable
Pfeil 3.9.2 Sortieren
Pfeil 3.9.3 Den größten und kleinsten Wert einer Collection finden
Pfeil 3.9.4 Nicht-änderbare Datenstrukturen, immutable oder nur-lesen?
Pfeil 3.9.5 Null Object Pattern und leere Sammlungen/Iteratoren zurückgeben
Pfeil 3.9.6 Mit der Halbierungssuche nach Elementen fahnden
Pfeil 3.9.7 Ersetzen, Kopieren, Füllen, Umdrehen, Rotieren *
Pfeil 3.9.8 Listen durchwürfeln *
Pfeil 3.9.9 Häufigkeit eines Elements *
Pfeil 3.9.10 Singletons *
Pfeil 3.9.11 nCopies() *
Pfeil 3.10 Spezielle thread-sichere Datenstrukturen
Pfeil 3.10.1 Wait-free-Algorithmen
Pfeil 3.10.2 Nebenläufiger Assoziativspeicher und die Schnittstelle ConcurrentMap
Pfeil 3.10.3 ConcurrentLinkedQueue
Pfeil 3.10.4 CopyOnWriteArrayList und CopyOnWriteArraySet
Pfeil 3.10.5 Wrapper zur Synchronisation
Pfeil 3.10.6 Blockierende Warteschlangen
Pfeil 3.10.7 ArrayBlockingQueue und LinkedBlockingQueue
Pfeil 3.10.8 PriorityBlockingQueue
Pfeil 3.11 Google Guava (aka Google Collections Library)
Pfeil 3.11.1 Beispiel Multi-Set und Multi-Map
Pfeil 3.11.2 Datenstrukturen aus Guava
Pfeil 3.11.3 Utility-Klassen von Guava
Pfeil 3.11.4 Prädikate
Pfeil 3.11.5 Transformationen
Pfeil 3.12 Die Klasse BitSet für Bitmengen *
Pfeil 3.12.1 Ein BitSet anlegen, füllen und erfragen
Pfeil 3.12.2 Mengenorientierte Operationen
Pfeil 3.12.3 Methodenübersicht
Pfeil 3.12.4 Primzahlen in einem BitSet verwalten
Pfeil 3.13 Zum Weiterlesen

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3.12 Die Klasse BitSet für Bitmengen *Zur nächsten Überschrift

Die Klasse BitSet bietet komfortable Möglichkeiten zur bitweisen Manipulation von Daten. Das Datum kann beliebig groß sein, und Methoden von BitSet lesen und modifizieren die einzelnen Bits leicht. Zudem lassen sich beliebig viele Bits wie in anderen dynamischen Datenstrukturen hinzufügen. Ein leeres BitSet wird mit dem Standard-Konstruktor angelegt. Ein weiterer Konstruktor erlaubt eine Startgröße, die ein Vergrößern der internen Datenstruktur aufschiebt.


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3.12.1 Ein BitSet anlegen, füllen und erfragenZur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Jedes Bit an einer Position besitzt zwei Zustände: gesetzt oder nicht gesetzt. Dies bringt es in die Nähe der booleschen Werte, die ebenso zwei Zustände besitzen. Mit zwei Methoden lassen sich die Bits des BitSet leicht ändern: set(bitPosition) und clear(bitPosition). Da der Bit-Container automatisch wachsen kann, ist es problemlos möglich, in einem BitSet-Exemplar mit 100 Bit das Bit 300 zu setzen. Das Objekt wird automatisch mit 200 false-Bits aufgefüllt, bevor das Bit 300 gesetzt wird.

Die Abfrage, ob ein Bit gesetzt ist, erfolgt mit der Methode get(bitPosition). Sie gibt true zurück, falls das Bit gesetzt ist, andernfalls false. Nützliche Methoden sind ebenso nextSetBit(int) und nextClearBit(int), die für einen Startindex die Position des nächsten gesetzten oder gelöschten Bits geben.

Beispiel

Setze in einem BitSet das erste und das dritte Bit:

Listing 3.40: com/tutego/insel/util/BitSetDemo.java. main()

BitSet bs = new BitSet();
bs.set( 0 );
bs.set( 2 );
System.out.println( bs.get(0) ); // true
System.out.println( bs.get(1) ); // false
System.out.println( bs.nextSetBit(1) ); // 2

Über die Methode size() erfahren wir, wie viele Bits das Objekt umfasst. size() zählt überzählige führende Null-Bits mit, ähnlich wie ungenutzte Array-Elemente im capacity()-Wert eines Vektors. Die Methode length() liefert die Position des höchsten gesetzten Bits. Die Anzahl gesetzter Bits liefert cardinality().

Abbildung

Abbildung 3.12: Klassendiagramm von BitSet


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3.12.2 Mengenorientierte OperationenZur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Das BitSet erlaubt mengenorientierte Operationen wie Und, Oder, Xor mit einem weiteren BitSet, etwa in der Methode and(BitSet). Jedes Bit des übergebenen BitSet wird mit dem aktuellen Objekt in einer bestimmten Weise verknüpft. Das Ergebnis der Operation wird dem aktuellen Objekt zugewiesen. Wichtige Operationen sind:

  • Die Oder-Operation setzt das Bit, falls es im eigenen BitSet oder im zweiten BitSet gesetzt ist.
  • Die Und-Operation setzt das Bit, falls es im eigenen Objekt und im zweiten BitSet gesetzt ist.
  • Die Xor-Operation setzt das Bit, falls es nur in einem der beiden BitSet-Objekte gesetzt ist.

