Verzia zo dňa a času 12:40, 28. august 2018

Predmet 1-INF-166 Programovanie (2) v Jave nadväzuje na predmet 1-INF-127 Programovanie (1) v C/C++. Oba sú určené študentom prvého ročníka bakalárskych študijných programov Informatika a Bioinformatika.

Rozvrh

Prednášky: pondelok 9:00-10:30 v F1-247
Cvičenia: streda 8:10-9:40 v I-H6

Vyučujúci

RNDr. Jana Katreniaková PhD., miestnosť M-263,
doc. Mgr. Broňa Brejová, PhD., miestnosť M-163,
RNDr. Peter Kostolányi, PhD., miestnosť M-227,

Konzultácie po dohode e-mailom

Kontaktný e-mail

Ak nemáte otázku na konkrétnu osobu, odporúčame vyučujúcich a cvičiacich kontaktovať pomocou spoločnej adresy e-mailovej adresy .
Odpovie vám ten z nás, kto má na starosti príslušnú otázku alebo kto má práve čas.

Ciele predmetu

prehĺbiť a rozšíriť zručnosti v algoritmickom uvažovaní, písaní a ladení programov z predchádzajúceho semestra
oboznámiť sa so základnými programovými a dátovými štruktúrami jazyka Java
zvládnuť základy objektovo-orientovaného programovania a tvorby programov s grafickým užívateľským rozhraním
oboznámiť sa so základnými algoritmami na prácu s grafmi

Literatúra

Predmet sa nebude striktne riadiť žiadnou učebnicou. Prehľad preberaných tém a stručné poznámky nájdete na stránke predmetu, doporučujeme Vám si na prednáškach a cvičeniach robiť vlastné poznámky.
Pri štúdiu Vám môžu pomôcť knihy o jazyku Java, o programovaní všeobecne a o algoritmoch preberaných na prednáške. Tu je výber z vhodných titulov, ktoré sú k dispozícii na prezenčné štúdium vo fakultnej knižnici:
- Bruce Eckel: Thinking in Java. 4th edition Prentice-Hall, 2006. Signatúra I-INF-E-2
  - Staršie 2. vydanie v českom preklade v knižnici so signatúrou D-INF-E-1b, 3. vydanie v angličtine online, doporučujeme však radšej 4. vydanie
- Michael T. Goodrich, Roberto Tamassia: Data Structures and Algorithms in Java. John Wiley & Sons, 2006. Signatúra D-INF-G-5
- Robert Sedgewick: Algorithms in Java, Parts 1-4, Fundamentals, Data Structures, Sorting, Searching, Addison-Wesley, 2003. Signatúra D-INF-S-1/I-IVa
- Robert Sedgewick: Algorithms in Java, Part 5, Graph Algorithms Addison-Wesley, 2004. Signatúra D-INF-S-1/V (I)
Tutoriál k jazyku Java a referenčná príručka k štandardným knižniciam

Priebeh semestra

Na prednáškach budeme preberať obsah predmetu. Prednášky budú dve vyučovacie hodiny do týždňa.
Cvičenia budú dve vyučovacie hodiny do týždňa v počítačovej učebni a ich cieľom je aktívne si precvičiť učivo. Niektoré cvičenia budp začínať rozcvičkou, ktorú budete riešiť na počítači a odovzdávať na testovači. Ďalšou časťou cvičenia je precvičovanie príkladov k predchádzajúcim prednáškam (spoločne alebo individuálne).
Domáce úlohy navrhujeme tak, aby Vám ich riešenie pomohlo osvojiť si a precvičiť si učivo, čím sa okrem iného pripravujete aj na záverečnú skúšku. Okrem tohto sú za domáce úlohy body do záverečného hodnotenia. Najviac sa naučíte, ak sa Vám domácu úlohu podarí samostatne vyriešiť, ale ak sa vám to napriek vášmu úsiliu nedarí, neváhajte sa spýtať o pomoc prednášajúcich alebo cvičiacich. Možno s malou radou od nás sa Vám podarí úlohu spraviť. Treba však na domácej úlohe začať pracovať v predstihu, aby ste nás v prípade problémov stihli kontaktovať.
Cieľom vyučujúcich tohto predmetu je vás čo najviac naučiť, ale musíte aj vy byť aktívni partneri. Ak Vám na prednáške alebo cvičení nie je niečo jasné, spýtajte sa. Môžete nám klásť tiež otázky počas našich konzultačných hodín alebo emailom. Ak sa dostanete do väčších problémov s plnením študijných povinností, poraďte sa s vyučujúcimi alebo s tútorom, ako tieto problémy riešiť.
40% známky dostávate za prácu cez semester, preto netreba nechávať štúdium učebnej látky až na skúškové obdobie.
Pozor, pravidlá sa líšia od zimného semestra. Očakávame, že budete riešiť príklady z cvičení, aj keď nie sú bodované. Na rozcvičke by ste už mali mať príslušné učivo zvládnuté. Domácich úloh bude o niečo viac ako v zimnom semestri. Naopak test bude len jeden.

Letný semester, pravidlá

Známkovanie

20% známky je na základe rozcvičiek, ktoré sa píšu na niektorých cvičeniach
20% známky je za domáce úlohy
30% známky je za záverečný písomný test
30% známky je za praktickú skúšku pri počítači
10% bonusových percent je za nepovinný projekt

Pozor, body získavané za jednotlivé príklady nezodpovedajú priamo percentám záverečnej známky. Body za každú formu známkovania sa preváhujú tak, aby maximálny získateľný počet zodpovedal váham uvedených vyššie. Úlohy označené ako bonusové sa nerátajú do maximálneho počtu získateľných bodov v danej aktivite.

Stupnica

Na úspešné absolvovanie predmetu je potrebné splniť nasledovné tri podmienky:
- Získať aspoň 50% bodov v celkovom hodnotení
- Získať aspoň 50% zo záverečného písomného testu
- Získať aspoň 50% zo skúšky
Ak niektorú z týchto troch podmienok nesplníte, dostávate známku Fx.
V prípade úspešného absolvovania predmetu získate známku podľa percent v celkovom hodnotení takto:

A: 90% a viac, B:80...89%, C: 70...79%, D: 60...69%, E: 50...59%

Cvičenia a rozcvičky

Rozcvičky budú na niektorých cvičeniach. Začiatok rozcvičky bude na začiatku cvičenia, čas do termínu odovzdania bude spravidla v rozsahu 30-90 minút. To, na ktorých cvičeniach budú rozcvičky, budeme priebežne oznamovať na prednáškach resp. na stránke predmetu. Očakávame rozcvičku približne každé dva týždne.
Riešenia rozcvičky odovzdávajte na testovači. Pri bodovaní vezmeme do úvahy výsledky testovača, budeme však pozerať aj na ďalšie aspekty vášho riešenia (správnosť, dodržanie zadania, štýl). Nedokončené riešenia môžu dostať čiastočné body.
Rozcvičku je potrebné riešiť individuálne.
Počas rozcvičky je potrebná prítomnosť na cvičení, t.j. v počítačovej učebni.
Pri rozcvičke môžete hľadať informácie na stránkach predmetu, v dokumentácii k jazyku, prípadne aj v ďalších existujúcich internetových alebo papierových zdrojoch týkajúcich sa všeobecne programovaniu v jazyku Java. Je však zakázané počas rozcvičky komunikovať s ďalšími osobami okrem vyučujúcich, či už osobne alebo elektronicky. Tiež je zakázané zdieľať svoje riešenia s inými osobami alebo cielene vyhľadávať existujúce riešenia zadanej úlohy.

Nerozcvičkové príklady

Okrem rozcvičiek budú na cvičeniach zverejnené aj ďalšie príklady na precvičenie učiva. Rozcvička bude väčšinou z učiva, ktoré sa už precvičovalo na niektorom z predchádzajúcich cvičení.
Niektoré nerozcvičkové príklady môžu byť na testovači za malý počet bonusových bodov (pripočítajú sa k bodom z rozcvičiek). Tieto môžete riešiť a odovzdávať aj vo dvojiciach.
Ďalšie príklady sú nebodované, neodovzdávajú sa na testovač. Vaše riešenie si musíte otestovať sami, prípadne sa spýtajte cvičiacich, ak máte otázky.

Domáce úlohy

Domáce úlohy budú vypisované v priemere raz za dva týždne. Maximálny počet bodov za domácu úlohu bude uvedený v zadaní a bude spravidla 10-20 bodov podľa náročnosti úlohy.
Domáce úlohy treba odovzdať na testovači do termínu určeného v zadaní. Neskoršie odovzdané úlohy nebudú akceptované.
Program, ktorý odovzdáte ako domácu úlohu by mal byť skompilovateľný a spustiteľný na testovači. Budeme kontrolovať správnosť celkovej myšlienky, správnosť implementácie, ale aj štýl.
Programy, ktoré nebudú správne bežať na testovacích vstupoch, nezískajú plný počet bodov, dajte preto pozor na všetky pokyny uvedené v zadaní (presný formát vstupu a výstupu, mená súborov a podobne).

Nepovinný projekt

Za nepovinný projekt môžete získať 10% bonus k vašej výslednej známke (musíte však stále splniť všetky tri podmienky ukončenia predmetu).
Projekt robia dvojice, výnimočne aj jednotlivci.
Projekt sa bude odovzdávať v prvom týždni skúškového obdobia.
Témy projektov a podrobnejšie pravidlá nájdete na zvláštnej stránke.
Na získanie bodov za projekt musí byť vaša práca dostatočne rozsiahla a kvalitná, v opačnom prípade získate 0 bodov.

Záverečný písomný test

Záverečný test bude trvať 90 minút a bude obsahovať úlohy podobné tým, ktoré sa riešili na cvičeniach.
Riadny termín testu sa bude konať koncom semestra alebo začiatkom skúškového obdobia a cez skúškové obdobie bude aj opravný termín testu.
Pri teste nemôžete používať žiadne pomocné materiály (písomné ani elektronické) okrem povoleného ťaháku v rozsahu jedného listu formátu A4 s ľubovoľným obsahom na oboch stranách.

Skúška

Na skúške budete riešiť 2 úlohy pri počítači v celkovom trvaní 2-3 hodiny.
Na skúške nemôžete používať žiadne pomocné materiály okrem povoleného ťaháku v rozsahu jedného listu formátu A4 s ľubovoľným obsahom na oboch stranách. Nebude k dispozícii ani internet. Budete používať rovnaké programátorské prostredie ako na cvičeniach.
Po skončení skúšky sa koná krátky ústny pohovor s vyučujúcimi, počas ktorého sa prediskutujú programy, ktoré ste odovzdali a uzavrie sa vaša známka.

Opravné termíny

Záverečný test má jeden opravný termín (je súčasťou priebežného hodnotenia)
- Ak sa zúčastníte opravného termínu, strácate body z predchádzajúceho termínu, aj keby ste na opravnom získali menej bodov.
Opakovanie skúšky sa riadi študijným poriadkom fakulty. Máte nárok na dva opravné termíny (ale len v rámci termínov, ktoré sme určili).
Ak po skúške pri počítači máte nárok na známu E alebo lepšiu, ale chceli by ste si známku ešte opraviť, musíte sa dohodnúť so skúšajúcimi pred zapísaním známky do indexu.
Ak po skúške pri počítači ešte opravujete písomku, je potrebné prísť uzavrieť a zapísať známku v termíne určenom vyučujúcimi.
Ak sa zo závažných dôvodov (napr. zdravotných, alebo konflikt s inou skúškou) nemôžete zúčastniť termínu skúšky alebo písomky, dajte o tom vyučujúcim vedieť čím skôr.

Opisovanie

Máte povolené sa so spolužiakmi a ďalšími osobami rozprávať o domácich úlohách a stratégiách na ich riešenie. Kód, ktorý odovzdáte, musí však byť vaša samostatná práca. Je zakázané opisovať kód z literatúry alebo z internetu a ukazovať svoj kód spolužiakom. Domáce úlohy môžu byť kontrolované softvérom na detekciu plagiarizmu.
Počas rozcvičiek, testov a skúšok môžete používať iba povolené pomôcky a nesmiete komunikovať s žiadnymi osobami okrem vyučujúcich.
Ak nájdeme prípady opisovania alebo nepovolených pomôcok, všetci zúčastnení študenti získajú za príslušnú domácu úlohu alebo test nula bodov (t.j. aj tí, ktorí dali spolužiakom odpísať). Opakované alebo obzvlášť závažné prípady opisovania budú podstúpené na riešenie dekanovi fakulty.

Neprítomnosť

Účasť na cvičeniach veľmi silne doporučujeme a v prípade neprítomnosti stratíte body za rozcvičky.
V prípade ochorenia alebo iných závažných dôvodov neprítomnosti poraďte s prednášajúcimi o možných riešeniach. Treba tak spraviť čím skôr, nie až spätne cez skúškové. Môžeme vyžadovať potvrdenku od lekára.

Test pre pokročilých

V druhom týždni semestra sa bude konať nepovinný test pre pokročilých. Príklady na ňom budú podobné ako na záverečnom teste.
Ak na test prídete a napíšete ho na menej ako 50%, nezískate žiadne výhody (ako keby ste na test ani neprišli).
V opačnom prípade získate plný počet bodov za k=(x+10)/20 rozcvičiek, kde x je percento bodov z testu a delenie je celočíselné. Napríklad za 50-69% z testu dostanete plný počet bodov z 3 rozcvičiek. Body vám budú započítané za prvých k rozcvičiek a nie je možné ich presúvať na iné termíny rozcvičiek.
Navyše si môžete body z testu pre pokročilých nechať uznať ako body zo záverečného testu. Máte však aj možnosť písať záverečný test so spolužiakmi.

Letný semester, test a skúška

Na túto stránku budeme postupne pridávať informácie týkajúce sa záverečného písomného testu a praktickej skúšky pri počítači v letnom semestri. Odporúčame tiež si preštudovať pravidlá predmetu.

Termíny, zapisovanie

Termíny skúšok

Streda 23.5. 9:00 v H6 (riadny)
Štvrtok 7.6. 9:00 v H6 (riadny alebo 1. opravný)
Utorok 20.6. 9:00 v H6 (1. alebo 2. opravný)
Koncom júna bude ešte 2. opravný termín, dátum upresníme neskôr

Termíny testu

Piatok 18.5. o 13:00 v posluchárni B riadny termín
Počas skúškového bude opravný termín, dohodneme po teste (nebude v prvom týždni skúškového)

Prípadné konflikty s dátumami písomky alebo skúšok nám dajte vedieť čím skôr

K zapisovaniu na skúšky

Na termín skúšky sa zapisujte v systéme AIS.
- Prihlasovanie/odhlasovanie na skúšku do 14:00 deň pred skúškou.
Na skúšku môžete ísť, aj keď ešte nemáte úspešne absolvovaný test (ale kým nespravíte test, nezapíšeme vám známku).
Ak na prvom riadnom termíne skúšku nespravíte, môžete použiť druhý riadny termín ako váš prvý opravný atď. Okrem týchto štyroch už však neplánujeme ďalšie termíny a každý sa môže zúčastniť na najviac troch termínoch.
Po skúške poobede alebo na ďalší deň budú určené časy na osobné stretnutie, diskusiu k vašim riešeniam, reklamácie bodov, zapisovanie známok do indexov.
- Ak máte ku skúške akékoľvek otázky (čo som mal zle, ako sa to dalo robiť lepšie atď), príďte na osobné stretnutie.
- Príďte na stretnutie, aj ak ste skúšku nespravili. Môžeme vám poradiť, čo robiť inak na opravnom termíne.
- Ak spravíte skúšku v riadnom termíne, stretnutie je nepovinné. Známku do indexu si môžete zapísať aj na inom termíne skúšky alebo poslať index po spolužiakovi (zapisovať známky ale budeme len v určené časy, nie keď zrovna idete okolo...).
- Prípadné otázky k bodovaniu riešte na osobnom stretnutí po skúške, alebo emailom najneskôr deň po skúške, nie neskôr.
- Ak ste písali opravný termín, osobné stretnutie je povinné.

Skúška pri počítači

Doneste si ťahák 1 list A4, ISIC, index, písacie potreby
Príďte pár minút pred začiatkom termínu pred príslušnú učebňu, kde sa dozviete pokyny a rozsadenie do miestností
Skúška 2 a 3/4 hodiny práca pri počítačoch.
Prostredie ako minulý semester (Linux v učebniach, skúškové konto, nebude internet)
Aby ste mali šancu úspešne ukončiť predmet, musíte získať aspoň polovicu bodov.
Hodnotíme správnosť myšlienky, správnosť implementácie, v menšej miere štýl
Nezáleží na rýchlosti programu, pokiaľ v rozumnom čase zbehne aspoň na malých vstupoch
Testovač nebude testovať správnosť, dostatočne si program otestujte sami.

Na skúške pri počítači dostanete k dispozícii program #GraphGUI

Pozrite si ho vopred pred skúškou
Do programu budete pridávať riešenia dvoch úloh
Tieto úlohy bude možné riešiť nezávisle na sebe a budú mať rovnakú váhu, nemusia však byť pre vás rovnako ťažké
V úlohe A bude treba doprogramovať niečo do grafického prostredia v JavaFX
V úlohe B bude treba naprogramovať nejaký grafový algoritmus metódou prehľadávania s návratom

Odovzdávate iba súbory Editor.java (úloha A) a GraphAlgorithm.java (úloha B), celé vaše riešenie by teda malo byť v týchto súboroch.
Ak kvôli ladeniu meníte iné časti programu, ubezpečte sa, že odovzdané súbory pracujú aj s pôvodnou verziou programu GraphGUI.
Ak sa bude verzia GraphGUI na skúške líšiť od tej vopred zverejnenej, zmeny budú popísané v zadaní a nebudú veľmi rozsiahle (napr. pridanie zopár užitočných metód)

Na skúške budete mať prístup aj k dokumentácii k Jave, ktorá je stiahnuteľná tu, resp. prezerateľná tu a tu.

Nebude možné v dokumentácii vyhľadávať, naučte sa v nej preto pred skúškou orientovať navigáciou z farebnej tabuľky na úvodnej stránke.
Táto dokomentácia tiež neobsahuje tutoriály, len popisy jednotlivých tried a ich metód

Ukážkový príklad, úloha A

Do súboru Editor.java doprogramujte, aby sa po stlačení tlačidla Run Editor otvorilo editovacie okienko, v ktorom je pre každý vrchol jeden ovládací prvok s číslom vrcholu a používateľ môže pre každý vrchol nastaviť, aby sa jeho farba zmenila na zelenú. Ovládacie prvky majú byť umiestnené pod sebou a na spodku bude ovládací prvok Button s nápisom OK, ktorý po stlačení označené vrcholy prefarbí. Ak bude okno zavreté bez stlačenia OK, zmeny sa nevykonajú. Pomôcky:

Na zmenu farby použite metódu setColorName("green") rozhrania Vertex.
Ako vhodný Layout aplikácie odporúčame GridPane
Odporúčané ovládacie prvky sú RadioButton (zaujímavé metódy setSelected, isSelected), pripadne ListView (vhodný SelectionModel je SelectionMode.MULTIPLE a jeho metódy getSelectedIndices() resp. getSelectedItems()).

Ukážkový príklad, úloha B

Do súboru GraphAlgorithm.java naprogramujte hľadanie najmenšej dominujúcej množiny v grafe pomocou prehľadávania s návratom.

Dominujúca množina je taká množina vrcholov X, že každý vrchol grafu je buď v X, alebo susedí s nejakým vrcholom v X.
Napríklad hrany sú rovné chodby a vrcholy križovatky. Strážnik stojaci vo vrchole má pod kontrolou túto križovatku aj všetky s ňou susedné. Chceme s použitím čo najmenšieho počtu strážnikov mať pod kontrolou všetky vrcholy grafu.
Vrcholy patriace do nájdenej dominujúcej množiny prefarbite na zeleno, ostatné vrcholy prefarbite na bielo. Ako výsledok metódy performAlgorithm vráťte počet vrcholov najmenšej dominujúcej množiny prevedený na reťazec bez ďalšieho sprievodného textu.

Písomný test

Trvanie 90 minút
Dobre si rozvrhnite čas, niektoré úlohy sú ťažšie, iné ľahšie.
Aby ste mali šancu úspešne ukončiť predmet, musíte získať aspoň polovicu bodov.
Doneste si ISIC, písacie potreby, ťahák 1 list A4
Zakázané sú ďalšie materiály, elektronické pomôcky, opisovanie

Na písomnom teste budú príklady na nasledujúce témy:

Základné črty jazyka Java
Objektovo-orientované programovanie (triedy, konštruktory, dedenie a polymorfizmus, rozhranie, ...)
Výnimky
Základy generického programovania, základy Collections (ArrayList, LinkedList, HashMap, Iterator)
Testovacie vstupy (netreba JUnit, len tvorba vstupov ako takých)
Grafy (reprezentácia, prehľadávanie grafu do hĺbky a šírky, topologické triedenie orientovaného grafu, úlohy na prehľadávanie s návratom)
Všeobecné programátorské zručnosti, práca s poliami, zoznamami, stromami, rekurzia

Na písomnom teste nebudú príklady na JavaFX

Ukážkové príklady na písomný test

V texte nižšie je niekoľko príkladov, ktoré sa svojim charakterom a obtiažnosťou podobajú na príklady, aké budú na záverečnej písomke. Tieto ukážkové príklady sú prevažne vybrané z cvičení a prednášok, na skutočnej písomke však budú nové, zatiaľ nepoužité príklady.

Tu je ukážkový test, ktorý bol tento rok použitý pre pokročilých.

Príklad 1: Navrhnite triedu Polynomial, ktorá bude reprezentovať polynómy jednej premennej s celočíselnými koeficientami, ktorá bude mať nasledujúce metódy (napíšte kód celej triedy, vrátane premenných):
- Konštruktor bez parametrov, ktorý vytvorí nulový polynóm
- Konštruktor s dvoma celočíselnými parametrami a a i, ktorý vytvorí polynóm Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle ax^i}
- Konštruktor, ktorý dostane pole a vytvorí polynóm, ktorého koeficienty budú prvky tohto poľa
- Metódu getCoefficient(int i), ktorá vráti koeficient pri člene Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle x^i} .
- Metódu add(Polynomial p), ktorá vráti nový polynóm, ktorý bude súčtom tohto polynómu a polynómu p.
- Metódu evaluate(int value), ktorá vráti hodnotu polynómu, keď premenná bude mať hodnotu value.

Príklad 2: Naprogramujte generickú triedu Matrix, ktorá reprezentuje obdĺžnikovú maticu prvkov nejakého neznámeho typu E.
- Napíšte konštruktor, ktorý vytvorí maticu zadaných rozmerov a vyplní ju zadaným prvkom typu E.
- Napíšte metódu get, ktorá vráti prvok matice nachádzajúci sa na zadanom mieste
- Napíšte metódu set, ktorá na zadané miesto v matici zapíše zadaný prvok typu E
- Ak metódam get alebo set užívateľ zadá súradnice mimo matice, hodia výnimku vašej vlastnej triedy MatrixIndexOutOfBoundsException (ktorú tiež naprogramujte)
- Výnimka tejto triedy by v metóde getMessage mala vrátiť reťazec obsahujúci obidve súradnice, ako aj obidva rozmery matice.

Príklad 3: Napíšte generickú statickú metódu kazdyDruhy, ktorá dostane LinkedList a vyhodí z neho každý druhý prvok. K LinkedListu pristupujte iba cez iterátor a jeho metódu remove.

Príklad 4: Uvažujme prehľadávanie grafu do hĺbky, ktoré do poľa whenVisited čísluje vrcholy v poradí, v akom boli navštívené. Odsimulujte algoritmus na grafe vpravo a zistite, v akom poradí budú vrcholy navštívené, ak začneme prehľadávať vo vrchole 0. Predpokladajte, že adjVertices vracia susedov v poradí podľa čísla vrcholu.

Príklad 5: Odsimulujte prácu prehľadávania do šírky na grafe vyššie, ak začneme prehľadávať vo vrchole 0. Predpokladajte, že adjVertices vracia susedov v poradí podľa čísla vrcholu. Uveďte, v akom poradí boli vrcholy vložené do queue a vypíšte výsledné polia dist a prev.

Príklad 6: Nájdite všetky topologické usporiadania orientovaného grafu na obrázku vpravo.

Príklad 7: Napíšte funkciu static int countIsolated(Graph g), ktorá v grafe g spočíta počet izolovaných vrcholov, teda takých, ktoré nemajú žiadnych susedov. Graph je interface z prednášok s metódami getNumberOfVertices, getNumberOfEdges, addEdge, existsEdge, adjVertices.

Príklad 8: Navrhnite 5 testov pre metódu s hlavičkou a špecifikáciou uvedenou nižšie. Pre každý test uveďte obsah vstupných parametrov a a x, ako aj aký výstup by metóda mala vrátiť a stručne slovne popíšte význam testu. Pokryte obvyklé aj okrajové prípady.

    /** Z pola a vyhodi prvy vyskyt objektu rovneho x
     * pricom rovnost sa testuje metodou equals.
     * Vsetky dalsie prvky posunie o jedno dolava a na koniec
     * pola da null.
     * Vrati true, ak bolo pole modifikovane, inak false.
     * Ak a je null alebo x je null, vyhodi java.lang.NullPointerException
     */
    public static boolean remove(Object[] a, Object x) {

Príklad 9: Uveďte, čo vypíše nasledujúci program:

class E0 extends Exception {}

public class Prog {
   static void f(int x) throws E0 {
       try {
           if(x==0)  throw new E0();
           System.out.print('A');
       } catch (E0 e) {
           System.out.print('B');
           throw new E0();
       }
   }

   public static void main(String[] args) {
       for(int x=0; x<=1; x++) {
           try {
               System.out.print(x);
               f(x);
               System.out.print(x);
           } catch (E0 e) {
               System.out.print('C');
           }
      }
   }
}

Príklad 10: Uveďte, čo vypíše nasledujúci program:

class A {
  private int x;
  public A() { x = 0; }
  public void print() { System.out.println(x); }
  public void inc() { x++; }
  public void work() { inc(); print(); }
}
class B extends A {
  private int y;
  public B() { super(); y=0; }
  @Override public void inc() { y++; }
  public static void main(String[] args) {
     A a = new B(); a.work(); a.work();
     a = new A(); a.work(); a.work();
  }
}

Príklad 11: Uveďte, čo vypíše nasledujúci program:

public class Prog {
    static void vypis(int[][] a) {
        if (a != null) {
            for (int i = 0; i < a.length; i++) {
                for (int j = 0; j < a[i].length; j++) {
                    System.out.print(" " + a[i][j]);
                }
                System.out.println();
            }
        } else {
            System.out.println("null");
        }
    }

    static void vytvorMaticu(int[][] a) {
        if (a == null) {
            a = new int[2][];
        }
        a[0] = new int[2];
        a[1] = a[0];
        a[0][0] = 1;  // (*)
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[][] a = new int[2][];
        vytvorMaticu(a);
        int[][] b = null;
        vytvorMaticu(b);
        vypis(a);
        vypis(b);
    }
}

GraphGUI

Program GraphGUI ku skúške

Na skúške pri počítači budete pracovať s programom GraphGUI. Tento program aj jeho dokumentáciou dostanete k dispozícii na skúške, odporúčame vám ale sa s ňou oboznámiť vopred.

zip
JavaDoc dokumentácia
Autori J. Katreniaková, B. Brejová a traja minuloroční prváci Samuel Gurský, Jakub Šimo a Emanuel Tesař
Ak objavíte chybu, dajte čím skôr vedieť B. Brejovej

Do programu graphgui budete pridávať riešenia dvoch úloh

Tieto úlohy bude možné riešiť nezávisle na sebe a budú mať rovnakú váhu, nemusia však byť pre vás rovnako ťažké
V úlohe A bude treba doprogramovať nové dialógové okno do grafického prostredia
V úlohe B bude treba riešiť grafový problém metódou prehľadávania s návratom
Odovzdávate iba súbory Editor.java (úloha A) a GraphAlgorithm.java (úloha B), celé vaše riešenie by teda malo byť v týchto súboroch.
Ak kvôli ladeniu meníte iné časti programu, ubezpečte sa, že odovzdané súbory pracujú aj s pôvodnou verziou programu graphgui.
Pokiaľ v programe pre daný termín skúšky spravíme zmeny oproti vopred zverejnenej verzii, vysvetlíme ich v zadaní. Veľká väčšina programu však bude identická so zverejnenou.

Používanie programu

Po spustení GraphGui sa objaví grafický panel na editovanie neorientovaného grafu

Editor má tri módy: Add, Delete a Select
V móde Add kliknutie na prázdne miesto pridá vrchol, postupné kliknutie na dva vrcholy ich spojí hranou
V móde Delete môžete zmazať hranu alebo vrchol kliknutím na ne
V móde Select môžete označiť hranu alebo vrchol kliknutím na ne, kliknutím na prázdnu plochu označenie zrušíte
Označený vrchol má červený rámik, označená hrana je čiarkovaná
V pravom paneli sa vypisujú vlastnosti označeného vrcholu a hrany, dajú sa tam aj editovať
V ľavom paneli sú okrem tlačidiel na výber módu aj tlačidlá na spustenie riešenia úlohy A a B
Program je možné ovládať aj zadávaním textových príkazov do príkazového riadku v spodnej časti okna, zoznam príkazov je aj v položke Help
Graf (vrátane vyznačenej hrany a vrchola) je možné ukladať do súboru a naopak otvárať zo súboru.
- V programe je však obmedzenie - meno súboru ani priečinku nesmie obsahovať medzery a iné biele znaky

Dôležité súčasti knižnice

Graph, Vertex, Edge

Rozhranie pre prácu s neorientovaným grafom.
Umožňuje pridávať aj mazať vrcholy aj hrany.
Vrcholy a hrany sú objekty typu Vertex a Edge.
Vrcholy aj hrany si pamätajú hodnotu (value) typu int, ktorá môže predstavovať napr. vzdialenosť dvoch miest, počet obyvateľov mesta a pod.
Vrcholy a hrany majú priradenú aj určitú farbu, ktorou sa vyfarbujú. Tato farba je uložená ako reťazec, napr. "white", "black", prípadne "#00ffff"
Vrcholy sú číslované 0,...,N-1, kde N je počet vrcholov, a v algoritmoch je možné k nim pristupovať buď cez tieto čísla (id) alebo cez samotné objekty typu Vertex. Po zmazaní vrchola sa id ostatných vrcholov môžu zmeniť.
Vrcholy majú uložené aj údaje o svojich súradniciach x a y, čo sú reálne čísla od 0 do 1.
Pre každú reálnu hranu grafu {u,v} sú v grafe dve inštancie rozhrania Edge. Jedna ide z u do v a druhá naopak. Graf je však neorientovaný, takže predstavujú to isté a majú tú istú hodnotu (value) a farbu. Jedna z nich je tzv primárna a je uložená v zozname všetkých hrán grafu.
Vo vašich častiach programu pristupujte k grafu len pomocou metód z rozhraní Graph, Vertex a Edge.

interface Graph {
  int getNumberOfVertices();
  int getNumberOfEdges();

  Iterable<Vertex> getVertices();
  Iterable<Edge> getEdges();

  Vertex getVertex(int id);

  Iterable<Vertex> adjVertices(Vertex vertex);
  Iterable<Integer> adjVertexIds(int id);
  Iterable<Edge> adjEdges(Vertex vertex);
  Iterable<Edge> adjEdges(int id);

  Vertex addVertex(double x, double y);
  void removeVertex(Vertex vertex);
  Edge addEdge(Vertex vertex1, Vertex vertex2);
  Edge addEdge(int id1, int id2);
  void removeEdge(Edge edge);
  void removeEdge(Vertex vertex1, Vertex vertex2);
  void removeEdge(int id1, int id2);

  Edge findEdge(Vertex vertex1, Vertex vertex2);
  Edge findEdge(int id1, int id2);

  void clear();
  void print(PrintStream out, boolean full);
  void read(Scanner scanner);

  void deselectEdge();
  void deselectVertex();
  void selectVertex(Vertex vertex);
  void selectEdge(Edge edge);
  Vertex getSelectedVertex();
  Edge getSelectedEdge();
}

interface Edge {
    Vertex getOrigin();
    int getOriginId();

    Vertex getDestination();
    int getDestinationId();

    boolean isEquivalent(Edge e); // su e a this ta ista hrana, prip. opacne?
    Edge getReverse();  //opacna reprezentacia tej istej hrany
    Edge getPrimary();  // bud tato hrana alebo jej opacna

    int getValue();
    void setValue(int value);

    String getColorName();
    void setColorName(String colorName);
    void setColorRgb(int red, int green, int blue);
}

interface Vertex {
    int getId();

    Iterable<Vertex> adjVertices();
    Iterable<Integer> adjVertexIds();
    Iterable<Edge> adjEdges();

    Edge findEdge(Vertex vertex);

    int getValue();
    void setValue(int value);

    double getX();
    void setX(double x);

    double getY();
    void setY(double y);

    String getColorName();
    void setColorName(String colorName);
    void setColorRgb(int red, int green, int blue);
}

GraphImplementation, VertexImplementation, EdgeImplementation

Pomocné triedy reprezentujúce graf a jeho súčasti

Implementujú rozhrania popísané vyššie, notifikujú grafické prvky o zmenách v grafe.
Vo vašich častiach programu nevolajte priamo metódy týchto tried, používajte len rozhrania uvedené vyššie.

GraphGUI, Controller, GraphPane, GraphDrawing, State, layout.fxml

Triedy implementujúce samotné grafické rozhranie. Tieto triedy nemáte na skúške meniť ani používať ich časti, takže sú tu uvedené len pre zaujímavosť.

GraphGUI obsahuje metódu main, ktorá naštartuje aplikáciu
Controller obsahuje funkčné prvky okrem samotnej plochy s grafom (tlačidlá, menu, príkazový riadok, editovanie nastavení vrchola a hrany)
Súbor layout.fxml obsahuje rozloženie ovládacích prvkov na ploche a ich základné vlastnosti v FXML formáte
GraphDrawing vykresľuje graf do plochy pomocou kruhov, čiar a textov, stará sa o nastavovanie súradníc, farby a pod. podľa toho ako sa graf mení
GraphPane obsahuje funkčné časti práce s grafom - reakcie programu na klikanie do grafickej plochy
State je pomocná trieda obsahujúca stav programu (Add/Delete/Edit) a samotný graf

GraphAlgorithm

Trieda, ktorá má obsahovať implementáciu požadovaného grafového algoritmu z úlohy B.

Používajte iba metódy rozhraní Graph, Vertex, Edge.
Nemeňte hlavičky public metódy ani konštruktora, môžete si však pridať do triedy ďalšie premenné, metódy, prípadne aj pomocné triedy.

Konštruktor dostane graf, ktorý si uloží.

Podľa potreby pridajte inicializáciu vašich ďalších premenných.

Metóda performAlgorithm má vykonať samotný algoritmus

podľa pokynov v zadaní môže modifikovať graf
- napr. často je úlohou nejako prefarbiť vrcholy alebo hrany
výsledok výpočtu vráti ako String
- použite formát požadovaný v zadaní

Ukážkový príklad tejto triedy, ktorý nájde všetkých susedov označeného vrchola a preferbí ich na oranžovo. Vráti správu so zoznamom čísel týchto vrcholov.

Na skúške budete mať riešiť nejaký problém metódou prehľadávania s návratom (backtracking). Na prednáške sme videli problém najdlhšej cesty, uvidíme ešte maximálnu kliku

public class GraphAlgorithm {

    //PREMENNÉ TRIEDY, UPRAVTE SI PODĽA POTREBY
    private final Graph graph;

    // KONŠTRUKTOR: NEMEŇTE HLAVIČKU, TELO UPRAVTE PODĽA POTREBY
    public GraphAlgorithm(Graph graph) {
        this.graph = graph;
    }
    // METÓDA performAlgorithm: NEMEŇTE HLAVIČKU, TELO UPRAVTE PODĽA POTREBY
    public String performAlgorithm() {
        Vertex selected = graph.getSelectedVertex();

        // ak bol nejaky vrchol vybrany
        if (selected != null) {
            String result = "";
            for (Vertex other : selected.adjVertices()) {
                other.setColorName("orange");
                if (!result.isEmpty()) {
                    result = result + " ";
                }
                result = result + other.getId();
            }
            return result;
        }
        return "no vertex selected";
    }
}

Editor, EditorException

Trieda, ktorá má obsahovať implementáciu úlohy A na skúške.

V tejto úlohe budete mať spraviť dialógové okno, v ktorom sa budú dať meniť určité aspekty grafu predpísaným spôsobom
- Úlohou teda môže byť určitým spôsobom pridávať alebo uberať vrcholy či hrany, nastavovať im súradnice, hodnoty alebo farby
Konštruktor dostane odkaz na graf (typu Graph), môže si ho uložiť a prípadne inicializovať ďalšie premenné
Potom program zavolá metódu edit, v ktorej sa má vykresliť dialógové okno. Keď užívateľ ukončí prácu s týmto oknom (spravidla stlačením gombíka Ok), vaša časť programu skontroluje správnosť zadaných údajov a ak sú správne, zmení graf príslušným spôsobom (volaním metód z rozhraní Graph, Vertex a Edit)
Ak sú údaje nesprávne, upovedomí používateľa okienkom s chybovou hláškou (napr. použitím už hotovej metódy showError) a nechá používateľa ďalej meniť hodnoty
Ak je to v zadaní špecifikované, váš kód môže za stanovených okolností vyhodiť výnimku typu EditorException
Iné výnimky by v ňom vznikať nemali, resp. by mali byť odchytené ešte v rámci vášho kódu

V tomto príklade sa v prípade, že je označená hrana, zobrazí sa dialóg, ktorým sa dá meniť farba tejto hrany podľa jej red, green a blue zložiek.

ak nie je označená hrana, metóda edit vyhodí výnimku

public class Editor {

    // POMOCNÁ TRIEDA PRE UKÁŽKOVÝ PRÍKLAD, MEŇTE PODĽA POTREBY
    class MyStage extends Stage {
        Edge edge;

        MyStage(Edge edge) {
            this.edge = edge;
            GridPane pan = new GridPane();
            MyStage dialog = this;

            Color c = Color.web(edge.getColorName());

            final TextField rText = new TextField((int)(c.getRed() * 255) + "");
            final TextField gText = new TextField((int)(c.getGreen() * 255) + "");
            final TextField bText = new TextField((int)(c.getBlue() * 255) + "");
            final Label rLabel = new Label("Red (0-255): ");
            final Label gLabel = new Label("Green (0-255): ");
            final Label bLabel = new Label("Blue (0-255): ");
            Button ok = new Button("OK");

            pan.add(rLabel, 0, 0);
            pan.add(rText, 1, 0);
            pan.add(gLabel, 0, 1);
            pan.add(gText, 1, 1);
            pan.add(bLabel, 0, 2);
            pan.add(bText, 1, 2);
            pan.add(ok, 1, 3);

            ok.setOnAction((ActionEvent event) -> {
                int r, g, b;
                try {
                    r = Integer.parseInt(rText.getText());
                    g = Integer.parseInt(gText.getText());
                    b = Integer.parseInt(bText.getText());
                } catch (Exception e) {
                    showError("Bad color value (should be a number)");
                    return;
                }
                try {
                    if (r >= 0 && g >= 0 && b >= 0
                    && r < 256 && g < 256 && b < 256) {
                        edge.setColorRgb(r, g, b);
                        dialog.close();
                    } else {
                        showError("Bad color value (should be in range 0-255)");
                    }
                } catch (Exception e) {
                    showError("Color could not be set");
                }
            });

            Scene sc = new Scene(pan);
            this.setScene(sc);
        }

        private void showError(String message) {
            Alert error = new Alert(AlertType.ERROR, message);
            error.setHeaderText(null);
            error.initOwner(this);
            error.showAndWait();
        }
    }

    // PREMENNÉ TRIEDY, UPRAVTE SI PODĽA POTREBY
    private Graph graph;

    // KONŠTRUKTOR: NEMEŇTE HLAVIČKU, TELO UPRAVTE PODĽA POTREBY
    public Editor(Graph graph) {
        this.graph = graph;
    }

    // METÓDA edit: NEMEŇTE HLAVIČKU, TELO UPRAVTE PODĽA POTREBY
    public void edit() throws EditorException {
        Edge edge = graph.getSelectedEdge();
        if (edge == null) {
            throw new EditorException("No edge selected");
        }
        MyStage dialog = new MyStage(edge);
        dialog.initStyle(StageStyle.UTILITY);
        dialog.initModality(Modality.APPLICATION_MODAL);
        dialog.showAndWait();
    }
}

Letný semester, projekt

Súčasťou bodovania je aj nepovinný projekt, za ktorý môžete dostať 10% bonus.
- Je to príležitosť vyskúšať si písanie väčšieho programu, pričom v projekte máte väčšiu voľnosť ako pri domácich úlohách
- Projekty, ktoré nebudú spĺňať podmienky uvedené nižšie, budú hodnotené 0 bodmi, nemá teda význam odovzdávať nedokončené programy

Požiadavky na projekt

Projekt musí byť na jednu z tém nižšie. Témy však nepopisujú presné požiadavky, poskytujú len námety, z ktorých si môžete vybrať a prípadne ich ďalej rozšíriť.
Projekt musí byť napísaný v Jave a spustiteľný v Netbeans v učebniach na fakulte a napísaný prehľadne s dostatkom komentárov.
Používať môžete len štandardné javovské knižnice (a prípadne JUnit). Okrem toho samozrejme môžete používať kód poskytnutý v rámci predmetu. Zvyšok programu by mal byť z väčšej časti napísaný vami. Ak použijete nejaké úryvky kódu z internetu alebo iných zdrojov, v komentároch jasne uveďte zdroj.
Program by mal poskytovať grafické užívateľské prostredie, mal by byť príjemne ovládateľný a mal by sa vyrovnať aj s neobvyklým správaním používateľa (nemal by padať na chyby, okrem naozaj závažných neobvyklých situácií ako nedostatok pamäte).
Váš program by mal byť schopný načítavať spracovávané dáta zo súboru a po ich prípadnej zmene ich opäť do súboru uložiť. Formát súboru si môžete zvoliť, program by však nemal padať, ak dostane súbor v zlom formáte alebo s nezmyselnými dátami.

Projekt spĺňajúci tieto požiadavky získa aspoň 5% bonusových bodov, pričom je možné získať až 10% v závislosti od náročnosti a kvality vypracovania projektu.

Termíny a odovzdávanie

V prípade, že chcete robiť projekt, treba si vybrať jednu z ponúkaných tém do stredy 2.5.2018 22:00
- Doporučujeme však toto rozhodnutie spraviť čím skôr, aby ste na projekt mali dosť času, koncom semestra býva veľa práce na všetkých predmetoch.
- Do uvedeného termínu odovzdajte na testovači súbor .txt, ktorý bude obsahovať, ktorú tému ste si vybrali a meno jedného alebo dvoch študentov, ktorí budú na tejto téme robiť. Stačí, ak sa na projekt prihlási jeden z členov dvojice.

Samotný projekt je potrebné odovzdať klasicky ako domácu úlohu do pondelka 21.5. 22:00 na testovači.
Odovzdajte v jednom zazipovanom adresári:
- podadresár obsahujúci zdrojový kód a ďalšie potrebné súbory, napr. bitmapy,
- podadresár obsahujúci niekoľko príkladov vstupných súborov,
- stručný popis projektu vo formáte txt, v ktorom vymenujte, aké možnosti váš program používateľovi poskytuje.
Projekt je tiež potrebné prísť predviesť vyučujúcim.
- Predvádzanie projektov bude po prvom termíne skúšky v stredu 23.5. (t.j. začneme medzi 11:45 a 12:00 v H6). Ak vtedy nemôžete prísť, kontaktujte vyučujúce, dohodneme iný termín.
- Vyučujúcim predvediete používanie vášho programu a hlavné časti zdrojového kódu.
- Body oznámime prostredníctvom odovzdávača až po prezretí všetkých projektov.