Die Operationen bilden die Basis für die Mengenvereinigung, den Durchschnitt und den symmetrischen Durchschnitt.


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3.12.3 MethodenübersichtZur nächsten ÜberschriftZur vorigen Überschrift

Die Methoden von BitSet sind überschaubar.

class java.util.BitSet
implements Cloneable, Serializable
  • BitSet()
    Erzeugt ein neues BitSet-Objekt.
  • BitSet(int nbits)
    Erzeugt ein BitSet mit der vorgegebenen Größe von nbits. Alle Bits sind am Anfang auf false gesetzt. Ist die Größe kleiner null, so wird eine NegativeArraySizeException ausgelöst.
  • boolean get(int bitIndex)
    Liefert den Wert des Bits am übergebenen Index. Kann bei negativem Index wieder eine IndexOutOfBoundsException auslösen.
  • BitSet get(int fromIndex, int toIndex)
    Liefert ein neues BitSet-Objekt mit den ausgewählten Bits.
  • void set(int bitIndex)
  • clear(int bitIndex)
    Setzt oder löscht ein Bit. Ist der Index negativ, wird eine IndexOutOfBoundsException ausgelöst.
  • void set(int bitIndex, boolean value)
    Setzt den Wahrheitswert value an die Stelle bitIndex.
  • void set(int fromIndex, int toIndex)
  • clear(int fromIndex, int toIndex)
    Setzt oder löscht Bits im ausgewiesenen Bereich.
  • void set(int fromIndex, int toIndex, boolean value)
    Setzt den Wahrheitswert value im ausgewählten Bereich.
  • void flip(int bitIndex)
    Setzt das Bit an der Stelle bitIndex auf das Komplement. Aus true wird false, und aus false wird true.
  • void flip(int fromIndex, int toIndex)
    Setzt alle Bits im gegebenen Bereich auf das Komplement.
  • void and(BitSet set)
  • void or(BitSet set)
  • void xor(BitSet set)
    Verknüpft dieses BitSet-Exemplar per Und-, Oder-, Xor-Operation mit dem angegebenen BitSet-Objekt.
  • void andNot(BitSet set)
    Löscht alle Bits im aktuellen BitSet, deren korrespondierendes Bit in set gesetzt ist.
  • boolean intersects(BitSet set)
    Liefert true, wenn das eigene BitSet die gleichen gesetzten Bits wie set hat.
  • int cardinality()
    Liefert die Anzahl der Bits, die true sind.
  • boolean clear()
    Leert den Container, indem alle Bits auf false gesetzt werden.
  • boolean isEmpty()
    Liefert true, wenn keine Bits gesetzt sind.
  • int nextSetBit(int fromIndex)
  • int nextClearBit(int fromIndex)
    Liefert den Index des ersten als true bzw. false gesetzten Bits ab fromIndex. Gibt es keine Position, ist die Rückgabe –1.
  • boolean equals(Object o)
    Vergleicht sich mit einem anderen BitSet-Objekt o.

Unter Java 7 sind unter anderem die statischen Methoden BitSet valueOf(long[]) und BitSet valueOf(byte[]) beziehungsweise die Objektmethoden byte[] toByteArray() und long[] toLongArray() hinzugekommen, um Bit-Mengen aus anderen Quellen zu importieren und zu exportieren. Auch previousSetBit() und previousClearBit() wurden nachgereicht.

Implementierungsdetails

Intern legt die Implementierung von BitSet die Bit-Sammlungen in einem long-Array ab. Um die Geschwindigkeit zu optimieren, sind die Methoden der Klasse BitSet nicht synchronisiert. Greift also ein Thread auf die Daten zu, während ein anderer modifiziert, kann es zu möglichen Inkonsistenzen kommen.


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3.12.4 Primzahlen in einem BitSet verwaltenZur vorigen Überschrift

Das folgende Programm zeigt die Anwendung der Klasse BitSet am Beispiel der Konstruktion der Menge von Primzahlen. Jedes nicht gesetzte Bit entspricht einer Primzahl. In diesem Fall ist der Einsatz der Klasse BitSet angebracht, da eine Zahl in einem Wertebereich nur eine Primzahl oder keine sein kann:

Listing 3.41: com/tutego/insel/util/Primtest.java, main()

final int    MAXPRIM  = 1000;
final int ROOT = (int) Math.sqrt( MAXPRIM );
final BitSet nonPimes = new BitSet(); // Nicht-Primzahlen

for ( int i = 2; i <= ROOT; ++i )
if ( ! nonPimes.get( i ) )
for ( int j = 2 * i; j <= MAXPRIM; j += i )
nonPimes.set( j );

for ( int i = 2; i <= MAXPRIM; i = nonPimes.nextClearBit( i + 1 ) )
System.out.printf( "%d ", i );

Zwar ist die Performance etwas schlechter als beim Einsatz eines boolean-Feldes, doch der Speicherverbrauch ist um etwa 1/8 geringer.



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