Témy projektov

Rozšírte DÚ5 (bludisko) o grafické rozhranie, ktoré zobrazí maticu, pričom písmená v poklady, steny a voľné polia zvýrazní rôznymi farbami. Používateľovi umožní túto plochu editovať a prezerať si z dosiahnuté poklady z jednotlivých štartovacích polí. Pri editovaní plochy sa pokúste ponúknuť paletu viacerých nástrojov na vytváranie rôznych plôšok buď pevne daného tvaru alebo s náhodným prvkom.

Rozšírte DÚ7 (roboti) o grafické rozhranie, ktoré zobrazí hernú plochu a dovolí používateľovi vytvoriť alebo editovať postupnosť robotov aj s ich nastaveniami (čas príchodu, typ, inicializačný parameter) a potom simuluje roboty a vypisuje aktuálne štatistiky úspešných a mŕtvych robotov. Môžete prípadne naprogramovať aj editor hernej plochy. Môžete tiež do hry pridať ďalšie typy robotov alebo políčok.

Rozšírte DÚ8 (iterátor) o grafické rozhranie umožňujúce používateľovi vytvárať a modifikovať vkladané dáta vo forme stromu a následne vizualizovať použitie metód iterátora. Jedná sa o komplikovanejšiu úlohu, kedy sa očakáva, že budete musieť premyslieť a preprogramovať aj samotný iterátor. Tému preto odporúčame skôr pokročilejším programátorom.

Rozšírte DÚ9 (hra) o ďalšie možnosti hry. Mali by ste umožniť hrať hru viacerým hráčom. Každý z hráčov má svoje karty a kortynačku, ktorú sa snaží dosťať do cieľa (pochopiteľne by sa hráči mali v ťahoch striedať). Pridajte tiež možnosť načítať nastavenie hry zo súboru. Tiež odporúčame pridať ďalšie možnosti kariet - napríklad "ľubovoľná korytnačka dopredu", "posledná korytnačka dopredu" a pod. Prípadne rozšíriť hru o políčka obsahujúce skratky a k tomu prislušné karty.

Prednáška 25

Úvod do predmetu

Ciele predmetu

prehĺbiť a rozšíriť zručnosti v algoritmickom uvažovaní, písaní a ladení programov z predchádzajúceho semestra
oboznámiť sa so základnými programovými a dátovými štruktúrami jazyka Java
zvládnuť základy objektovo-orientovaného programovania a tvorby programov s grafickým užívateľským rozhraním
oboznámiť sa so základnými algoritmami na prácu s grafmi

Technické detaily

Budeme používať verziu Java SE 8 (nie najnovšiu Java SE 9)
Budeme naďalej používať systém Netbeans, ale
- Pre Javu je lepšie prispôsobený ako pre C/C++
- Netbeans čisto pre Javu by mal byť jednoduchšie nainštalovateľný pod Windows
- Ak viete ako, môžete používať aj v iné prostredia, napr. Eclipse, prípadne textový editor. Pozor, na skúške len štandardné Linuxové prostredie v učebniach.

Literatúra

Knihy na prezenčné štúdium vo fakultnej knižnici:
- B. Eckel: Thinking in Java. 4th edition Prentice-Hall, 2006. Signatúra I-INF-E-2
  - Staršie 2. vydanie v českom preklade v knižnici so signatúrou D-INF-E-1b, 3. vydanie v angličtine online, doporučujeme však radšej 4. vydanie
- M. T. Goodrich, R. Tamassia: Data Structures and Algorithms in Java. John Wiley & Sons, 2006. Signatúra D-INF-G-5
- R. Sedgewick: Algorithms in Java, Parts 1-4, Fundamentals, Data Structures, Sorting, Searching, Addison-Wesley, 2003. Signatúra D-INF-S-1/I-IVa
- R. Sedgewick: Algorithms in Java, Part 5, Graph Algorithms Addison-Wesley, 2004. Signatúra D-INF-S-1/V (I)
Dokumentácia k jazyku Java od firmy Oracle (používame verziu Java SE 8):
- Tutoriál jazyka Java
- referenčná príručka k štandardným knižniciam

Pravidlá na tento semester

Presné znenie
Zmeny oproti minulému semestru:
- Týždenne iba jedna prednáška a jedny cvičenia
- Trochu viac domácich úloh, niektoré budú väčšie, vyžadujú priebežnú prácu
- Bude nepovinný bonusový projekt za 10%. Témy na projekt a bližšie informácie oznámime neskôr. Odporúčame robiť vo dvojiciach.
- Rozcvička na cvičeniach cca raz za dva týždne, ostatné úlohy na cvičeniach sa neodovzdávajú a nebodujú
- Občas môžu byť ďalšie príklady za malý počet bonusových bodov
- Rozcvička bude z učiva, ktoré sa už cvičilo na predchádzajúcich cvičeniach, mali by ste teda na ňu byť pripravení
- Na rozcvičkách môžu byť aj témy z minulého semestra (práca s poľami, zoznamami, stromami, rekurzia,...), ale v Jave
- Iba jeden test na konci semestra, treba získať aspoň polovicu bodov (bude aj opravný termín)
- Na skúške treba mať celkovo aspoň polovicu bodov, ale nemusí byť jeden príklad celý dobre
- Test pre pokročilých bude podobne ako v zimnom semestri, domáce úlohy sú ale pre všetkých (nedá sa použiť Rýchlostné programovanie)

Odporúčania

Neopisujte
Pracujte na DÚ priebežne, nie tesne pred termínom
Ak niečomu nerozumiete alebo potrebujete poradiť s DÚ, pýtajte sa
Využite cvičenia na precvičenie učebnej látky

Začiatok semestra

Prvá úloha už zverejnená, termín odovzdania budúcu stredu
Druhá úloha zverejnená budúci týždeň
V stredu prvé cvičenia, bude aj malý bonusový príklad
Prvá rozcvička budúci týždeň
Test pre pokročilých budúci týždeň
- Prihlásenie sa a hlasovanie o čase formulárom do stredy

Hello world

V Netbeans

Vytvorenie projektu:

V menu zvolíme New Project
Na prvej obrazovke zvolíme Categories: Java a Projects: Java Application
Na ďalšej obrazovke Project name: hello a Create Main Class: hello.Hello
Do súboru Hello.java napíšeme text:

 
package hello;

public class Hello {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

Potom spúšťame podobne ako program v jazyku C++

V Linuxe na príkazovom riadku

Ak chcete Javu skúsiť bez použitia Netbeans:

Vytvoríme adresár hello, v ňom súbor Hello.java s rovnakým obsahom ako vyššie
Kompilácia javac hello/Hello.java (vznikne súbor hello/Hello.class)
Spustenie java hello.Hello
Pozor, meno adresára musí sedieť s menom balíčka (hello), meno súboru s menom triedy (Hello)
Ak vynecháme riadok package hello, môžeme mať súbor Hello.java priamo v aktuálnom adresári.

Väčší program

Ukážme si teraz väčší program, v ktorom bude aj načítanie vstupu, polia a rekurzia.
Je to javová verzia C++ programu na generovanie variácií bez opakovania z minulého semestra.
Jednotlivé jazykové konštrukty použité v programe rozoberieme nižšie v texte.

Najskôr v C++:

#include <iostream>
using namespace std;

void vypis(int a[], int k) {
    for (int i = 0; i < k; i++) {
        cout << a[i];
    }
    cout << endl;
}

void generuj(int a[], bool bolo[], int i, int k, int n) {
    /* v poli a dlzky k mame prvych i cifier,
     * v poli bolo mame zaznamenane, ktore cifry su uz pouzite,
     * chceme vygenerovat vsetky moznosti
     * poslednych k-i cifier */
    if (i == k) {
        vypis(a, k);
    } else {
        for (int x = 0; x < n; x++) {
            if (!bolo[x]) {
                a[i] = x;
                bolo[x] = true;
                generuj(a, bolo, i + 1, k, n);
                bolo[x] = false;
            }
        }
    }
}

int main(void) {
    int k, n;
    cin >> k >> n;
    int *a = new int[k];
    bool *bolo = new bool[n];
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        bolo[i] = false;
    }
    generuj(a, bolo, 0, k, n);
    delete[] a;
    delete[] bolo;
}

A teraz v Jave:

package hello;

import java.util.Scanner;

public class Hello {

    static void vypis(int[] a) {
        for (int x : a) {
            System.out.print(" " + x);
        }
        System.out.println();
    }

    static void generuj(int[] a, boolean[] bolo, int i, int n) {
        /* v poli a dlzky k mame prvych i cifier,
         * v poli bolo mame zaznamenane, ktore cifry su uz pouzite,
         * chceme vygenerovat vsetky moznosti
         * poslednych k-i cifier */
        if (i == a.length) {
            vypis(a);
        } else {
            for (int x = 0; x < n; x++) {
                if (!bolo[x]) {
                    a[i] = x;
                    bolo[x] = true;
                    generuj(a, bolo, i + 1, n);
                    bolo[x] = false;
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int k, n;
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        k = s.nextInt();
        n = s.nextInt();
        int[] a = new int[k];
        boolean[] bolo = new boolean[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            bolo[i] = false;
        }
        generuj(a, bolo, 0, n);
    }
}

Základy jazyka Java

Primitívne typy, polia a referencie

Primitívne typy (podobné na C/C++)

int: 32-bitové číslo so znamienkom, hodnoty v rozsahu -2,147,483,648..2,147,483,647 (ďalšie celočíselné typy byte, short, long)
double: 64-bitové desatinné číslo s pohyblivou desatinnou čiarkou (a 32-bitový float)
boolean: hodnota true alebo false
char: 16-bitový znak v kódovaní Unicode (podporuje teda napr. slovenskú diakritiku)

Lokálne premenné treba inicializovať, inak kompilátor vyhlási chybu:

int y;
System.out.println(y); // variable y might not have been initialized

V poliach a v objektoch kompilátor inicializuje premenné na 0, null, resp. false.

Polia

Polia v Jave vedia svoju dĺžku, nemusíme ju ukladať v ďalšej premennej
Pole musíme alokovať príkazom new:

double[] a;                  // deklarujeme premennú typu pole desatinných čísel, zatiaľ ma neinicializovanú hodnotu
a = new double[3];           // alokujeme pole troch desatinných čísel
for (int i = 0; i < a.length; i++) {  // do poľa uložíme čísla 0..2
    a[i] = i;
}

Alebo mu môžeme priradiť počiatočné hodnoty: double[] a = {0.0, 1.0, 2.0};
Java kontroluje hranice polí, napr. System.out.println(a[3]); spôsobí chybu počas behu programu: Exception in thread "main" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: 3

Referencie

Každá premenná v Jave obsahuje buď hodnotu primitívneho typu alebo referenciu.
Referencia, podobne ako smerník v C, predstavuje adresu v pamäti.
Referencia môže ukazovať na pole alebo objekt, ale nie na primitívny typ.
Nefunguje smerníková aritmetika.
Referencie môžu mať hodnotu null, ak neukazujú na žiadnu pamäť.
Na jedno pole alebo objekt môžeme mať viac referencií:

double[] a = {0.0, 1.0, 2.0};
double[] b = a;  // skopíruje referenciu na to iste pole do b
a[1]+=2;         // zmeníme pole, na ktoré ukazujú a aj b
System.out.println(b[1]);  // vypíše 3.0
a = new double[2];  // a a b teraz ukazujú na rôzne polia

V Jave nemusíme polia odalokovať, program to spraví sám, keď už na nich nie je žiadna referencia (garbage collection)

Operátory, cykly, podmienky

Operátory podobne ako C/C++, napr. aritmetické +, -, *, /, %, priradenie =, +=,..., ++, --, logické !, &&, ||, porovnávanie ==, !=, >=,...
Pozor, pri referenciách operátor == testuje, či ukazujú na tú istú pamäť, nie či je v tej pamäti tá istá hodnota
Podmienky if, else, switch rovnako ako v C
Cykly for, while, do .. while podobne ako v C, podobne break a continue

Navyše Java má cyklus for, ktorý ide cez všetky hodnoty v poli aj bez indexovej premennej

Tu vidíme dva spôsoby ako vypísať obsah poľa

double[] a = {0.0, 1.0, 2.0};
for (int i = 0; i < a.length; i++) {
    System.out.println(a[i]);
}
for (double x : a) {
    System.out.println(x);
}

Pozor, takýto cyklus sa nedá použiť na zmenenie hodnôt v poli:

for (double x : a) {
    x = 0; // nemení pole, iba lokálnu premennú x
}

Funkcie (statické metódy) a ich parametre

Ak chceme písať menší program bez vlastných objektov, ako sme robili v C, použijeme statické metódy umiestnené v jednej triede
Pred každé meno metódy okrem návratového typu píšeme slovo static
Pred main píšeme aj slovo public, aby bola viditeľná aj mimo aktuálneho balíčku.
Návratový typ funkcie main je void, argumenty sú v poli reťazcov (nie je tam meno programu ako v C)

package pocet;
public class Pocet {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Pocet argumentov: " + args.length);
    }
}

Parametre funkcií sa odovzdávajú hodnotou
- Ak ide o primitívny typ, funkcii sa skopíruje jeho hodnota
- Ak ide o referenciu na pole alebo objekt, funkcii sa skopíruje táto referencia, funkcia môže teda meniť tento objekt alebo pole
Nedá sa teda napísať funkcia swap, ktorá vymení obsah dvoch premenných
Tu je ilustratívny príklad:

(a) Situácia na začiatku vykonávania metódy pokus, (b) situácia na konci vykonávania metódy pokus.

static void pokus(int[] a, int x) {
    a[1] = 5;        // zmena v poli, na ktoré ukazuje a aj b
    a = new int[3];  // a ukazuje na nové pole, b na staré
    System.out.println(a[1]);  // vypíše 0
    x = 6;           // zmena x, y sa nemení
}

public static void main(String[] args) {
    int[] b = {1, 2, 3};
    int y = 4;
    pokus(b, y);
    System.out.println(b[1]);  // vypíše 5
    System.out.println(y);     // vypíše 4
}

Návratový typ môže byť void, primitívny typ alebo referencia
- Príkaz return ako v C

Práca s maticami

V poli môžeme mať aj referencie na iné polia, dostávame tak viacrozmerné matice, podobne ako v C-čku.
Deklarácia 3-rozmerného poľa: int[][][] a;
Ak sú všetky rozmery známe, môžeme ho jedným príkazom alokovať, napr. a=new int[2][3][4];
Môžeme však spraviť napr. trojuholníkovú maticu, v ktorej má každý riadok inú dĺžku:

package hello;
public class Hello {

    static void vypis(int[][] a) {
        /* vypiseme cisla v matici a na konzolu */
        for (int[] riadok : a) {
            for (int x : riadok) {
                System.out.print(" " + x);
            }
            System.out.println();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[][] a = new int[3][];
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            a[i] = new int[i+1];
            for (int j = 0; j < a[i].length; j++) {
                a[i][j] = i * j;
            }
        }
        vypis(a);
    }
}

Výstup:

 0
 0 1
 0 2 4

Podobne 3-rozmerné pole s rôzne veľkými podmaticami a riadkami:

    static void vypis(int[][][] a) {
        /* vypiseme cisla v 3D poli a na konzolu */
        for (int[][] matica : a) {
            for (int[] riadok : matica) {
                System.out.print("[");
                for (int x : riadok) {
                    System.out.print(" " + x);
                }
                System.out.print(" ] ");
            }
            System.out.println();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[][][] a = new int[3][][];
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            a[i] = new int[i + 1][];
            for (int j = 0; j < a[i].length; j++) {
                a[i][j] = new int[j + 1];
                for (int k = 0; k < a[i][j].length; k++) {
                    a[i][j][k] = i * j * k;
                }
            }
        }
        vypis(a);
    }

Výstup:

[ 0 ] 
[ 0 ] [ 0 1 ] 
[ 0 ] [ 0 2 ] [ 0 4 8 ]

Reťazce

Reťazec je objekt triedy String, po vytvorení sa nedá meniť
Text medzi úvodzovkami je považovaný za String
Inicializácia konštantným reťazcom: String greeting = "Hello world!";
Operátor + konkatenuje (zliepa) reťazce. Ak je jeden operand reťazec, iné typy konvertuje na String:

int x=1;
String str = "Hodnota x: " + x;

Prístup k reťazcu:

dĺžka sa počíta metódou length() a i-ty znak metódou charAt(i)

String str = "Ahoj!";
int len = str.length();  // dlzka retazca
for (int i = 0; i < len; i++) {
    System.out.println(i + ". znak: " + str.charAt(i));
}

Výstup:

0. znak: A
1. znak: h
2. znak: o
3. znak: j
4. znak: !

Porovnanie reťazcov na rovnosť metódou equals (Pozor, porovnanie == testuje, či ide o to isté miesto v pamäti)

String str1 = "abc";      // reťazec abc
String str2 = str1;       // referencia na ten istý reťazec
String str3 = str1 + "";  // vznikne nový reťazec abc
if (str1 == str2) {       // true, lebo to isté miesto
    System.out.println("str1==str2"); 
}
if (str1 == str3) {       // false, lebo rôzne miesta
     System.out.println("str1==str3"); 
}
if (str1.equals(str3)) {  // true, lebo zhodné reťazce
     System.out.println("str1.equals(str3)"); 
}

Veľa ďalších metód, pozri dokumentáciu
Ak potrebujete reťazec meniť, napr. k nemu postupne pridávať, môžete použiť StringBuilder
- Rýchlejšie ako stále vyrábať nové reťazce pomocou operátora + (pre spájanie malého počtu častí stačí String)
- Napr. dva spôsoby ako vytvoriť reťazec abeceda obsahujúci písmená a..z:

// Pomocou String, postupne vytvorí 27 rôznych String-ov
String abeceda = "";
for (char c = 'a'; c <= 'z'; c++) {
     abeceda = abeceda + c;  // vytvorí nový String, naplní ho novým obsahom
}

// Pomocou StringBuilder, vytvorí jeden StringBuilder a jeden String
StringBuilder buffer = new StringBuilder();
for (char c = 'a'; c <= 'z'; c++) {
     buffer.append(c);  // modifikuje objekt buffer
}
String abeceda = buffer.toString();  // vytvorí nový String

Vstup, výstup, súbory

Java má rozsiahle knižnice, uvádzame len návod na základnú prácu s textovými súbormi.
Vo väčšine prípadov potrebujeme triedy z balíčku java.io, takže si ich môžeme naimportovať všetky: import java.io.*;
- Trieda Scanner je v balíčku java.util, použijeme teda import java.util.Scanner;
V prípade, že pri práci so súbormi nastane nečakaná chyba, Java použije mechanizmus výnimiek (exception)
- O výnimkách sa budeme učiť neskôr, nateraz len do metódy main (a prípadne ďalších metód) pridáme upozornenie, že výnimka môže nastať:

public static void main(String[] args) throws java.io.IOException { ... }

Písanie na konzolu

System.out.print(retazec)
System.out.println(retazec) - pridá koniec riadku
Reťazec môžeme vyskladať z viacerých častí rôznych typov pomocou +
Formátovanie podobné na printf v C-čku: System.out.format("%.1f%n", 3.15); vypíše číslo na jedno desatinné miesto, t.j. 3.2 a koniec riadku podľa operačného systému.
- Viac detailov v dokumentácii alebo v tutoriáli

Čítanie z konzoly

Objekt System.in je typu FileInputStream a podporuje iba čítanie jednotlivých bajtov resp. polí bajtov
Lepšie sa pracuje, ak ho použijeme ako súčasť objektu, ktorý vie tieto bajty spracovať do riadkov, čísel a pod.
Trieda BufferedReader umožňuje čítať celý riadok naraz ale aj znak po znaku. Tu je príklad jej použitia:

package hello;
import java.io.*;   // potrebujeme triedy z balíčka java.io
public class Hello {
    public static void main(String[] args)
            throws java.io.IOException {  // musíme pridať oznam, že môže vzniknúť výnimka - chyba pri čítaní
        BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        while (true) {
            // načítame riadok do reťazca
            String line = in.readLine();
            // skončíme, keď užívateľ zadá prázdny riadok alebo keď prídeme na koniec vstupu (null)
            if (line == null || line.equals("")) { 
                break;
            }
            // vypíšeme načítany riadok
            System.out.println("Napísali ste riadok \"" + line + "\"");
        }
        System.out.println("Končíme...");
    }
}

Príklad behu programu:

Ahoj
Napísali ste riadok "Ahoj"
1 2 3
Napísali ste riadok "1 2 3"

Končíme...

- Metóda readLine() teda číta celý riadok (odstráni znak pre koniec riadku), metóda read() číta jeden znak (na konci súboru vráti -1)

Trieda Scanner rozkladá vstup na slová oddelené bielymi znakmi (medzery, konce riadku a pod.) a prípadne ich premieňa na čísla.
- Príklad programu, ktorý vypisuje slová načítané od užívateľa, kým nezadá END alebo neskončí vstup

package hello;
import java.util.Scanner;
public class Hello {

    public static void main(String[] args) {
        Scanner s = new Scanner(System.in);  // inicializujeme Scanner
        int num = 0;
        while (s.hasNext()) {        // kym neskonci vstup
            String word = s.next();  // nacitame slovo
            if (word.equals("END")) { // skoncili sme ak najdeme END
                break;
            }
            System.out.println("Slovo " + num + ": " + word); // vypiseme slovo
            num++;
        }
    }
}

Príklad behu programu:

Ahoj
Slovo 0: Ahoj
1 2 3 END
Slovo 1: 1
Slovo 2: 2
Slovo 3: 3

Metóda nextInt() vráti ďalšie slovo konvertované na int (pozri program s rekurziou vyššie). Či nasleduje číslo, si môžeme vopred overiť metódou hasNextInt(). Podobne nextDouble().

Práca so súbormi

Čítanie zo súboru funguje podobne ako čítanie z konzoly, iba inak inicializujeme použitý objekt:

Scanner vytvoríme príkazom Scanner s = new Scanner(new File("vstup.txt"));
- File reprezentuje súbor s určitým menom, potrebujeme pridať import java.io.File; alebo import java.io.*;
BufferedReader vytvoríme príkazom BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader("vstup.txt"));
Scanner aj BufferedReader umožňujú zavrieť súbor metódou close()

Písanie do súboru môžeme robiť napr. triedou PrintStream

Otvorenie súboru: PrintStream out = new PrintStream("vystup.txt");
Potom používame staré známe metódy print, println, format ako pri System.out (napr. out.println("Ahoj"))
Na konci zavoláme out.close()
Tento spôsob otvárania súborov existujúci obsah premaže
Ak chceme pridávať na koniec súboru, použijeme PrintStream out = new PrintStream(new FileOutputStream("vystup.txt",true));

Matematika a pseudonáhodné čísla

V triede Math nájdete rôzne matematické konštanty a funkcie
Napr. Math.PI, Math.cos(x), Math.min(x,y), Math.pow(x,y), ...
Triedy na prácu s veľkými číslami a ďalšie matematické funkcie nájdete v balíčku java.math

Pseudonáhodné čísla

Math.random() vygeneruje double z intervalu [0,1)
Väčšie možnosti poskytuje trieda Random v balíčku java.util (generuje celé čísla, bity), umožňuje nastaviť počiatočnú hodnotu

Cvičenia 13

Cieľom dnešného cvičenia je vyskúšať si prácu v Jave, precvičiť si prácu s poliami, vstupom a výstupom a odovzdať malý bonusový príklad na testovač

Na testovačí máte to isté heslo ako minulý semester. Ak si ho nepamätáte, povedzte cvičiacim alebo napíšte na prog@fmph.uniba.sk
Bonusový príklad môžete robiť do 22:00 (v budúcnosti môžu byť prípadné bonusové príklady limitované na dobu cvičenia)

Budúci týždeň bude na začiatku cvičenia rozcvička z tohtotýždňového učiva

Príklad 1: Spúšťanie programu Hello world

Skúste spustiť program Hello world v Netbeans, na príkazovom riadku alebo v inom prostredí

V Netbeans

Vytvorenie projektu:

V menu zvolíme New Project
Na prvej obrazovke zvolíme Categories: Java a Projects: Java Application
Na ďalšej obrazovke Project name: hello a Create Main Class: hello.Hello
Do súboru Hello.java napíšeme text:

 
package hello;

public class Hello {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

Potom spúšťame podobne ako program v jazyku C++

V Linuxe na príkazovom riadku

Ak chcete Javu skúsiť bez použitia Netbeans:

Vytvoríme adresár hello, v ňom súbor Hello.java s rovnakým obsahom ako vyššie
Kompilácia javac hello/Hello.java (vznikne súbor hello/Hello.class)
Spustenie java hello.Hello
Pozor, meno adresára musí sedieť s menom balíčka (hello), meno súboru s menom triedy (Hello)
Ak vynecháme riadok package hello, môžeme mať súbor Hello.java priamo v aktuálnom adresári.

Príklad 2: Matice a vstup v Jave

Vyriešte príklad na testovači, môžete zaňho získať bonusový bod

Príklad 3: Práca so súbormi

Napíšte program, ktorý načítava súbor vstup.txt znak po znaku pomocou funkcie read triedy BufferedReader a kopíruje ho do súboru vystup.txt
Program si sami otestujte - skúste meniť obsah vstupného súboru a skontrolujte výstupný.
Potom program zmeňte tak, aby keď ide vo vstupe niekoľko rovnakých znakov za sebou, vypíšete z nich iba jeden. Takže napr. pre vstup aabbbccdaa vypíše abcda

Príklad 3: Náhodné čísla

Pozrite si dokumentáciu k triede Random v balíčku java.util a napíšte program, ktorý odsimuluje 10 hodov kockou, teda vypíše 10 náhodných celých čísel od 1 po 6.

Napíšte program, ktorý odsimuluje 10 hodov nevyváženou mincou, pri ktorej v každom hode s pravdepodobnosťou 80% padne hlava a s pravdepodobnosťou 20% prípadoch padne znak. Pomôcka: Ak sa chceme rozhodovať medzi dvoma vecami s určitou pravdepodobnosťou x, môžeme vygenerovať náhodné desatinné číslo z intervalu [0,1) a ak je toto náhodné číslo menej ako x, zvolíme jednu možnosť a ak viac ako x, zvolíme druhú.

Prednáška 26

Organizačné poznámky

Test pre pokročilých bude v stredu 28.2. 11:30-13:00 v M-V.
DU5 odovzdávajte do stredy 28.2. 22:00. Nová DU6 má termín odovzdania 14.3., ale nenechávajte si ju na poslednú chvíľu.
Na cvičení 28.2. bude prvá rozcvička.

Objektovo orientované programovanie (OOP)

Java je objektovo-orientovaný jazyk a teda skoro všetko v Jave je objekt
Základným pojmom OOP je trieda (class)
- Trieda je typ združujúci niekoľko hodnôt, podobne ako struct v C
- Navyše ale trieda obsahuje metódy (funkcie), ktoré s týmito hodnotami pracujú
Objekty sú inštancie triedy
- Napríklad trieda Zlomok môže mať položky citatel a menovatel a konkrétnou inštanciou, objektom je napríklad zlomok z čitateľom 2 a menovateľom 3 vytvorený v programe

Napríklad v Cčku by jednoduchý zásobník int-ov implementovaný pomocou poľa a funkcia pop, ktorá z neho vyberie prvok, mohli vyzerať takto:

struct Stack {
    int *data;
    int pocet;
};

int pop(Stack &s) {
    s.pocet--;
    return s.data[s.pocet];
}

Keď to prepíšeme ako triedu v Jave, vyzerá to podobne, ale:

slovo struct sa nahradí slovom class
metóda pop sa presunie do vnútra definície triedy
metóda pop nedostane zásobník ako argument a k jeho položkám pristupuje priamo ich menami, t.j. napr. data a pocet

public class Stack {
    int data[];
    int pocet;

    int pop() {
       pocet--;
       return data[pocet];
    }
}

Metódy sa potom volajú pre konkrétny zásobník, napr.

Stack s;
// tu pridu prikazy na vytvorenie a naplnenie zasobnika
int x = s.pop()  // vyberie prvok zo zasobnika s

V Cčku by sme písali

Stack s;
// tu pridu prikazy na vytvorenie a naplnenie zasobnika
int x = pop(s);

Ak máme premennú s typu Stack, k jej premenným a metódam pristupujeme pomocou operátora .

napr. s.pop(), s.pocet
Java nemá operátor ->
Ale pozor, premenná s typu Stack je referencia
Po príkaze Stack t = s; premenné s a t ukazujú na to isté miesto v pamäti, na ten istý zásobnik
Čo by podobný príkaz spravil v Cčku? V tomto prípade asi nie to, čo chceme...

Konštruktor a vznik objektov

V Cčku sme pre zásobník mali metódu init, ktorá inicializovala hodnoty pre prázdný zásobník, napr. takto:

void init(Stack &s) {
    s.data = new int[MAXN];
    s.pocet = 0;
}

Objekty sa inicializujú špeciálnou metódou, konštruktorom

Názov konštruktora je názov triedy. Teda konštruktor triedy Stack bude metóda Stack()
Konštruktor nemá v hlavičke návratovú hodnotu, môže však mať parametre.

public class Stack {
    Stack() {
        data = new int[MAXN];
        pocet = 0;
    }
    ...
}

Príkaz Stack s; vytvorí referenciu s, ktorá je však zatiaľ neinicializovaná, t.j. nikam neukazuje a Java nám ju nedovolí použiť.

mohli by sme ju nastaviť na null

Na vytvorenie nového objektu použijeme príkaz new:

s=new Stack();

Príkaz new

dynamicky alokuje pamäť pre objekt
zavolá konštruktor objektu
vráti referenciu - pamäťovú adresu objektu

Viac detailov neskôr

Kontrola prístupu, modifikátory

Trieda a jej súčasti môžu byť odniekiaľ prístupné a odinakiaľ nie. Na úpravu prístupových práv používame modifikátory.

modifikátor private: premenná/metóda je prístupná iba z metód príslušnej triedy
keď nepoužijeme modifikátor: trieda/premenná/metóda je prístupná z balíčka (package), kde sa nachádza
modifikátor protected: podobne ako bez modifikátora, rozdiel uvidíme pri dedení
modifikátor public: trieda/premenná/metóda je prístupná ľubovoľne

Mená súborov, main:

public trieda musí byť v súbore nazvanom po tejto triede, ale môžu tam s ňou byť aj ďalšie (pomocné) triedy, ktoré nie sú public
spustiteľná metóda main musí byť public a umiestnená v public triede

O ďalších modifikátoroch, napr. abstract, static, final, sa dozvieme neskôr

Zapuzdrenie (encapsulation)

Jedným z hlavných princípov OOP je zapuzdrenie
Dáta a k nim prislúchajúce metódy zabalíme do triedy
Kód mimo triedy by k dátam objektu mal pristupovať iba pomocou poskytnutých metód
Väčšinou teda premenným nastavíme modifikátor private alebo protected a pomocným metódam tiež
public metódy triedy tvoria našu ponuku pre používateľov triedy
ak zmeníme vnútornú implementáciu triedy, ale zanecháme rovnaké public metódy a ich správanie, používateľov triedy by to nemalo ovplyvniť
napríklad v triede Stack sa môžeme rozhodnúť namiesto poľa použiť spájaný zoznam, čím potrebujeme preprogramovať triedu Stack, ale program, ktorý ju používa, sa meniť nemusí
Zapuzdrenie umožňuje rozdeliť väčší projekt na pomerne nezávislé časti s dobre definovaným rozhraním

public class Stack {
    public static final int MAXN = 100;
    private int data[];
    private int pocet;

    public Stack() {
        data = new int[MAXN];
        pocet = 0;
    }

    public int pop() {
        pocet--;
        return data[pocet];
    }
    public void push(int x) {
	data[pocet] = x;
        pocet++;
    }
    public boolean isEmpty() {
        return pocet==0;
    }
}

Get a set metódy

Nakoľko premenné v triedach sú väčšinou private, niektoré triedy ponúkajú nepriamy prístup cez get a set metódy, napr.

class Contact {
   private String name;
   private String email;
   private String phone;
   public String getName() { return name; }
   public String getEmail() { return email; }
   public void setEmail(String newEmail) { email = newEmail; } 
   public String getPhone() { return phone; }
   public void setPhone(String newPhone) { phone = newPhone; } 
}

get a set metódy nerobíme mechanicky pre všetky premenné, iba pre tie, ktoré je rozumné sprístupniť mimo triedu
ak poskytneme iba get metódu, premenná je zvonku v podstate read-only
v set metódach môžeme kontrolovať, či je zadaná hodnota rozumná (napr. menovateľ zlomku nemá byť 0)
get a set metódy nemusia presne korešpondovať s premennými a teda môže sa nám podariť ich zachovať aj po zmene vnútornej reprezentácie
- napr. ak getAngle a setAngle berú uhol v stupňoch, ale rozhodneme sa ho ukladať radšej v radiánoch, môžeme do týchto metód naprogramovať konverziu

class SomeGeometricObject {
   private double angle;  // uhol v radianoch
   public double getAngle() { return angle*180.0/Math.PI; }
   public void setAngle(double x) { angle = x*Math.PI/180.0; }
}

Ďalšie detaily

Premenná this

V rámci metód triedy premenná this je referencia na konkrétny objekt, na ktorom bola metóda zavolaná.

Napr. ak zavoláme s.pop(), tak vo vnútri metódy pop premenná this ukazuje na s.

this.premenna je to isté ako premenna
this.metoda(...) to isté ako metoda(...)

Jedno využitie this je poslanie objektu ako argumentu inej metóde, napr.

public static emptyStack(Stack s) {
     while(!s.empty()) {
         s.pop();
     }
}

V triede Stack potom môžeme mať napr. metódu

public empty() {
  emptyStack(this);
}

Samozrejme logickejšie by bolo naprogramovať vyprázdnenie zásobníka priamo v triede a nie volať externé metódy.

Premenná this sa tiež hodí, ak sa argument metódy volá rovnako ako premenná triedy. Vtedy sa pomocou this vieme dostať k premennej a bez this k argumentu

class Contact {
   private String email;
   /** nastav novú emailovú adresu */
   public void setEmail(String email) {  
       this.email = email;
   }
}

Viac metód s tým istým menom: overloading

Trieda môže mať niekoľko metód s tým istým menom, ale rôznymi typmi alebo počtom parametrov. Kompilátor vyberie tú, ktorá sa najlepšie hodí použitiu. Napr.

class Contact {
   private String email;
   public void setEmail(String email) {  
       this.email = email;
   }
   public void setEmail(String username, String domain) {  
       email = username + "@" + domain;
   }
}


Contact c = new Contact();
c.setEmail("jozkomrkvicka@gmail.com"); // prva metoda
c.setEmail("jozkomrkvicka", "gmail.com"); // druha metoda

Overloading sa dá použiť aj na konštruktory:

class Node {
    private int data;
    private Node next;
    
    public Node() {}
    public Node(int data) { this.data = data; }
    public Node(Node next) { this.next = next; }
    public Node(int data, Node next) { this.data = data; this.next = next;}
    
    public int getData() { return data;}
    public void setData(int data) { this.data = data;}
    public Node getNext() { return next;}
    public void setNext(Node next) {this.next = next;}
}

Detaily inicializácie objektov

príkaz new najskôr inicializuje jednotlivé premenné (na 0, false, null) alebo na hodnotu, ktorú zadáme

class Node {
  private int data = -1;
  private Node next;  // bude inicializovany na null
}

až potom spúšťa konštruktor
prvý riadok konštruktora môže volať iný konštruktor tej istej triedy pomocou this(...) - často s menším alebo väčším počtom parametrov

class Node {
    private int data;
    private Node next;

    public Node(int data, Node next) { this.data = data; this.next = next;}
    public Node(int data) { this(data, null) }
    ...
}

V prípade, že nedefinujeme pre triedu žiaden konštruktor, bude automaticky vygenerovaný konštruktor bez parametrov
- tento inicializuje premenné na defaultné hodnoty
- defaultný konštruktor je vytvorený iba ak žiaden iný konštruktor neexistuje.

Ďalšie detaily na prednáške o dedení

Nie všetko v Jave je objekt

Opakovanie:

Ako sme videli na minulej prednáške, každá premenná obsahuje buď hodnotu primitívneho typu (int, double, bool, char a pod) alebo referenciu
Referencia môže ukazovať na objekt alebo pole
Pole môže obsahovať primitívne typy alebo referencie na iné objekty/polia

Wrapper

Ku každému primitívnemu typu existuje aj zodpovedajúca trieda (wrapper), napr. Integer, Double, ... (viac pozri [1])
Java medzi primitívnymi typmi a týmito triedami podľa potreby automaticky konvertuje (viac neskôr)

Polia

Polia sú špeciálny typ objektov, viď napr. premennú a.length, ale aj ďalšie metódy (neskôr)

Javadoc

Javadoc je systém na vytváranie dokumentácie
Javadoc komentár začína /** a končí ako klasický komentár */ pričom každý riadok začína *
Javadoc komentáre sa umiestnia pred triedu, premennú alebo metódu, ktorú chceme popísať
Prvý riadok Javadoc komentára resp. po prvú bodku je stručný slovný popis. Ďalej pokračujú rôzne podrobnosti.
Javadoc poskytuje rôzne tag-y [2]

Program Javadoc vie na základe kódu a Javadoc komentárov vygenerovať dokumentáciu (napr. v html formáte)

dá sa spustiť cez Netbeans v časti Run, Generate Javadoc
automaticky vytvára dokumentáciu iba k public položkám (keďže tie tvoria rozhranie, API k iným triedam)
vo vlastnostiach aplikácie časť Documenting sa dá nastavovať

Viď príklad Javadocu v triede nižšie.

Binárny vyhľadávací strom

Príklad binárneho vyhľadávacieho stromu s pomocnou triedou Node a triedou BinarySearchTree.

Trieda Node obsahuje pomocné metódy a rekurzívne funkcie
Trieda BinarySearchTree skrýva tieto implementačné detaily pred používateľom, pričom ponúka možnosť pridať prvok a vypísať všetky prvky v utriedenom poradí

/** Trieda reprezentujúca jeden vrchol binárneho vyhľadávacieho stromu.
 * Každý vrchol v strome obsahuje dáta typu int a referenciu na ľavý a
 * pravý podstrom. Pre každý vrchol platí, že že všetky vrcholy v jeho
 * ľavom podstrome majú hodnotu menšiu ako on a všetky vrcholy v
 * pravom podstrome väčšiu.
 *
 * @author Jana Katreniaková a Broňa Brejová
 */
class Node {
    /** Dáta typu int uložené vo vrchole */
    private int data;
    /** Referencia na ľavé dieťa alebo null ak neexistuje */
    private Node left;
    /** Referencia na pravé dieťa alebo null ak neexistuje */
    private Node right;

    /** Konštruktor, ktorý vytvorí nový list
     * so zadanou hodnotou <code>data</code>.
     * @param data Dáta uložené v novom vrchole.
     */
    public Node(int data) {
        this.data = data;
    }

    /** Metóda vráti dáta uložené vo vrchole.
     * @return  dáta uložené vo vrchole  */
    public int getData() {
        return data;
    }

    /** Metóda, ktorá do stromu vloží nový vrchol <code>newNode</code>.
     *
     * @param newNode Nový vrchol vložený do stromu. Mal by byť listom.
     */
    public void addNode(Node newNode) {
        if (newNode.data <= this.data) {
            if (left == null) {
                left = newNode;
            }
            else {
                left.addNode(newNode);
            }
        }
        else {
            if (right == null) {
                right = newNode;
            }
            else {
                right.addNode(newNode);
            }
        }

    }

    /** Metóda, ktorá vypíše hodnoty uložené vo vrcholoch podstromu
     * v inorder poradí, každý na jeden riadok. */
    public void printInorder() {
        if (this.left != null) left.printInorder();
        System.out.println(data);
        if (this.right != null) right.printInorder();
    }
}

/** Trieda reprezentujúca binárny vyhľadávací strom, ktorý má v každom
 * vrchole dáta typu int. Strom umožňuje pridávať nové dáta a
 * vypísať dáta v utriedenom poradí.
 *
 * @author Jana Katreniaková a Broňa Brejová
 */
public class BinarySearchTree {
    /** Premenná obsahujúca koreň stromu, alebo null, ak je strom prázdny. */
    private Node root;

    /** Konštruktor vytvorí prázdny strom. */
    public BinarySearchTree() {
    }

    /** Metóda do stromu pridá novú hodnotu <code>data</code>.
     * Malo by ísť o hodnotu, ktorá sa ešte v strome nenachádza.
     * @param data Nová hodnota pridaná do stromu.
     */
    public void add(int data) {
        Node p = new Node(data);
        if (root == null) {
            root = p;
        } else {
            root.addNode(p);
        }
    }

    /** Metóda vypíše všetky hodnoty v strome v utriedenom poradí,
     * každú na jeden riadok. */
    public void printSorted() {
        if (root != null) {
	    root.printInorder();
	}
    }

    /** Metóda je ukážkou použitia binárneho vyhľadávacieho stromu.
     * Do stromu vloží tri čísla a potom ich vypíše. */
    public static void main(String args[]) {
        BinarySearchTree t = new BinarySearchTree();
        t.add(2);
        t.add(3);
        t.add(1);
        t.printSorted();
    }
}

Pomocné triedy

Nakoniec dva typy pomocných tried, ktoré môžeme použiť na obídenie obmedzení javovských funkcií (metód).

Odovzdávanie parametrov hodnotou

Všetky parametre sa v Jave odovzdávajú hodnotou - teda vytvorí sa lokálna kópia parametra a jej zmenou nedocielime zmenenie pôvodnej premennej
Ak je ale parametrom referencia, nakopíruje sa adresa a môžeme teda meniť obsah pamäte, kam ukazuje
Ak by sme teda parameter chceli meniť, podobne ako pri odovzdávaní premenných referenciou v C, môžeme si vytvoriť wrapper class, ktorý danú hodnotu obalí a umožní k nej pristúpiť cez referenciu
Knižničné wrapper triedy ako Integer nemôžeme použiť, lebo tie tiež neumožňujú meniť hodnotu už vytvoreného objektu

  class MyInteger {
   private int x;                   // data
   public MyInteger(int x) { this.x = x; } // konštruktor
   public int getValue() { return x; }  // získanie hodnoty
   public void setValue(int x) { this.x = x;} // nastavenie hodnoty
  }
  static void swap(MyInteger rWrap, MyInteger sWrap) {
    // interchange values inside objects
   int t = rWrap.getValue();
   rWrap.setValue(sWrap.getValue());
   sWrap.setValue(t);
  }

Návratová hodnota

Návratová hodnota metódy je buď void, základný typ alebo referencia

ak teda chceme vrátiť niekoľko hodnôt, musíme si spraviť triedu, ktorá ich spája do jedného celku

   static class MyReturn {
      public int x;                   // data
      public char c; 
      public MyReturn(int x, char c) { this.x = x; this.c = c; }
   }

  static MyReturn funkcia(int x, char c){
      MyReturn temp=new MyReturn(x, c);
      return temp;
  }

  public static void main(String[] args) {
      MyReturn temp = funkcia(7,'a');   
      System.out.println(temp.x+" "+temp.c);
  }

V oboch prípadoch je ale lepšie skúsiť navrhnúť metódy tak, aby neboli takéto pomocné triedy potrebné.

Cvičenia 14

Na začiatku cvičenia riešte individuálne rozcvičku zadanú na testovači. Potom riešte ďalšie príklady z tohto cvičenia, ktoré nie sú bodované, takže ich môžete riešiť aj v skupinkách. Cieľom cvičenia je precvičiť si vytváranie a modifikovanie tried.

Polynómy

Navrhnite triedu Polynomial, ktorá bude reprezentovať polynómy jednej premennej s celočíselnými koeficientami. Rozmyslite si, aké potrebuje premenné a implementujte metódy popísané nižšie. Kvôli testovaniu nájdete na spodku tejto stránky kostru programu s metódou main. Odkomentuje vždy volania funkcií, ktoré ste už implementovali.

Implementujte niekoľko konštruktorov:
- konštruktor bez parametrov, ktorý vytvorí nulový polynóm
- konštruktor s dvoma celočíselnými parametrami a a i, ktorý vytvorí polynóm Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle ax^i}
- konštruktor, ktorý dostane pole a vytvorí polynóm, ktorého koeficienty budú prvky tohto poľa
Implementujte metódu public String toString() ktora zapíše koeficienty polynómu do reťazca vo vami vybranom formáte. Túto metódu volajú príkazy System.out.println("volaco: " + polynom) na konverziu polynómu na reťazec a preto sa vám zíde pri testovaní programu.
Implementujte metódu getCoefficient(int i), ktorá vráti koeficient pri člene Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle x^i} . Metóda by mala sptrávne fungovať pre každé nezáporné i, pričom pre hodnoty väčšie ako stupeň polynómu bude vracať hodnotu 0.
Implementujte metódu add(Polynomial p), ktorá vráti nový polynóm, ktorý bude súčtom tohto polynómu a polynómu p.

Ak vám na cvičení zostane čas, môžete navrhnúť a implementovať ďalšie funkcie vhodné na prácu s polynómami, napr. počítanie hodnoty polynómu pre určité x, načítanie polynómu zo vstupu, výpočet stupňa polynómu, ďalšie konštruktory a pod.

Stromy

Na prednáške 26 je implementovaný binárny vyhľadávací strom pomocou tried Node a BinarySearchTree. Pridajte do triedy BinarySearchTree nasledujúce dve metódy, pričom podľa potreby pridajte aj metódy do triedy Node. Snažte sa čo najviac zachovať zapuzdrenie tried.

Metóda boolean contains(int data) zistí, či je v strome vrchol s hodnotou data. Inšpirujte sa metódou add.
Metóda int depth() vráti hĺbku stromu. Ak je strom prázdny, vráti -1.

Kostra programu k cvičeniu s polynómami

package polynomial;
public class Polynomial {
    // TODO: VASE METODY A PREMENNE SEM


    public static void main(String[] args) {

	int[] coeff = {1,2,3,-2};
	
        // TODO: POSTUPNE ODKOMENTUJTE IMPLEMENTOVANE METODY
	// // test konstruktorov
	// Polynomial a  = new Polynomial();   
	// Polynomial b  = new Polynomial(2,3); 
	// Polynomial c  = new Polynomial(coeff);

	// // vypisanie polynomov
	// System.out.println("Polynom a: " + a); 
	// System.out.println("Polynom b: " + b);
	// System.out.println("Polynom c: " + c);

	// // koeficent pri x^3 v c
	// System.out.println("Koeficent pri x^3 v c: " + c.getCoefficient(3));
	// System.out.println("Koeficent pri x^5 v c: " + c.getCoefficient(5));

	// // scitanie polynomov d = b+c;
	// Polynomial d = b.add(c);
	// System.out.println("Polynom b+c: " + d);
	
    }
}

Prednáška 27

Organizačné poznámky

DÚ6 (objekty) odovzdávajte do stredy 14.3. 22:00.
DÚ7 (dedičnosť) bude zverejnená tento týždeň
Najbližšia rozcvička budúcu stredu, bude pokrývať objekty a dedenie (cvičenia z tohto a minulého týždňa)
Problém s diakritikou na testovači opravený, ak narazíte na technické problémy, dajte nám vedieť
Rozcvičku je potrebné riešiť priamo na cvičení (v učebni), vo výnimočných prípadoch si dohodnúť vzdialený prístup vopred.

Opakovanie: triedy a objekty

Trieda (class) sa podobá na struct, ktorý sme videli v minulom semestri, môže teda obsahovať niekoľko premenných rôznych typov.
- Inštancia triedy alebo aj objekt triedy (instance, object) je konkrétna hodnota daného typu, t.j. kus pamäti s uloženými premennými triedy
Navyše triedy zvyknú obsahovať aj metódy, ktoré s premennými v objekte niečo robia.
Konštruktory sú špeciálne metódy na inicializáciu premenných v triede.
Premenným a metódam triedy môžeme modifikátormi nastaviť, či ich má byť vidno mimo triedy.
Zvyklosti v jazyku Java: mená tried väčšinou začínajú veľkým písmenom (napr. String), mená metód a premenných malým (napr. print), viacslovné názvy majú veľké písmená na začiatkoch slov, napr toString
Zapuzdrenie (encapsulation): spojenie dát a súvisiaceho kódu.
- Trieda väčšinou navonok ukazuje iba vhodne zvolenú časť metód.
- Premenné a pomocné metódy sú skryté.
- Preto ich je možné meniť bez zmeny kódu využívajúceho triedu.

public class Stack {
    public static final int MAXN = 100;
    private int data[];
    private int pocet;

    public Stack() {
        data = new int[MAXN];
        pocet = 0;
    }

    public int pop() {
        pocet--;
        return data[pocet];
    }
    public void push(int x) {
	data[pocet] = x;
        pocet++;
    }
    public boolean isEmpty() {
        return pocet==0;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Stack s = new Stack();
        Stack t = s;
        s.push(7);
        t.push(5);
        System.out.println(s.pop());
        System.out.println(s.pop());
        System.out.println(s.pop()); // co spravi tento prikaz?
    }
}

Dnes pokračujeme ďalšími pojmami: dedenie (inheritance) a rozhranie (interface). K obom týmto oblastiam má Java pekné tutoriály:

Dedenie

Trieda môže byť podtriedou inej triedy, napr. trieda Pes môže byť podtriedou všeobecnejšej triedy Zviera
Toto vyjadrujeme kľúčovým slovom extends v definícii triedy class Pes extends Zviera { ... }
Ak máme niekoľko podobných tried s podobnými metódami, vytvoríme nadtriedu a spoločné časti kódu tam presunieme
- vyhneme sa teda kopírovaniu podobného kódu

Príklad

Uvažujme triedy reprezentujúce rôzne geometrické útvary, ktoré môžeme posúvať v rovine. Takto by mohli vyzerať časti tried bez dedenia:

class Rectangle {
    int x, y;            // suradnice laveho horneho rohu
    int width, height;   // vyska a sirka
    void move(int deltaX, int deltaY) {
	x+=deltaX; y+=deltaY;
    }
    // plus dalsie metody pre obdlznik
}

class Circle {
    int x, y;           // suradnice stredu
    int radius;         // polomer
    void move(int deltaX, int deltaY) {
	x+=deltaX; y+=deltaY;
    }
    // plus dalsie metody pre kruh
}

To isté s dedením: spoločné premenné a metódy presunieme do spoločnej triedy Shape a vynecháme z Circle a Rectangle, tie ich dedia:

class Shape {
    int x, y; // suradnice vyznacneho bodu utvaru (roh, stred a pod.)
    void move(int deltaX, int deltaY) {
	x+=deltaX; y+=deltaY;
    }
}

class Rectangle extends Shape {
    int width, height;
    // plus dalsie metody pre obdlznik
}

class Circle extends Shape {
    int radius;
    // plus dalsie metody pre kruh
}

Trieda môže používať premenné a metódy nadtriedy, ako keby boli jej vlastné s výnimkou tých, ktoré sú private (o tom neskôr).

Napr. v metódach triedy Circle môžeme používať premenné x, y, metódu move.

class Circle extends Shape {
    int radius;
    void print() {
	System.out.println("stred (" + x + "," + y + "), polomer " + radius);
    }
}

Ak máme premennú Circle c, môžeme zavolať metódy c.move(1,1) alebo c.print() alebo použiť premenné c.x, c.y, c.radius

(v praxi väčšinou chceme premenné v triede skryť)

Dedenie a typy

Ak máme premennú typu Shape, môže obsahovať referenciu na objekt triedy Shape alebo jej ľubovoľnej podtriedy.

Circle c = new Circle(...);
Shape s = c;    // toto je dobre
// c = s;       //! toto neskompiluje - s nemusi byt kruh
c = (Circle)s;  // pretypujeme, skompiluje ale moze padnut, ak s nie je Circle alebo null
if(s instanceof Circle) {  // pre istotu kontrola, ci je s Circle alebo podtrieda
  c = (Circle)s;
}

Toto je výhodné, lebo môžeme rôzne typy útvarov spracovávať tým istým kódom. Napr. nasledujúca funkcia dostane pole útvarov (môžu v ňom byť útvary rôznych typov) a posunie každý z nich o daný vektor (deltaX, deltaY)

static void moveAll(Shape[] shapes, int deltaX, int deltaY) {
  for(Shape x : shapes) {
     x.move(deltaX, deltaY);
  }
}

Čo vypíšu tieto riadky?

Shape[] shapes = new Shape[2];
shapes[0] = new Rectangle(0,0,1,2);
shapes[1] = new Circle(0,0,1);

for(Shape x : shapes) {
    if (x instanceof Circle) {
	Circle c = (Circle)x;
	System.out.println("Je to kruh s polomerom " + c.radius);	
    }
    if (x instanceof Shape) {
	System.out.println("Je to utvar");
    }
    System.out.println();
}

Konštruktory a dedenie

Úlohou konštruktora je správne nainicializovať objekt
Pri dedení si väčšinou každá trieda inicializuje "svoje" premenné
- Napr. Shape inicializuje x a y, Circle nechá inicializáciu x a y na Shape a inicializuje radius
Prvý príkaz v konštruktore môže byť volanie konštruktoru predka, ktorý voláme kľúčovým slovom super (zo superclass, nadtrieda)

class Shape {
    int x, y; // suradnice vyznacneho bodu utvaru (roh, stred a pod.)
    Shape(int x, int y) {
	this.x = x; this.y = y;
    }
    // zvysok triedy Shape
}
class Circle extends Shape {
    int radius;
    Circle(int x, int y, int radius) {
	super(x,y);
	this.radius = radius;
    }
    // zvysok triedy Circle
}

Ak nezavoláme konštruktor predka ručne, automaticky sa zavolá konštruktor bez parametrov, t.j. super()
Výnimka je, ak na prvom riadku voláme iný konštruktor tej istej triedy pomocou this(), vtedy sa volanie super nechá na zavolaný konštruktor

Polymorfizmus, prekrytie metód

Podtrieda môže prekryť (override) niektoré zdedené metódy, aby sa chovali inak ako v predkovi

Napr. môžeme mať útvar Segment (úsečka), ktorý je zadaný dvoma koncovými bodmi a v metóde move treba posunúť oba.
Metódu z predka môžeme zavolať pomocou super.move, ale nemusí to byť na prvom riadku a nemusí byť použitá vôbec

class Segment extends Shape {
    int x2, y2;
    Segment(int x, int y, int x2, int y2) {
	super(x,y);
	this.x2 = x2; this.y2 = y2;
    }
    @Override
    void move(int deltaX, int deltaY) {
	super.move(deltaX, deltaY);  // volanie metody v predkovi
	x2 += deltaX; y2 += deltaY;
    }
}

Značka (annotation) @Override je nepovinná, ale odporúčaná. Tým kompilátoru naznačíte, že sa snažíte prekryť zdedenú metódu a ak taká v predkovi nie je, vyhlási chybu.

Polymorfizmus v programovaní (hlavne pri OOP) je schopnosť funkcií chovať sa rôzne

S určitou formou polymorfizmu sme sa už stretli, keď sme mali viacero metód s rovnakým menom ale s rôznymi typmi parametrov, ktoré sa mohli rôzne správať (tzv. overloading)
Pri dedení navyše sa môže funkcia chovať rôzne v rôznych triedach aj keď sa volá rovnako a má rovnaké typy parametrov
To, ktorá verzia sa zavolá, záleží od toho, akého typu je objekt, nie akého typu je definovaná referencia

  Shape s = new Segment(0,0,1,-5);
  s.move(1,1);  // zavola pretazenu metodu z triedy Segment
  s = new Circle(0,0,1);
  s.move(1,1);  // zavola metodu z triedy Shape, lebo Circle ju nepretazil

  Shape[] shapes = new Shape[3];
  // vypln pole shapes
  //...
  for(Shape x : shapes) {
      x.move(deltaX, deltaY);  // kazdy prvok sa posuva svojou metodou move, ak ju ma
  }

Keď zavoláme metódu f() pre objekt o typu T (t.j. zavolám o.f() )

Ak trieda T má f(), vykoná sa
Ak T nemá f(), hľadáme f() v nadtriede a prípadne v jej nadtriede atď

Polymorfizus môže byť schovaný aj hlbšie:

Neprekrytá metóda z predka môže vo svojom tele volať prekryté metódy a tým sa jej správanie mení v závislosti od typu objektu

class SuperClass {
    void doX() { System.out.println("doX in Super"); }
    void doXTwice() { doX(); doX(); }    
}
class SubClass extends SuperClass {
    void doX() { System.out.println("doX in Sub"); }
}

// v metode main:
SuperClass a = new SubClass();
a.doXTwice();  // vypise 2x doX in Sub

Zmysluplnejší príklad viď metóda printArea v príklade nižšie.

Abstraktné metódy a triedy

Aby sa metóda chovala v určitej skupine tried polymorfne, musí byť definovaná v ich spoločnej nadtriede
Pre túto nadtriedu však nemusí existovať zmysluplná implementácia
Napr. môžeme mať metódu area(), ktorá zráta plochu geometrického útvaru
- vieme zrátať plochu kruhu alebo obdĺžnika, ale čo je plocha všeobecného útvaru?
Vtedy môžeme označiť metódu v nadtriede ako abstraktnú (neimplementovanú)
- potom ale celú nadtriedu treba označiť ako abstraktnú, čo znamená, že nemôžeme tvoriť inštancie tejto triedy (také objekty by totiž nevedeli, čo robiť pri volaní area)
- podtriedy, ak nie sú absktraktné, musia abstraktné metódy z predka implementovať

Tu je príklad:

abstract class Shape {   
    abstract double area();  // nepiseme telo metody

    void printArea() {       // neabstraktne metody mozu volat abstraktne
	System.out.println("Plocha je " + area());
    }

    // plus zvysok triedy
}
class Rectangle extends Shape {
    double area() {
 	return width*height;
    }
    // plus zvysok triedy
}
class Circle extends Shape {
    double area() {
	return Math.PI*radius*radius;
    }
    // plus zvysok triedy
}

// v main:
// Shape s = new Shape(10,20);  //! neskompiluje
Shape[] shapes = new Shape[2];
shapes[0] = new Rectangle(0,0,1,2);
shapes[1] = new Circle(0,0,1);
for(Shape x : shapes) {
    x.printArea();
}

Program vypíše

Plocha je 2.0
Plocha je 3.141592653589793

Hierarchia tried a trieda Object

V Jave sa dedí iba od jednej triedy (na rozdiel od napr. C++)
Dedenie je však možné viacúrovňovo

class Pes extends Zviera {
}
class Civava extends Pes {
}

Všetky triedy sú automaticky potomkami triedy Object
Trieda Object obsahuje metódy (napr. toString()), ktoré môžeme prekryť.

class Blabol /* extends Object */ { 
    @Override public String toString() { return "blabla"; }
}
// v metode main:
Blabol b = new Blabol();
System.out.println(b.toString());  
System.out.println(b);  // spravi toString automaticky
// PrintStream ma metody napr. println(Object x) aj println(String x)

Aritmetický strom s využitím dedenia

V minulom semestri sme mali problém s vrcholmi aritmetického stromu, že niektoré premenné sa používali len v niektorých vrcholoch stromu (napr. hodnota len v listoch, operátor len vo vnútorných vrcholoch). Tomuto sa vieme vyhnúť pomocou dedenia.

Jednotlivé typy vrcholov budú podtriedy triedy Node
Namiesto použitia príkazu switch na typ vrchola tu prekryjeme potrebné funkcie, napr. evaluate

abstract class Node {
    public abstract int evaluate();
}

abstract class NularyNode extends Node {
}

abstract class UnaryNode extends Node {
    Node child;
    UnaryNode(Node child){ this.child=child; }
}

abstract class BinaryNode extends Node {
    Node left;
    Node right;
    BinaryNode(Node left, Node right) { 
	this.left=left; this.right=right; 
    }
}

class Constant extends NularyNode {
    int value;
    Constant(int value) { this.value=value;}
    @Override public int evaluate() { return value;}
    @Override public String toString() { 
	return new Integer(value).toString();
    }
}

class UnaryMinus extends UnaryNode {
    UnaryMinus(Node child){ super(child); }
    @Override public int evaluate() { 
	return -child.evaluate();
    }
    @Override public String toString() { 
	return "(-"+child.toString()+")";
    }
}

class Plus extends BinaryNode { 
    Plus(Node left, Node right) { super(left,right); }
    @Override public int evaluate() { 
	return left.evaluate() + right.evaluate();
    }
    @Override public String toString() { 
	return "("+left.toString()+"+"+right.toString()+")";
    }
}

public class Expression {

    public static void main(String[] args) {
	Node expr=new Plus(new UnaryMinus(new Constant(2)),
			   new Constant(3));
	System.out.println(expr.toString());
	System.out.println(expr.evaluate());
    }
}

Rozhranie (interface)

Interface sa podobá na abstraktnú triedu, ale

neobsahuje premenné ani konštruktory, väčšinou ani implementácie metód
ide teda predošetkým o zoznam abstraktných metód, ktoré treba implementovať
- slovo abstract netreba uvádzať, je tam implicitne
trieda môže implementovať viacero rozhraní - pripomína "viacnásobnú dedičnosť"

Jeden interface môže rozširovať iný - dopĺňať ho o ďalšie požadované funkcie

používame rovnako kľúčove slovo extends

interface Stack {
    void push(int item);
    int pop();
}
interface Printable {
    void print();
}
class LinkedStack implements Stack, Printable {
    static class Node {
        public int data;
        public Node next;
        public Node(int item, Node next_) {data=item; next=next_;}
    }

    private Node front;
    
    @Override public void push(int item) {
        Node p=new Node(item, front);
        front=p;
    }
    @Override public int pop() {
        if (front==null) return -1;
        int res=front.data;
        front=front.next;
        return res;
    }
    @Override public void print() {
        Node p=this.front;
        while (p!=null) {
            System.out.print(p.data+" ");
            p=p.next;
        }
        System.out.println();
    }    
}

class ArrayStack implements Stack, Printable {
    private int[] a;
    private int n;
    
    ArrayStack(){
	a=new int[100]; 
	n=0;
    }
    @Override public void push(int item){
        a[n]=item;
        n++;
    }
    
    @Override public int pop(){
        if (n<1) return -1;
	n--;
        return a[n];
    }
    @Override public void print(){
        for (int i=0; i<n; i++) System.out.print(a[i]+" ");
        System.out.println();
    }
}

class Blabol implements Printable {
    @Override public void print() { System.out.println("Blabla"); }
}

public class InterfaceExample {
    static void fillStack(Stack stack)
    {
        stack.push(10);
        stack.push(20);
    }
    static void printTwice(Printable what)
    {
        what.print();
        what.print();
    }
    public static void main(String[] args) {
        LinkedStack s1=new LinkedStack();
        Stack s2=new ArrayStack();
        Blabol b=new Blabol();
        fillStack(s1);
        fillStack(s2);
        printTwice(s1);
        //printTwice(s2); - s2 je Stack a nevie, že sa vie vypísať
        printTwice((ArrayStack)s2);
        printTwice(b);
    }
}

Prehľad niektorých modifikátorov tried, premenných a metód

Modifikátory prístupu:

public: triedy, rozhrania a ich súčasti prístupné odvšadiaľ
prázdny: viditeľnosť len v rámci balíčka (package)
protected: viditeľnosť v triede, jej podtriedach a v rámci balíčka
private: viditeľnosť len v danej triede

Iné modifikátory

abstract: neimplementovaná metóda alebo trieda s neimplementovanými metódami
final:
- ak je trieda final, nedá sa z nej ďalej dediť
- ak je metóda final, nedá sa v podtriede prekryť
- ak je premenná alebo parameter final, ide o konštantu, ktorú nemožno meniť
static:
- statické premenné a metódy sa týkajú celej triedy, nie konkrétnej inštancie
- statické triedy vo vnútri inej triedy nie sú viazané na jej konkrétnu inštanciu

Cvičenia 15

Aritmetický strom

Do aritmetického stromu z prednášky 27 spravte nasledujúce zmeny:

Doprogramujte triedu Times pre násobenie a pridajte násobenie do testovacieho výrazu v metóde main.
Pri vypisovaní (metóda toString) sa triedy Plus a Times správajú podobne, zmena je iba v znamienku. Naprogramujte teda toString už v triede BinaryNode, s tým, že bude volať pomocnú abstraktnú metódu operatorToString, ktorá vráti reťazcovú reprezentáciu príslušného znamienka ("+" alebo "*")

Progression

Nižšie je uvedený kód abstraktnej triedy Progression, ktorá predstavuje celočíselnú postupnosť a dokáže jeden za druhým generovať jej členov, pričom si v premennej index pamätá index posledne vygenerovaného členu. Jediná public metóda tejto triedy je print, ktorá vypíše zadaných počet prvkov na obrazovku.
- Všimnite si, že premenná index je pre podtriedy tejto triedy "read-only", lebo jej hodnotu môžu zistiť pomocou metódy getIndex, ale nemôžu ju meniť.

Napíšte triedu ArithmeticProgression, ktorá bude podtriedou Progression a bude reprezentovať aritmetickú postupnosť, ktorá je v konštruktore zadaná nultým prvkom a rozdielom medzi dvoma nasledujúcimi prvkami.
- Ak do main dáme Progression ap = new ArithmeticProgression(1, 3); ap.print(10);, program by mal vypísať 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28
- Stačí implementovať konštruktor a currentValue()

Napíšte triedu FibonacciProgression, ktorá bude reprezentovať Fibonacciho postupnosť, ktorá má pre účely tohto cvičenia nultý prvok 1, prvý prvok 1 a každý ďalší prvok je súčtom predchádzajúcich dvoch. Prvý prvok sa dá tiež reprezentovať ako súčet nultého a fiktívneho mínus prvého s hodnotou nula.
- Ak do main dáme Progression fp = new FibonacciProgression(); fp.print(10);, program by mal vypísať 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55.
- Implementujte konštruktor, currentValue, firstvalue, nextValue

Nižšie nájdete aj implementáciu triedy ProgressionSum, ktorá reprezentuje postupnosť, ktorá vznikla ako súčet dvoch postupností, ktoré dostane v konštruktore.
- Ak do main dáme Progression ps = new ProgressionSum(fp, fp); ps.print(10);, chceli by sme dostať dvojnásobok Fibonacciho postupnosti, teda 2 2 4 6 10 16 26 42 68 110. Nie je to však tak. Prečo? Ako prebieha volanie nextValue() pre premennú triedy ProgressionSum? Aké všetky metódy sa volajú a v akom poradí?
- Zmeňte riadok s vytvorením postupnosti ps tak, aby program mal požadované správanie.

Trieda Progression

package prog;

/** Trieda reprezentujuca celociselnu postupnost. */
public abstract class Progression {

    /** Aktualny index prvku postupnosti.  */
    private int index;

    /** Konstruktor */
    protected Progression() {
        index = 0;
    }

    /** Vrati aktualny index prvku postupnosti */
    protected int getIndex() {
        return index;
    }

    /** Vrati hodnotu postupnosti pre aktualny index */
    protected abstract int currentValue();

    /** Restartuje index na 0 a vrati nulty prvok. */
    protected int firstValue() {
        index = 0;
        return currentValue();
    }

    /** Zvysi index o 1 a vrati aktualny prvok. */
    protected int nextValue() {
        index++;
        return currentValue();
    }

    /** Vypise prvych n prvkov postupnosti. */
    public void print(int n) {
        System.out.print(firstValue());
        for (int i = 1; i < n; i++) {
            System.out.print(" " + nextValue());
        }
        System.out.println(); 
    }

    public static void main(String[] args) {
    }
}

Trieda ProgressionSum

class ProgressionSum extends Progression {

    Progression p1, p2;

    ProgressionSum(Progression p1, Progression p2) {
        this.p1 = p1;
        this.p2 = p2;
    }

    @Override
    protected int currentValue() {
        return p1.currentValue() + p2.currentValue();
    }

    @Override
    protected int nextValue() {
        p1.nextValue();
        p2.nextValue();
        return super.nextValue();
    }

    @Override
    protected int firstValue() {
        p1.firstValue();
        p2.firstValue();
        return super.firstValue();
    }
}

Prednáška 28

Organizačné poznámky

DÚ6 do stredy 14.3.
DÚ7 termín 28.3. (OOP, dedenie). Začnite na nej pracovať skôr, nenechávajte si ju na poslednú chvíľu.
Pozor, na cvičení 14.3. sa bude písať rozcvička - téma: OOP.

Výnimky

Počas behu programu môže dôjsť k rôznym chybám a neobvyklým situáciám, napr.
- neexistujúci súbor, zlý formát súboru
- málo pamäte pri alokovaní polí, objektov
- adresovanie mimo hraníc poľa, delenie nulou, ...
Doteraz sme v našich cvičných programoch ignorovali chyby
Programy určené pre užívateľov a kritické programy, ktorých zlyhanie by mohlo spôsobiť škody, by sa s takýmito situáciami mali vedieť rozumne vyrovnať
Ošetrovanie chýb bez požitia výnimiek
- Do návratového kódu funkcie musíme okrem samotnej hodnoty zakomponovať aj ohlasovanie chýb
- Po každom príkaze, ktorý mohol spôsobiť chybu, musíme existenciu chyby otestovať a vyrovnať sa s tým
- Vedie to k neprehľadným programom

Malý príklad s načítaním poľa

Príklad: pseudokód funkcie, ktorá načíta zo súboru číslo n, naalokuje pole a načíta do poľa n čísel:

funkcia readArray {
  otvor subor vstup.txt
  if (nepodarilo sa otvorit) {
    return chybovy kod
  } 
  nacitaj cislo n
  if (nepodarilo sa nacitat n) {
    zatvor subor
    return chybovy kod
  }
  alokuj pole a velkosti n
  if (nepodarilo sa alokovat pole) {
    zatvor subor
    return chybovy kod
  }
  for (int i=0; i<n; i++) {
     nacitaj cislo a uloz do a[i]
     if (nepodarilo sa nacitat) {
         zatvor subor
         odalokuj pole 
         return chybovy kod 
     }
  }
  zatvor subor
  return naalokovane pole, beh bez chyby

Premiešané príkazy, ktoré niečo robia a ktoré ošetrujú chyby
Ľahko môžeme zabudnúť odalokovať pamäť alebo zavrieť súbor
Volajúca funkcia musí analyzovať chybový kód, môže potrebovať rozlišovať napr. problémy so súborom a s pamäťou
Chyba môže nastať aj pri zatváraní súboru

Jednoduché použite výnimiek v Jave

Prepíšme náš predchádzajúci príklad s výnimkami

    static int[] readArray(String filename) {
        Scanner s = null;
        int[] a = null;
        try {
            s = new Scanner(new File(filename));
            int n = s.nextInt();
            a = new int[n];
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                a[i] = s.nextInt();
            }
            s.close();
            return a;
        } catch (Exception e) {
            if (s != null) {
                s.close();
            }
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

Využívame konštrukty try a catch.
Do try bloku dáme príkazy, z ktorých niektorý môže zlyhať.
Ak niektorý zlyhá a vyhodí výnimku, okamžite sa ukončí vykonávanie bloku try a pokračuje sa blokom catch. V bloku catch túto výnimku spracujeme, v našom prípade len debugovacím výpisom.
Ak sa podarilo čísla načítať do poľa, metóda vráti pole, inak vráti null

Ako všelijako môže zlyhať

Rôzne príklady, ako môže táto metóda zlyhať:

Príkazu na inicializáciu Scannera pošleme meno neexistujúceho súboru:

java.io.FileNotFoundException: vstup.txt (No such file or directory)
        at java.io.FileInputStream.open(Native Method)
        at java.io.FileInputStream.<init>(FileInputStream.java:137)
        at java.util.Scanner.<init>(Scanner.java:653)
        at prog.Prog.readArray(Prog.java:17)
        at prog.Prog.main(Prog.java:10)

V súbore sú nečíselné údaje:

java.util.InputMismatchException
        at java.util.Scanner.throwFor(Scanner.java:857)
        at java.util.Scanner.next(Scanner.java:1478)
        at java.util.Scanner.nextInt(Scanner.java:2108)
        at java.util.Scanner.nextInt(Scanner.java:2067)
        at prog.Prog.readArray(Prog.java:18)
        at prog.Prog.main(Prog.java:10)

Ak nie je dosť pamäte na pole a (toto ani nie je Exception, ale Error, takže náš catch to nezachytil, pozri ďalej)

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
        at prog.Prog.readArray(Prog.java:19)
        at prog.Prog.main(Prog.java:10)

Ak je číslo n v súbore záporné

java.lang.NegativeArraySizeException
        at prog.Prog.readArray(Prog.java:19)
        at prog.Prog.main(Prog.java:10)

Súbor končí skôr ako sa načíta n čísel

java.util.NoSuchElementException
        at java.util.Scanner.throwFor(Scanner.java:855)
        at java.util.Scanner.next(Scanner.java:1478)
        at java.util.Scanner.nextInt(Scanner.java:2108)
        at java.util.Scanner.nextInt(Scanner.java:2067)
        at prog.Prog.readArray(Prog.java:21)
        at prog.Prog.main(Prog.java:10)

Dali by sa vyrobiť aj ďalšie prípady (napr. filename==null)
V dokumentácii sa o každej metóde dočítame, aké výnimky produkuje za akých okolností

Rozpoznávanie typov výnimiek

Možno by náš program mal rôzne reagovať na rôzne typy chýb, napr.:
- Chýbajúci súbor: vypýtať si od užívateľa nové meno súboru
- Zlý formát súboru: ukázať užívateľovi, kde nastala chyba, požiadať ho, aby ju opravil alebo zadal nové meno súboru
- Nedostatok pamäte: program vypíše, že operáciu nie je možné uskutočniť vzhľadom na málo pamäte
Toto vieme spraviť, lebo výnimky patria do rôznych tried dedených z triedy Exception (prípadne z vyššej triedy Throwable)
K jednému príkazu try môžeme mať viacero príkazov catch pre rôzne triedy výnimiek, každý chytá tú triedu a jej podtriedy
- Pri danej výnimke sa použije najvrchnejší catch, ktorý sa na ňu hodí
Po blokoch try a catch môže nasledovať blok finally, ktorý sa vykoná vždy, bez ohľadu na to, či nastala výnimka a či sa nám ju podarilo odchytiť nejakým príkazom catch
- V tomto bloku môžeme napr. pozatvárať otvorené súbory a pod.

Jednoduchý príklad, ktorý vypíše rôzne hlášky pre rôzne typy chýb:

    static int[] readArray(String filename) {
        Scanner s = null;
        int[] a = null;
        try {
            s = new Scanner(new File(filename));
            int n = s.nextInt();
            a = new int[n];
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                a[i] = s.nextInt();
            }
            return a;
        } catch (FileNotFoundException e) {
            System.err.println("Subor nebol najdeny");
            return null;
        } catch(java.util.NoSuchElementException e) {
            System.err.println("Zly format suboru");
            return null;
        } catch(OutOfMemoryError e) {
            System.err.println("Nedostatok pamate");
            return null;
        } catch(Throwable e) {
            System.err.println("Neocakavana chyba pocas behu programu");
            return null;
        } finally {
            if (s != null) {
                s.close();
            }
        }
    }

catch pre java.util.NoSuchElementException chytí aj InputMismatchException, ktorá je jej podtriedou, takže zahŕňa prípady keď súbor nečakane končí, aj keď v ňom nie sú číslené dáta
- do tejto kategórie by sme chceli zaradiť aj prípad, kedy je n záporné, ale ten skončí na všeobecnej Throwable
- to vyriešime tým, že hodíme vlastnú výnimku (viď nižšie)

Prehľad tried z tohto príkladu, plus niektorých ďalších, ktoré sa často vyskytujú:

Object
 |
 |-- Throwable
      |
      |-- Error  vážne systémové problémy
      |    |
      |    |-- VirtualMachineError
      |         |
      |         |-- OutOfMemoryError
      |
      |-- Exception
           |
           |-- IOException
	   |    |
	   |    |-- FileNotFoundException
           |
           |-- RuntimeException
                |
                |-- IndexOutOfBoundsException
                |
		|-- NegativeArraySizeException
                |
                |-- NoSuchElementException
                |    |
                |    |-- InputMismatchException
                | 
                |-- NullPointerException

Hádzanie výnimiek, vlastné triedy výnimiek

Výnimku vyhodíme príkazom throw, pričom musíme vytvoriť objekt nejakej vhodnej triedy, ktorá podtriedou Throwable
V našom príklade pre záporné n môžeme vyhodiť objekt triedy java.util.NoSuchElementException, ktorý sa spracuje rovnako ako iné chyby s formátom súboru

            int n = s.nextInt();
            if(n<0) {
                throw new java.util.NoSuchElementException();
            }

Nie je to však elegantné riešenie, lebo táto trieda reprezentuje iný typ udalosti
Môžeme si vytvoriť aj vlastnú triedu, ktorá v premenných môže mať uložené podrobnejšie informácie o chybe, ktorá nastala.
- Väčšinou to bude podtrieda triedy Exception

    static class WrongFormatException extends Exception {

        private String filename;

        public WrongFormatException(String filename) {
            this.filename = filename;
        }

        @Override
        public String getMessage() {
            return "Zly format suboru " + filename;
        }
    }

Propagácia a zreťazenie výnimiek

Ak vznikne výnimka v príkaze, ktorý nie je vo vnútri try-catch bloku, alebo ak jej typ nie je zachytený žiadnym catch príkazom, hľadá sa ďalší try-catch blok, napr. vo volajúcej metóde
Ak výnimku nikto nechytí, program skončí s chybovým výpisom zásobníka

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
        at prog.Prog.readArray(Prog.java:19)
        at prog.Prog.main(Prog.java:10)

Pri spracovaní výnimky v bloku catch je možné hodiť novú výnimku (trebárs vhodnejšieho typu)
Metóda musí deklarovať všetky výnimky, ktoré hádže, alebo ktoré v nej môžu vzniknúť a ich nechytá
- Neplatí pre výnimky triedy RuntimeException a jej podtried a pre Throwable, ktoré nie sú výnimka (ale napr. Error)

Nasledujúci program si pýta meno súboru, až kým nenájde súbor, ktorý vie načítať

V metóde readArray spracuje chyby týkajúce sa formátu súboru a hodí novú výnimku typu WrongFormatException.
V metóde main spracuje WrongFormatException a FileNotFoundException tak, že sa znovu pýta meno súboru.
Iné nečakané udalosti, napr. málo pamäte, koniec vstupu od užívateľa a pod. spôsobia ukončenie programu s chybovou hláškou.

    public static void main(String[] args) {

        boolean fileRead = false;
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        int[] a = null;
        while (!fileRead) {
            try {
                System.out.println("Zadaj meno suboru: ");
                String filename = s.next();
                a = readArray(filename);
                fileRead = true;
                System.out.println("Dlzka pola je " + a.length);
            } catch (WrongFormatException e) {
                System.out.println(e.getMessage());
            } catch (FileNotFoundException e) {
                System.out.println("Subor nebol najdeny.");
            } catch(Throwable e) {
                System.out.println("Neocakavana chyba.");
                System.exit(1);
            }
        }
    }

    static int[] readArray(String filename)
            throws WrongFormatException, FileNotFoundException {
        Scanner s = null;
        int[] a = null;
        try {
            s = new Scanner(new File(filename));
            int n = s.nextInt();
            if (n < 0) {
                throw new WrongFormatException(filename);
            }
            a = new int[n];
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                a[i] = s.nextInt();
            }
            return a;
        } catch (java.util.NoSuchElementException e) {
            throw new WrongFormatException(filename);
        } finally {
            if (s != null) {
                s.close();
            }
        }
    }

Zhrnutie

Keď vznikne neočakávaná udalosť, môžeme ju signalizovať vyhodením výnimky pomocou príkazu throw.
Výnimka je objekt triedy, ktorá je podtriedou Throwable
Pri ošetrovaní sa nájde a vykoná najbližší vyhovujúci try ... catch blok obkolesujúci príkaz throw, v tej istej alebo niektorej volajúcej metóde, ďalej sa pokračuje za týmto blokom
Blok finally sa vykoná vždy, keď je aj keď nie je výnimka a aj ak sa výnimku nepodarilo chytiť. Slúži na zatváranie súborov a iné upratovacie práce.
Niektoré typy neodchytených výnimiek treba deklarovať v hlavičke funkcie.

Ďalšie informácie

Dokumentácia k triedam Throwable, Exception
Kapitola z tutoriálu

Generické programovanie

V minulom semestri sme videli rôzne abstraktné dátové typy a dátové štruktúry, napr. zásobník, rad, slovník, spájaný zoznam,...
V každej sme museli zadefinovať, akého typu dáta bude obsahovať
Ak teda potrebujeme zásobník intov aj zásobník reťazcov, museli sme všetky funkcie písať dvakrát, čo prináša problémy

Zásobník dát typu Object

Dedenie nám prináša jedno riešenie tohto problému - zadefinovať typ dát ako Object a nakoľko všetky triedy sú podtriedami tejto triedy, môžeme ich v zásobníku skladovať

   class Node {
        private Object data;
        private Node next;
        public Node(Object data, Node next) {
            this.data = data;
            this.next = next;
        }
        public Object getData() {
            return data;
        }
        public Node getNext() {
            return next;
        }
    }

    class Stack {
        private Node front;
        public void push(Object data) {
            Node p = new Node(data, front);
            front = p;
        }
        public Object pop() {
            Object res = front.getData();
            front = front.getNext();
            return res;
        }
    }

Teraz môžeme do zásobníka dávať rôzne veci:

        Stack s = new Stack();
        s.push(null);
        s.push("Hello world!");  // String je potomok Object
        s.push(new int[4]);  // pole sa tiez vie tvarit ako objekt
        int x = 4;
        s.push(x);           // kompilator vytvori objekt typu Integer

Ale pozor, keď vyberáme zo zásobníka, majú typ Object, musíme ich teda pretypovať:

       int y = (Integer)s.pop();  // ok 
       int z = (Integer)s.pop();  // java.lang.ClassCastException

Pre pretypovaní teda môže dôjsť k chybe počas behu programu, radšej sme, keď chybu objaví kompilátor.

Zásobník ako generická trieda

Zadefinujeme parametrický typ class Stack <T>, kde T je parameter reprezentujúci typ objektov, ktoré do zásobníka budeme dávať.
V definícii triedy namiesto konkrétneho typu (napr. Object), použijeme parameter T
Keď vytvárame nový zásobník, špecifikujeme typ T: Stack<Integer> s = new Stack<Integer>();
- Potom do neho môžeme vkladať objekty triedy Integer a jej podtried

    class Node <T> {
        private T data;
        private Node <T> next;
        public Node(T data_, Node<T> next_) {
            data = data_;
            next = next_;
        }
        public T getData() {
            return data;
        }
        public Node <T> getNext() {
            return next;
        }
    }

    class Stack <T> {
        private Node<T> front;
        public void push(T data) {
            Node<T> p = new Node<T>(data, front);
            front = p;
        }

        public T pop() {
            T res = front.getData();
            front = front.getNext();
            return res;
        }
    }

Použitie zásobníka:

        Stack<Integer> s = new Stack<Integer>();
        s.push(new Integer(4));
        s.push(5);        
        Integer y = s.pop();
        int z = s.pop();

V tom istom programe môžeme vytvoriť zásobníky veľa rôznych typov.

Skratka:

namiesto Stack<Integer> s = new Stack<Integer>(); stačí písať Stack<Integer> s = new Stack<>();
- kompilátor z kontextu určí, že v <> má byť Integer

Generické metódy

Aj jednotlivé metódy môžu mať typový parameter, ktorý sa píše pred návratový typ.

Statická metóda, ktorá dostane zásobník s prvkami typu T a vyprázdni ho.

    static <T> void emptyStack(Stack<T> s) {
        while(!s.isEmpty()) {
            s.pop();
        }
    }

        Stack<String> s = new Stack<String>();
        s.push("abc");
        Prog.<String>emptyStack(s);  // alebo len emptyStack(s);

Statická metóda, ktorá dostane pole s prvkami typu E a naplní ho referenciami na prvok e.

    static <E> void fillArray(E[] a, E e) {
        for(int i=0; i<a.length; i++) {
            a[i] = e;
        }
    }

        Integer[] a = new Integer[3];
        fillArray(a, 4);

        int[] b = new int[3];
        //fillArray(b, 4);  // E musí byť objekt, nie primitívny typ

Generické triedenie, rozhranie Comparable

Ukazovali sme si aj algoritmy na triedenie, aj tie pracovali s poľom konkrétneho typu.

Triediacu funkciu môžeme spraviť generickú, potrebujeme však prvky porovnávať
Operátory <, <= atď pracujú len s primitívnymi typmi
Použijeme teda špeciálnu metódu compareTo špecifikovanú v rozhraní Comparable
- x.compareTo(y) vráti zápornú hodnotu, ak x<y, nulu ak x=y a kladnú hodnotu ak x>y
- potrebujeme, aby prvky poľa boli z triedy, ktorá implementuje toto rozhranie, čo zapíšeme ako <E extends Comparable>

Jednoduché generické triedenie vkladaním:

    static <E extends Comparable> void sort(E[] a) {
        for (int i = 1; i < a.length; i++) {
            E prvok = a[i];
            int kam = i;
            while (kam > 0 && prvok.compareTo(a[kam - 1]) < 0) {
                a[kam] = a[kam - 1];
                kam--;
            }
            a[kam] = prvok;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Integer[] a = {3, 1, 2};
        sort(a);
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            System.out.println(a[i]);
        }
    }

Java Collections

Java poskytuje štandardné triedy na mnohé často používané dátové štruktúry, používa generické programovanie
Tutoriál
Je dobré tieto triedy poznať a podľa potreby využívať
Pochopením ich štruktúry si tiež môžeme precvičiť objektovo-orientované programovanie
Na úvod si ukážeme malá ukážka, viac nabudúce

ArrayList

ArrayList sa podobá na vector z C++ (existuje aj trieda Vector)

ide o štruktúru reprezentujúcu pole, ktoré rastie podľa potreby
na koniec poľa pridávame metódou add(prvok), konkrétny prvok adresujeme metódou get(index), meníme cez set(index, hodnota), veľkosť poľa je size()

import java.util.ArrayList;

...
        ArrayList<Integer> a = new ArrayList<Integer>();
        a.add(2);
        a.add(7);
        for (int i = 0; i < a.size(); i++) {
            System.out.println(a.get(i));  // vypiseme vsetky prvky pola
            a.set(i, -1);                  // a potom ich prepiseme na -1
        }

LinkedList

LinkedList je obojsmerný spájaný zoznam, ktorý môžeme použiť napr. ako zásobník alebo rad

Vie teda efektívne pridávať a uberať prvky z oboch koncov a tiež prejsť cez všetky prvky zoznamu pomocou iterátora.
Hľadanie prvku na pozícii i niekde v strede zoznamu je pomalé.

        LinkedList<Integer> a = new LinkedList<Integer>();
        a.addFirst(2);   // to iste ako push
        a.addLast(7);    // to iste ako add
        for (ListIterator<Integer> it = a.listIterator(); it.hasNext(); ) {
            System.out.println(it.next());
        }
        a.removeFirst(); // to iste ako pop
        a.removeLast();

Prehľad Collections

Dátové štruktúry a algoritmy na základnú prácu so skupinami dát.
Generické typy - môžeme vytvárať dátové štruktúry pre dáta rôznych typov.
Definované pomocou rozhraní, jedno rozhranie (interface) môže mať viacero implementácií.

Vybrané triedy:

Rozhranie	Význam	Implementácie
Collection	skupina objektov
- Set	množina, skupina bez opakujúcich sa objektov	HashSet
-- SortedSet	množina s definovaným usporiadaním prvkov	TreeSet
- List	postupnosť objektov s určitým poradím	ArrayList, LinkedList
Map	slovník, asociatívne pole, mapuje kľúče na hodnoty	HashMap
- SortedMap	slovník s definovaným usporiadaním kľúčov	TreeMap

V metódach je dobré argumenty definovať najvšeobecnejším vhodným rozhraním alebo triedou.

Napr. chceme spočítať súčet viacerých Integer-ov:

// tato metoda sa da pouzit iba na ArrayList
public static Integer sum(ArrayList<Integer> a) { ... }
// tato metoda sa da pouzit na hocijaku Collection (LinkedList, HashSet...)
public static Integer sum(Collection<Integer> a) { ... }

Základné operácie pre Collection:

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean contains(Object element);

    boolean add(E element);  // optional
    boolean remove(Object element); // optional
    void clear(); // optional

    Iterator<E> iterator();

    Object[] toArray();
    <T> T[] toArray(T[] a);

   // a dalsie...
}

Metódy add a remove vracajú true, ak sa Collection zmenila a false, ak sa nezmenila.
Metódy, ktoré menia Collection, sú nepovinné v tom zmysle, že musia byť zadefinované, ale môžu hádzať UnsupportedOperationException

Cvičenia 16

Jednoduché výnimky

Nižšie nájdete program z prednášky, ktorý načítava zo súboru číslo n a n čísel do poľa, pričom neexistenciu súboru a jeho zlý formát rieši výnimkami. Od užívateľa opakovane vypýta meno súboru, až kým sa mu nepodarí súbor prečítať.

Po načítaní čísel do poľa v metóde readArray overte metódou hasNext() triedy Scanner, že sa v súbore už nenachádzajú ďalšie čísla alebo iné nebiele znaky. Ak sa nachádzajú, hoďte tiež WrongFormatException.
Zmeňte program tak, aby WrongFormatException v konštruktore dostala aj podrobnejší popis chyby formátu, ktorá bude napríklad "Nepodarilo sa načítať počet prvkov n", alebo "Nepodarilo sa načítať prvok i", kde namiesto znaku i dosadíte príslušné poradové číslo prvku, kde nastala chyba. V metóde getMessage potom túto podrobnejšiu správu vráťte.
- Návod: premennú i v metóde readArray zadefinujte už pred príkazom try a inicializujte na -1. V časti catch potom podľa aktuálnej hodnoty i viete zistiť, či sa for cyklus vôbec nezačal alebo na ktorom prvku zhavaroval.

Generická trieda Matrix

Naprogramujte generickú triedu Matrix, ktorá reprezentuje obdĺžnikovú maticu prvkov nejakého neznámeho typu E.

Prvky matice si v tejto triede uložte do premennej typu ArrayList<ArrayList<E>>, potrebujete si ešte udržiavať aj aktuálny počet riadkov a stĺpcov.
Napíšte konštruktor, ktorý vytvorí maticu zadaných rozmerov a vyplní ju zadaným prvkom typu E.
Napíšte metódy, ktoré do matice pridajú nový stĺpec a nový riadok, vyplnený zadaným prvkom typu E.
Napíšte metódu get, ktorá vráti prvok matice nachádzajúci sa na zadanom mieste
Napíšte metódu set, ktorá na zadané miesto v matici zapíše zadaný prvok typu E

Výnimky v triede Matrix

Čo sa stane, ak metódu get triedy Matrix zavoláte so súradnicami mimo rozsah matice?

Prepíšte metódy get a set tak, aby pri zlých súradniciach hádzali výnimku vašej vlastnej triedy MatrixIndexOutOfBoundsException.

Výnimka tejto triedy by v metóde getMessage mala vrátiť reťazec obsahujúci obidve súradnice, ako aj obidva rozmery matice.
Skúste dva spôsoby implementácie:
- v prvom odchytávajte vzniknuté výnimky a nahraďte ich svojou výnimkou
- v druhom otestujte vhodnosť indexov hneď na začiatku metódy a v prípade potreby vyhoďte vlastnú výnimku

Ešte Matrix, dedenie

Napíšte generickú triedu InfiniteMatrix, ktorá je podtriedou triedy Matrix a líši sa od nej v tom, že ak metóde get dáme súradnice mimo rozsah matice, vráti hodnotu null (a nevyhadzuje výnimku). Je to ako keby sme mali maticu nekonečnej veľkosti vyplnenú null-mi a v malom obdĺžniku s určitým počtom riadkov a stĺpcov máme nejaké uložené hodnoty, ktoré sa môžu líšiť od null.

Výnimky pre Scanner

Vytvorte triedu IntScanner, ktorá v konštruktore dostane meno súboru a okrem konštruktoru obsahuje public metódy hasNextInt, nextInt a close, ktoré robia zhruba to isté ako v triede Scanner. Avšak ak je v súbore nejaký reťazec, ktorý nie je možné interpretovať ako číslo, metóda nextInt vyhodí výnimku vašej novej triedy, ktorá v metóde getMessage vráti reťazec obsahujúci číslo riadku, na ktorom chyba nastala aj reťazec, ktorý nebolo možné ako číslo interpretovať. Trieda Scanner nám neumožňuje zistiť číslo riadku, preto budeme mať v tejto triede tri premenné:

aktuálne číslo riadku
premennú typu BufferedReader, v ktorej na začiatku otvoríme zadaný súbor a vždy keď treba, načítame z neho riadok, zvýšime počítadlo a vytvoríme novú inštanciu triedy Scanner, ktorá bude čítať čísla z toho riadku
premennú triedy Scanner

Zdrojový kód pre prvý príklad

package prog;

import java.io.*;
import java.util.Scanner;

class Prog {

    static class WrongFormatException extends Exception {

        private String filename;

        public WrongFormatException(String filename_) {
            filename = filename_;
        }

        @Override
        public String getMessage() {
            return "Zly format suboru " + filename;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        boolean fileRead = false;
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        int[] a = null;
        while (!fileRead) {
            try {
                System.out.print("Zadaj meno suboru: ");
                String filename = s.next();
                a = readArray(filename);
                fileRead = true;
                System.out.println("Dlzka pola je " + a.length);
            } catch (WrongFormatException e) {
                System.out.println(e.getMessage());
            } catch (FileNotFoundException e) {
                System.out.println("Subor nebol najdeny.");
            } catch (Throwable e) {
                System.out.println("Neocakavana chyba.");
                System.exit(1);
            }
        }

    }

    static int[] readArray(String filename)
            throws WrongFormatException, FileNotFoundException {
        Scanner s = null;
        int[] a = null;
        try {
            s = new Scanner(new File(filename));
            int n = s.nextInt();
            if (n < 0) {
                throw new WrongFormatException(filename);
            }
            a = new int[n];
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                a[i] = s.nextInt();
            }
            return a;
        } catch (java.util.NoSuchElementException e) {
            throw new WrongFormatException(filename);
        } finally {
            if (s != null) {
                s.close();
            }
        }
    }
}

Prednáška 29

Organizačné poznámky

DÚ7 do budúcej stredy, neodkladajte na poslednú chvíľu
Ďalšia rozcvička bude v stredu po Veľkej noci

Opakovanie: generické programovanie

V Jave môžeme definovať triedu alebo metódu, ktorá má špeciálny parameter určujúci typ dát, ktoré bude spracovávať, napr. zásobník s prvkami typu T.

   class Stack <T> {
        private Node<T> front;
        public void push(T data) {
            Node<T> p = new Node<T>(data, front);
            front = p;
        }

        public T pop() {
            T res = front.getData();
            front = front.getNext();
            return res;
        }
    }

Použitie zásobníka:

        Stack<Integer> s = new Stack<Integer>();
        s.push(new Integer(4));
        s.push(5);        
        Integer y = s.pop();
        int z = s.pop();

Výhody generickej verzie zásobníka:

V tom istom programe môžeme vytvoriť zásobníky veľa rôznych typov.
Kompilátor skontroluje, či vkladáme a vyberáme prvky správnych typov.

Opakovanie: Úvod do Java Collections

Dátové štruktúry a algoritmy na základnú prácu so skupinami dát.
Generické typy - môžeme vytvárať dátové štruktúry pre dáta rôznych typov.
Definované pomocou rozhraní, jedno rozhranie (interface) môže mať viacero implementácií.

Vybrané triedy:

Rozhranie	Význam	Implementácie
Collection	skupina objektov
- Set	množina, skupina bez opakujúcich sa objektov	HashSet
-- SortedSet	množina s definovaným usporiadaním prvkov	TreeSet
- List	postupnosť objektov s určitým poradím	ArrayList, LinkedList
Map	slovník, asociatívne pole, mapuje kľúče na hodnoty	HashMap
- SortedMap	slovník s definovaným usporiadaním kľúčov	TreeMap

Základné operácie pre Collection:

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    int size();
    boolean isEmpty();
    boolean contains(Object element);

    boolean add(E element);  // optional
    boolean remove(Object element); // optional
    void clear(); // optional

    Iterator<E> iterator();

    Object[] toArray();
    <T> T[] toArray(T[] a);

   // a dalsie...
}

Prechádzanie cez prvky Collection

Použitie cyklu for-each:

    public static Integer sum(Collection<Integer> a) {
        int sum = 0;
        for(Integer x : a) {
            sum += x;
        }
        return sum;
    }

cyklus for-each sa dá použiť na ľubovoľný objekt triedy implementujúcej rozhranie Iterable, ktoré definuje metódu Iterator<T> iterator() (plus ďalšie nepovinné)

Použitie iterátora:

    public static Integer sum(Collection<Integer> a) {
        int sum = 0;
        for (Iterator<Integer> it = a.iterator(); it.hasNext();) {
            sum += it.next();
        }
        return sum;
    }

a.iterator() vráti objekt it implementujúci rozhranie Iterator
it.next() vráti ďalší prvok zo skupiny a, alebo hodí NoSuchElementException, ak už ďalší nie je
it.hasNext() vráti, či ešte je ďalší prvok
Užitočná predstava je, že iterátor vždy ukazuje na "medzeru" medzi dvoma prvkami (prípadne pred prvým alebo za posledným prvkom)
- next() preskočí do ďalšej medzery a vráti preskočený prvok
Poradie, v akom prvky navštívime, nie je pre všeobecnú Collection definované
- Iterátor pre SortedSet vracia prvky v utriedenom poradí od najmenšieho po najväčší.
- Iterátor pre List vracia prvky v poradí, v akom sú v postupnosti (poli, zozname)

Pozn: Rozhranie List definuje ListIterator, ktorý rozširuje základný iterátor (pohyb oboma smermi, pridávanie prvkov atď, užitočné pre prácu s LinkListom).

Cvičenie Nasledujúci program má vypísať všetky kombinácie hodnôt zo zoznamov a a b (t.j. A1,A2,B1,B2,C1,C2), ale nefunguje správne a padá na java.util.NoSuchElementException. Prečo? Ako chybu opraviť?

import java.util.*;
public class Pokus {
    public static void main(String[] args) {
	LinkedList<String> a = new LinkedList<String>();
	a.add("A"); a.add("B"); a.add("C");

	LinkedList<Integer> b = new LinkedList<Integer>();
	b.add(1); b.add(2);

    	for (Iterator<String> i = a.iterator(); i.hasNext(); ) {
	    for (Iterator<Integer> j = b.iterator(); j.hasNext(); ) {
		System.out.println(i.next() + j.next());
	    }
	}
    }
}

Použitie Map

public interface Map<K,V> {

    V put(K key, V value);  // klucu key prirad hodnotu value, vrati predch. hodnotu pre key
    V get(Object key);      // hodnota pre kluc key alebo null
    V remove(Object key);   // zmaz kluc key a jeho hodnotu
    boolean containsKey(Object key);  // obsahuje kluc key?
    boolean containsValue(Object value);
    int size();
    boolean isEmpty();

    void putAll(Map<? extends K, ? extends V> m);
    void clear();

    // Vrátia Set alebo Collection, cez ktorý môžeme iterovať
    public Set<K> keySet();  
    public Collection<V> values();
    public Set<Map.Entry<K,V>> entrySet();

    // Interface pre dvojice vo výsledku entrySet
    public interface Entry {
        K getKey();
        V getValue();
        V setValue(V value);
    }
}

Príklad použitia Map:

vstup z konzoly rozložíme Scannerom na slová (kým užívateľ nezadá END) a počítame počet výskytov každého slova

import java.util.*;
public class Prog {
   public static void main(String[] args) {
        Map<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>();
        Scanner s = new Scanner(System.in);  // inicializujeme Scanner
        while (s.hasNext()) {        // kym neskonci vstup
            String word = s.next();  // nacitame slovo
            if (word.equals("END")) { // skoncili sme ak najdeme END
                break;
            }
            Integer freq = map.get(word);
            if(freq == null) {
                map.put(word, 1);
            } else {
                map.put(word, freq+1);
            }            
        }
        System.out.println("Pocet roznych slov: " + map.size());
        System.out.println(map);
  }
}

Príklad výstupu:

one two three one two two END
Pocet roznych slov:3
{two=3, one=2, three=1}

HashMap vypisuje prvky v ľubovoľnom poradí. Ak typ zmeníme na TreeMap, dostaneme utriedené podľa kľúča:

{one=2, three=1, two=3}

Ak chceme vypísať zoznam slov a ich frekvencií v inom formáte, použijeme for-each alebo iterátor (ďalšie možnosti na konci prednášky)

for(Map.Entry<String, Integer> e : map.entrySet()) {
      System.out.println("Slovo " + e.getKey()
                         + " sa vyskytuje " + e.getValue() 
                         + " krat");
}

for(Iterator<Map.Entry<String,Integer>> it=map.entrySet().iterator(); 
    it.hasNext(); ) {
       Map.Entry<String,Integer> e = it.next();
       System.out.println("Slovo " + e.getKey()
               + " sa vyskytuje " + e.getValue() 
               + " krat");
}

Slovo two sa vyskytuje 3 krat
Slovo one sa vyskytuje 2 krat
Slovo three sa vyskytuje 1 krat

Dôležité metódy z uložených objektov

Porovnávanie objektov na rovnosť: equals

Metódy z Collection contains(Object element), remove(Object element) a ďalšie potrebujú porovnávať objekty na rovnosť.
Operátor == porovnáva referencie, t.j. či sú dva objekty na tej istej adrese v pamäti
Collection používa namiesto toho metódu equals(Object obj) definovanú v triede Object
Metóda equals() v triede Object tiež porovnáva len referencie, ostatné triedy ju môžu prekryť
Napr. v triedach ako String, Integer,... definovaná na porovnávanie reťazcov, čísel,...
Rôzne triedy implementujúce Collection tiež väčšinou vedia porovnávať na rovnosť spúšťaním equals na jednotlivé prvky
Metódy nevieme spúšťať na null, napr. contains(Object o) vracia true práve vtedy, keď nejaký prvok e Collection spĺňa (o==null ? e==null : o.equals(e))
Prekrytá metóda equals by sa mala správať "rozumne", t.j. byť symetrická, tranzitívna a pod.

Porovnávanie objektov na nerovnosť: Comparable

SortedMap a SortedSet potrebujú vedieť porovnávať prvky podľa veľkosti
Používajú metódu compareTo definovanú v rozhraní Comparable (videli sme na minulej prednáške)
Ak naša trieda neimplementuje toto rozhranie alebo chceme použiť iné usporiadanie, môžeme použiť vlastný komparátor, objekt implementujúci rozhranie Comparator

import java.util.*;
public class SetSortedByAbsoluteValue {
    /** Trieda AbsoluteValueComparator porovnava Integery 
     * podla absolutnej hodnoty */
    static class AbsoluteValueComparator implements Comparator<Integer> {
	public int compare(Integer o1, Integer o2) {
	    Integer x1 = Math.abs(o1);
	    Integer x2 = Math.abs(o2);
	    return x1.compareTo(x2);
	}
    }
    public static void main(String[] args) {
	AbsoluteValueComparator comp = new AbsoluteValueComparator();
	TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>(comp);
	set.add(-3); set.add(0); set.add(7); set.add(-10);
	for(Integer x : set) {  // vypise 0 -3 7 -10
	    System.out.print(" " + x);
	}
	System.out.println();
    }
}

Hešovacie funkcie: hashCode

HashSet a HashMap potrebujú vedieť prekódovať ľubovoľný objekt do pozície v poli
Používajú metódu int hashCode() definovanú v triede Object
Object jednoducho použije svoju adresu v pamäti ako svoj hashCode
Štandardné triedy prekrývajú hashCode
Ak prekryjete equals, treba prekryť aj hashCode, lebo ak sa dva prvky rovnajú v equals, majú mať rovnaký hashCode

    static class Name {
        String givenName;
        String lastName;
        @Override
        public int hashCode () {
            return givenName.hashCode() + 31*lastName.hashCode();
        }
        @Override
        public boolean equals(Object obj) {
            if (obj == null) {
                return false;
            }
            if (getClass() != obj.getClass()) {
                return false;
            }
            Name other = (Name) obj;
            return this.givenName.equals(other.givenName) 
                   && this.lastName.equals(other.lastName);
        }
   }

Algoritmy

Triedy Collections a Arrays obsahujú statické metódy na prácu s Collections a poliami
Napr. sort, shuffle (náhodne preusporadaj), reverse, fill, copy, swap, binarySearch, min, max,...

Collections: Zhrnutie

Collections sú obrovská knižnica a veľmi užitočná
Neváhajte ich používať v programoch, nájdite si v dokumentácii metódy, ktoré sa vám hodia
Mali by ste ovládať (s pomocou ťaháka) aspoň základy práce s ArrayList, LinkedList, HashMap a s iterátormi
Pri spracovaní väčších dát pozor na to, že niektoré metódy sú pomalé
Pre prácu s Collections môže byť potrebné prekryť niektoré metódy z Object (equals, hashCode)
- Ďalšie metódy z Object, ktoré sa často hodí prekryť sú clone a toString

Vnorené a anonymné triedy

Java umožňuje definovať triedu v inej triede alebo dokonca v metóde
- To umožnuje ju uložiť tam, kde logicky patrí, kde sa používa a prípadne zamedziť prístup iným častiam programu
Tu len základný prehľad, viac detailov na Programovaní (3) alebo samoštúdium
Trieda definovaná v inej triede môže byť statická alebo nestatická

Statická vnorená trieda (static nested class)

Správa sa podobne ako keby bola definovaná mimo triedy

public class A {
   // premenné, metódy
   public static class B {
      // premenné, metódy
   }
   
   // použitie v triede A:
   B objekt = new B();
}

// použitie v inej triede:
A.B objekt = new A.B();

Vnútorná trieda, t.j. nestatická vnorená trieda (inner class)

Inštancie vnútornej triedy majú prístup k premenným vonkajšej triedy

Lokálna trieda (local class)

Podobne ako vnútorná trieda, ale definovaná vo vnútri metódy, priamo prístupná (pod svojim menom) len tam
Ale inštancie sa dajú použiť aj mimo metódy
- V príklade nižšie metóda iterator obsahuje definíciu triedy MyIterator, ktorá implementuje rozhranie Iterator<Integer>
- Metóda iterator vráti objekt triedy MyIterator metóde main a tá ho implicitne použije vo for cykle, aj keď metóda iterator už skončila

import java.util.Iterator;

public class MyArray implements Iterable<Integer> {
    private Integer [] array;

    /** Konstruktor vytvori pole dlzky n a naplni ho cislami 10,20,... */
    public MyArray(int n) {
        array = new Integer[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            array[i] = (i + 1) * 10;
        }
    }

    /** Metoda vrati iterator cez pole */
    public Iterator<Integer> iterator() {
        class MyIterator implements Iterator<Integer>  {
            private int index;  // poloha v poli
            private MyIterator() {  // konstruktor iniocializuje index
                index = 0;
            }
            public Integer next() {
                index++;
                return array[index - 1]; // mozeme pouzit premennu array z MyArray
            }
            public boolean hasNext() {
                return index < array.length;
            }
        }

        return new MyIterator();
    }

    public static void main(String[] args) {
        MyArray a = new MyArray(5);
        for (Integer x : a) {
            System.out.println(x);
        }
        // alebo ekvivalentne:
        for (Iterator<Integer>it = a.iterator(); it.hasNext();) {
            System.out.println(it.next());
        }
    }
}

Anonymná trieda (anonymous class)

Definuje sa v nejakej metóde, pričom sa jej ani nepriradí meno, iba sa vytvorí inštancia
Tu je metóda iterator z predchádzajúceho príkladu prepísaná s anonymnou triedou:

    /** Metoda vrati iterator cez pole */
    public Iterator<Integer> iterator() {
	return new Iterator<Integer>() { // zaciatok anonymnej triedy
	    private int index = 0;  // poloha v poli, priamo inicializovana
	    public Integer next() { 
		index++;
		return array[index-1]; 
	    }
	    public boolean hasNext() {
		return index < array.length;
	    }
	};  // bodkociarka za prikazom return
    }

Za príkaz new sme dali meno rozhrania (Iterator<Integer>), za tým prázdne zátvorky pre "konštruktor", potom definíciu triedy a bodkočiarku
Nie je možné písať konštruktory, ale môžeme inicializovať premenné, napr. private int index = 0;

Premenné a parametre z metódy v lokálnych a anonymných triedach

Lokálna alebo anonymná trieda môže používať aj lokálne premenné a parametre metódy, v ktorej sa nachádza
- Ale pozor, iba ak sú definované ako final alebo sa do nich po inicializácii nič nepriradzuje
- Ak však ide o referenciu na objekt alebo pole, obsah poľa resp. premenných objektu je možné meniť, nemení sa iba referencia
V nasledujúcej ukážke pridáme ďalší iterátor, ktorý sa neposúva o 1, ale o zadanú hodnotu jump

public class MyArray implements Iterable<Integer> {
    // sem prídu premenné a metódy z príkladu vyššie (konštruktor, iterator)

    public Iterator<Integer> jumpingIterator(Integer jump) {
        // jump = 3;  // s týmto príkazom by to neskompilovalo
	return new Iterator<Integer>() { // zaciatok anonymnej triedy
	    private int index = 0;  // poloha v poli, priamo inicializovana
	    public Integer next() { 
		index += jump;
		return array[index-jump]; 
	    }
	    public boolean hasNext() {
		return index < array.length;
	    }
	};  // bodkociarka za prikazom return
    }
    
    public static void main(String[] args) {
	MyArray a = new MyArray(5);
	Iterator<Integer> it = a.jumpingIterator(2);
	while(it.hasNext()) {
	    System.out.println(it.next());
	}
    }

Metóda forEach v Iterable, lambda výrazy

Rozhranie Iterable definuje aj metódu forEach, ktorá ako argument dostane objekt implementujúci generické rozhranie Consumer. Toto rozhranie má jedinú metódu accept vracajúcu void.

Pripomeňme si vypísanie našeho slovníka s frekvenciami výskytu slov pomocou for-each cyklu

for (Map.Entry<String, Integer> e : map.entrySet()) {
    System.out.println("Slovo " + e.getKey()
                       + " sa vyskytuje "
                       + e.getValue() + " krat");
}

Pomocou metódy forEach a anonymnej triedy ho prepíšeme takto:

Consumer<Map.Entry<String, Integer>> printAll
= new Consumer<Map.Entry<String, Integer>>() {
    public void accept(Map.Entry<String, Integer> e) {
         System.out.println("Slovo " + e.getKey()
                            + " sa vyskytuje "
                            + e.getValue() + " krat");
     }
};
map.entrySet().forEach(printAll);

Tento kód však nie je príliš prehľadný.
Namiesto anonymnej triedy s iba jednou metódou môžeme použiť lambda výraz (lambda expression)
Telo metódy bez zvyšku triedy napíšeme priamo kde treba, t.j. ho môžeme priradiť do premennej printAll alebo priamo ako argument metódy forEach.

map.entrySet()
.forEach(e -> System.out.println("Slovo " + e.getKey()
                                 + " sa vyskytuje "
                                 + e.getValue() + " krat"));

Map má tiež forEach, čo je ešte jednoduchšie:

map.forEach((key, value)
            -> System.out.println("Slovo " + key
                                  + " sa vyskytuje "
                                  + value + " krat"));

Vo všeobecnosti má lambda výraz tvar

(param1,param2) -> { 
  doSomething(param1, param2); 
  return somethingElse(param1, param2); 
}
(param1,param2) -> someExpression(param1, param2);   // vynecháme return
param -> someExpression(param)

V Jave je tiež možnosť vykonať viacero operácií špecifikovaných lambda výrazmi na postupnostiach nazývaných Stream.

Cvičenia

V našom príklade s počítaním frekvencií slov máme v štruktúre Map ako kľúče slová a hodnoty ich počty výskytov. Čo vypíšu nasledujúce dva kúsky kódu?

map.forEach((key, value) -> {
    if (key.length() > 2) {
        System.out.println("Slovo " + key
        + " sa vyskytuje "
        + value + " krat");
    }
});


ArrayList<String> words = new ArrayList<>();
map.forEach((key, value) -> {
    if (value > 1) {
       words.add(key);
    }
});
System.out.println(words);

V tejto prednáške sme videli príklad, ktorý udržiaval množinu utriedenú podľa absolútnej hodnoty čísla tak, že implementoval pomocnú statickú vnorenú triedu AbsoluteValueComparator. Prepíšte tento príklad tak, aby ste namiesto tejto triedy použili anonymnú triedu alebo lambda výraz.

Riešenie pre Comparator

Riadok s vytváraním premennej set zmeníme na:

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>((o1,o2)-> {
            Integer x1 = Math.abs(o1);
            Integer x2 = Math.abs(o2);
            return x1.compareTo(x2);
});

alebo ešte kratšie

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>((o1,o2)->
        ((Integer)Math.abs(o1)).compareTo(Math.abs(o2))
);

(potrebujeme pretypovať, lebo Math.abs vracia int, nie Integer.

Trieda AbsoluteValueComparator a riadok s vytváraním premennej comp sa vynechá. Ak aj na výpis použijeme lambda výraz a na pridanie prvkov do množiny metódu asList z triedy Arrays, celý program sa skráti takto:

import java.util.*;
public class MySet {
    public static void main(String[] args) {
        // vytvoríme SortedSet utriedený podľa absolútnej hodnoty
        SortedSet<Integer> set
            = new TreeSet<>((o1, o2)->
                            ((Integer)Math.abs(o1)).compareTo(Math.abs(o2))
                           );

        // pridáme doňho nejaké prvky
        set.addAll(Arrays.asList(-3, 0, 7, -10));
        // vypíšeme usporiadané podľa absolútnej hodnoty
        set.forEach(x -> System.out.print(" " + x));
        System.out.println();
    }
}

Ešte poznámky pre zvedavých: ak by sme chceli vynechať medzeru pred prvým číslom, môžeme skúsiť použiť premennú first, ktorá určuje, či ide o prvé číslo:

        boolean first = true;
        set.forEach(x -> {
                if(!first) System.out.print(" ");
                System.out.print(x);
                first = false;
            });

To však neskompiluje, lebo premennú first nemôžeme meniť (chyba local variables referenced from a lambda expression must be final or effectively final). Ako jednoduchý trik môžeme použiť pole booleanov dĺžky 1:

boolean[] first = {true}; set.forEach(x -> { if (!first[0]) System.out.print(" "); System.out.print(x); first[0] = false; });

Kompilátor je spokojný, lebo first je referencia na pole a tá sa nemení, mení sa len obsah poľa.

Cvičenia 17

Na testovači je príklad za jeden bonusový bod, ktorý sa dá odovzdávať do 22:00. Okrem toho riešte ďalšie príklady z tohto cvičenia, prípadne sa vráťte aj k príkladom z minulého týždňa.

Index riadkov

Na prednáške sme mali program, ktorý pomocou HashMap<String,Integer> spočítal počty výskytov slov na vstupe. Teraz chceme zmenenú verziu tohto programu, ktorá vypíše zoznam slov a pre každé slovo zoznam čísel riadkov, na ktorých sa toto slovo nachádza. Slová budú usporiadané podľa abecedy, riadky vzostupne. Ak je slovo na riadku viackrát, uvedie sa toto číslo iba raz. Odporúčame použiť TreeMap<String,TreeSet<Integer>>. Kostra nižšie už rozkladá vstup na riadky a riadky na slová.

Príklad vstupu a výstupu (vstup sú prvé tri riadky):

jeden dva tri jeden
jeden styri tri

Slovo dva sa vyskytuje na riadkoch: 1
Slovo jeden sa vyskytuje na riadkoch: 1 2
Slovo styri sa vyskytuje na riadkoch: 2
Slovo tri sa vyskytuje na riadkoch: 1 2

Kostra programu:

import java.util.*;
import java.io.*;  
public class Prog {
   public static void main(String[] args) throws IOException {

       //TODO: VAS KOD NA INICIALIZACIU MAPY TU

	BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));

	int lineNumber = 0;  // pocitadlo cisel riadkov
	while (true) {
            // nacitame riadok do retazca
            String line = in.readLine();
            // skoncime, ked uzivatel zada prazdny riadok 
	    // alebo ked prideme na koniec vstupu (null)
            if (line == null || line.equals("")) { 
                break;
            }
	    lineNumber ++;

	    // inicializujeme scanner, ktory rozlozi riadok na slova
	    Scanner scanner = new Scanner(line);
	    while(scanner.hasNext()) {
		String word = scanner.next();
		// TODO VAS KOD NA SPRACOVANIE SLOVA TU

	    }
        }

	// TODO: VAS KOD NA VYPIS VYSLEDKU TU
   }
}

Metódy equals, hashCode, compareTo

Napíšte triedu Zlomok, ktorá bude implementovať zlomok s celočíselným čitateľom a menovateľom.

Triede spravte konštruktor a preťažte equals tak, aby správne testovala rovnosť zlomkov a hashCode tak, aby bol konzistentný s equals.
Vaša trieda by tiež mala implementovať interface Comparable s bežným porovnaním zlomkov podľa veľkosti.
Prekryte aj metódu toString aby vrátila reťazec typu "a/b"
Skúšajte zlomky vkladať do TreeSet a HashSet a skontrolujte, že dostávate správne výsledky.
Pre jednoduchosť môžete predpokladať, že čitateľ aj menovateľ sú kladné a že nedôjde k pretečeniu rozsahu čísla typu Integer pri aritmetických operáciách.
Môže sa vám zísť Euklidov algoritmus na nájdenie najväčšieho spoločného deliteľa:

    // ratame nsd(a,b)
    while(b != 0) {
        int x = a % b;
        a = b;
        b = x;
    }
    // vysledok je v premennej a

Generické statické metódy

Napíšte generickú statickú metódu prienik, ktorá dostane dve SortedSet (s tým istým typom prvkov E) a vráti SortedSet obsahujúcu ich prienik, t.j. prvky, ktoré sa nachádzajú v oboch.
- Najskôr funkciu naprogramujte pomocou iterácie cez jednu vstupnú množinu a volaním contains na druhú.
- Komplikovanejší ale efektívnejší program dostanete použitím iterátorov na obe množiny, ktoré budete postupne posúvať algoritmom podobným na merge (iterátory pre SortedSet vracajú prvky v utriedenom poradí).
  - Potrebujete si tiež pamätať aktuálny prvok z každej množiny, lebo po volaní next sa už späť k tomu istému prvku nedostanete.

Metóda remove

Trieda ArrayList (ale aj LinkedList a iné triedy implementujúce List) má dve metódy s menom remove, ale s iným typom parametra

remove(int index) zmaže prvok na pozícii index
remove(Object o) zmaže prvý výskyt prvku o

Úloha:

Zistite experimentovaním, ktorá z metód remove sa vykoná v nasledujúcom kóde.
Zmeňte kód tak, aby sa zavolala opačná forma metódy remove.

Pozor, podobná zámena metód môže byť zdrojom zákernej chyby v programe.

import java.util.ArrayList;
public class Prog {
    public static void main(String[] args) {
        Integer[] tmp = {3,2,1};
        ArrayList<Integer> a = new ArrayList<Integer>(Arrays.asList(tmp));
        System.out.println("Pred remove:" + a);
        a.remove(1);
        System.out.println("Po remove: " + a);

    }
}

Prednáška 30

Opakovanie OOP

Java je objektovo orientovaný jazyk - všetko sú objekty
Program pozostáva z objektov, ktoré navzájom 'komunikujú' prostredníctvom svojich metód

Objekty, zapúzdrenie

Trieda (class) definícia objektu

class MyClass {
premenné
konštruktory
metódy
}

Konštruktor - vytváranie objektu
- používanie this(..) resp. super(..) na volanie iného konštruktora tej istej triedy, resp. nadtriedy
- Pes punto=new Pes("Punto");
Úrovne prístupu - Modifikátory
Zapuzdrenie - oddelenie rozhrania a implementácie
- Nemení sa to, čo je viditeľné zvonku
- Pozor na prístup k premenným

Dedenie objektov, polymorfizmus

Trieda môže byť potomkom inej triedy - potom zdedí jej premenné a metódy
- Dediť môžeme iba od jednej triedy (ale môžeme viacúrovňovo)
- Triedy, ktoré nemajú predchodcu, dedia všeobecnú triedu Object
- Aj primitívne typy premenných majú svoje objektové varianty (Integer, Boolean atd)
Metódy je možné preťažiť - potomok tým prepíše chovanie metódy
Potomka je vždy možné použiť na mieste predka, keďže má všetky jeho 'vlastnosti' - spolu s preťaženými metódami to umožňuje polymorfizmus

Interface

Abstraktná trieda, ktorá nemá žiadnu metódu implementovanú
- Trieda môže implementovať interface - musí implementovať všetky jej metódy
Umožňuje "viacnásobnú dedičnosť" a dobré zapuzdrenie

Generické programovanie

Ako mať rôzne typy premenných vnútri nejakej štruktúry (napr. zásobník)
- Bude skladovať Object a keďže potomka môžeme použiť namiesto predka môžeme tam skladovať čokoľvek - musíme pretypovávať
- Generické programovanie: parametrický typ class Stack <T>, kde T je parameter reprezentujúci typ objektov, pri definícii povieme konkrétny typ

Aj metódy môžu mať generické typy - typový parameter, ktorý sa píše pred návratový typ

   static <E> void fillArray(E[] a, E e)

Generické funkcie (napr. triedenie) s využitím interface

   static <E extends Comparable> void sort(E[] a)

Testovanie programov

Cieľom testovania je nájsť chyby v programe, teda preukázať, že program nefunguje podľa špecifikácie (aby sme potom vedeli chybu nájsť a opraviť)
Test pozostáva zo vstupu, správneho výstupu a popisu jeho významu
Program sa spustí na vstupe a jeho výsledok sa porovná so správnou odpoveďou

Tradičný prístup: najprv sa napíše kód, potom sa vytvárajú testy
Test-driven development: najprv sa napíšu testy, potom sa programuje kód, ktorý ich dokáže splniť

Black-box testing

Vytvorenie sady testov len na základe špecifikácie
Snažíme sa zachytiť okrajové aj typické prípady
Napr.:

    /** Z pola a vyhodi prvy vyskyt objektu rovneho x
     * pricom rovnost sa testuje metodou equals.
     * Vsetky dalsie prvky posunie o jedno dolava a na koniec
     * pola da null.
     * Vrati true, ak bolo pole modifikovane, inak false.
     * Ak a je null alebo x je null, vyhodi java.lang.NullPointerException
     */
    public static boolean remove(Object[] a, Object x) {

Príklady testov:

prázdne pole a
pole obsahujúce iba x
pole obsahujúce x na začiatku
pole obsahujúce x na konci
pole obsahujúce x v strede
pole obsahujúce viacero kópií x
pole obsahujúce null prvky
pole obsahujúce objekty rôznych typov

Podrobnejšie rozpísanie jedného testu:

vstup: a = {1,2,3}, x = 1
výstup: a = {2,3,null}, návratová hodnota true
význam testu: testovanie prípadu, keď pole a obsahuje x na začiatku

White-box testing

Testy vytvárame na základe kódu, snažíme sa preveriť všetky vetvy výpočtu

V cykle vyskúšame 0 iterácií, 1 iteráciu, maximálny počet iterácií
V podmienke vyskúšame vetvu true aj false
Avšak tým, že sa sústredíme na kód, môžeme vynechať prípady, na ktoré sa v ňom nemyslelo

Tento kód nespĺňa úplne špecifikáciu:

    /** Z pola a vyhodi prvy vyskyt objektu rovneho x
     * pricom rovnost sa testuje metodou equals.
     * Vsetky dalsie prvky posunie o jedno dolava a na koniec
     * pola da null.
     * Vrati true, ak bolo pole modifikovane, inak false.
     * Ak a je null alebo x je null, hodi java.lang.NullPointerException
     */
    public static boolean remove(Object[] a, Object x) {
        int i;
        for (i = 0; i < a.length; i++) {
            if (a[i].equals(x)) {
                break;
            }
        }
        if (i == a.length) {
            return false;
        }
        while (i < a.length - 1) {
            a[i] = a[i + 1];
            i++;
        }
        a[i] = null;
        return true;
    }

JUnit

Systém JUnit umožňuje vytvárať špeciálne triedy obsahujúce testy iných tried
Sadu testov môžeme ľahko automaticky spustiť a vyhodnotiť, vidíme všetky výsledky
Môžeme program testovať po každej zmene
Dobrá podpora v Netbeans
Krátky návod: [3]

Príklad niekoľkých testov pre funkciu remove vyššie:

package prog;

import org.junit.Test;
import static org.junit.Assert.*;

public class ProgTest {

    @Test
    public void testEmpty() { 
        // hladame x v poli dlzky nula
        Object[] working = new Object[0]; // vstupne pole
        Object[] correct = new Object[0]; // spravna odpoved
        Object x = new Object();
        boolean result = Prog.remove(working, x); // spustime testovanu metodu
        assertEquals(result, false);              // testujeme navratovu hodnotu
        assertTrue(java.util.Arrays.equals(working,correct)); // testujeme pole
    }

    @Test
    public void testXOnly() {
        // hladame x v poli obsahujucom iba x
        Object[] working = {7};
        Object[] correct = {null};
        Object x = 7;
        boolean result = Prog.remove(working, x);
        assertEquals(result, true);
        assertTrue(java.util.Arrays.equals(working,correct));
    }

    @Test(expected = java.lang.NullPointerException.class)
    public void testANull() {
        // Testujeme, ci hodi vynimku ked je pole null
        Object[] working = null;
        Object x = 7;
        boolean result = Prog.remove(working, x);        
    }
}

Tento príklad je možné rôzne vylepšovať

Opakujúce sa časti kódu môžeme dať do pomocných metód
Môžeme pridať výpisy výsledkov, aby sme v prípade chyby videli, čo sa stalo.
Môžeme pridať premenné triede ProgTest, konštruktor, ako aj špeciálne metódy, ktoré sa vykonajú pred každým testom, prípadne po každom teste.

JavaFX

Doteraz sme mali aplikácie, ktoré pracovali s textovým vstupom a výstupom - konzolové aplikácie
Ukážeme si jednoduché aplikácie, ktoré majú grafické UI
- Grafické okno, ovládacie prvky, ...
- Udalosti, ktoré vedú k akciám

Dokumentácia a tutoriál

Program s jedným grafickým oknom

V klasickej java aplikácii (ako sme používali doteraz) aplikáciu urobiť nedokážeme, musíme dopredu povedať, že ideme robiť grafickú aplikáciu.

File–>New Project vyberieme kategóriu JavaFX a projekt typu JavaFX Application
Projekt si môžeme pre jednoduchosť nazvať "HelloWorld"
Bude automaticky vygenerovaný kód, ktorý obsahuje
- hlavičku a niekoľko (veľa) importovaných knižníc
- triedu public class HelloWorld extends Application s metódou start (obsahuje nejaký kód, ktorý na začiatok zmažeme, neskôr si ho môžete nechať a upravovať) a metódou main, ktorá je skoro prázdna a tak aj ostane

Naša metóda start bude na začiatok obsahovať iba nasledovný kód

    @Override
    public void start(Stage primaryStage) {
        primaryStage.setTitle("Hello World!");
        primaryStage.show();
    }

Takto vytvorený program vytvorí grafické okno a zobrazí ho
Hlavné okno je primaryStage, ktorému nastavíme nadpis (setTitle) a zobrazíme ho - zistíme však, že okno sa zobrazí prázdne alebo sa vôbec nezobrazí (v závislosti od OS), pretože nevie, čo v ňom zobraziť
Chceme aspoň nejaký prázdny panel - pri starších grafických programoch existovali rôzne Form, ktoré nevyžadovali viac informácií, v JavaFX potrebujeme každému panelu nastaviť aj spôsob, akým má byť zobrazovaný a nezobrazujeme priamo panel ale toto zobrazenie

    @Override
    public void start(Stage primaryStage) {
        Pane pane = new Pane();             //panel
        Scene scene = new Scene(pane, 300, 250);      //jeho zobrazenie
 
        primaryStage.setTitle("Hello World!");
        primaryStage.setScene(scene);                 //primarnemu oknu povieme, že má zobraziť zobrazenie panelu
        primaryStage.show();
    }

Text v okienku

Do takto vytvoreného okna si môžeme vytvárať grafické (ovládacie) prvky label, button, ...
- pochopiteľne pre tieto prvky má JavaFX vlastné triedy, ktorých inštancie vytvárame
Pre jednoduchosť začneme textovým popiskom - label, ktorý je inštanciou Label
- Label je needitovateľný text, ktorý sa používateľovi objaví na paneli

    Label label = new Label("Label"); 
    pane.getChildren().add(label);

Ďalej môžeme s týmto popiskom pracovať (napríklad mu zmeniť text)
Môžeme tiež umiestniť label na iné miesto label.setLayoutX(100); label.setLayoutY(100);

Grafické objekty

V JavaFX síce existuje priamo Canvas, ale je určený čisto na vykresľovanie.
Ku grafickým objektom sa však môžeme chovať ako k ľubovoľnému inému prvku - napríklad textu a umiestniť ho na iné komponenty napríklad na rôzne typy Pane.
- Trieda Node (čiže objekty, ktoré je možné ukladať na panely) obsahuje aj podtriedu Shape -- geometrické útvary ako Arc, Circle, CubicCurve, Ellipse, Line, Path, Polygon, Polyline, QuadCurve, Rectangle, SVGPath, Text. Tieto teda jednoducho vložíme na panel a o ich vykreslenie sa nám stará aplikácia podobne ako o texty, gombíky a podobné objekty.

@Override public void start(Stage primaryStage) {
    Pane pane = new Pane();
      
    Rectangle square=new Rectangle();
    square.setHeight(10); square.setWidth(10);
    square.setX(10);      square.setY(10);
    
    pane.getChildren().add(square);
    
    Scene scene = new Scene(pane, 300, 250);
    primaryStage.setTitle("Drawing a square");
    primaryStage.setScene(scene);
    primaryStage.show();
}

Button a jeho stlačenie

Doteraz sme síce mali grafické okno, ale nemali sme (okrem zavretia) žiadnu interakciu s používateľom
Ukážeme si najjednoduchší ovládací prvok - Button a jednoduchú akciu - stlačenie gombíka
- Button pridáme podobne ako Label pomocou pane.getChildren().add()
- Stlačenie gombíka je akcia, ktorá sa môže alebo aj nemusí stať - záleží od používateľa - preto na ňu musíme čakať a v prípade, že nastane nejako ju spracovať
- Použijeme na to interface, ktorý implementujeme anonymnou triedou. V našom prípade potrebujeme interface EventHandler<ActionEvent>, ktorý má jedinú funkciu handle() s parametrom ActionEvent, ktorý hovorí parametre tej udalosti (na ktorom objekte nastalo a nejaké bližšie informácie)

package helloworld;
 
import javafx.application.Application;
import javafx.event.ActionEvent;
import javafx.event.EventHandler;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.control.Button;
import javafx.scene.layout.*;
import javafx.stage.Stage;
 
public class HelloWorld extends Application {
 
    @Override
    public void start(Stage primaryStage) {
        Button btn = new Button();
        btn.setText("Say 'Hello World'");

/*      btn.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>() {
            @Override
            public void handle(ActionEvent event) {
                System.out.println("Hello World!");
            }
        });  */ 

        btn.setOnAction((ActionEvent e) -> {
            System.out.println("Hello World!");
        });

        Pane pane = new Pane();
        pane.getChildren().add(btn);
 
        Scene scene = new Scene(pane, 300, 250);
        primaryStage.setTitle("Hello World!");
        primaryStage.setScene(scene);
        primaryStage.show();
    }
 
    public static void main(String[] args) { launch(args); }
}

môžeme priamo pracovať s objektami grafického okna - nastavovať a meniť nápisy na gombíku ale aj iných grafických prvkoch
problém môže byť, že kým sa to spracováva tak grafické okno 'zatuhne' (čiže nedávať počítať gombíku prvočíselný rozklad)

btn.setOnAction((ActionEvent e) -> {
    btn.setText("ha");
    ((Button)e.getSource()).setText("he"); //zmení text na gombíku, na ktorom bol Event vyvolaný - tu je to btn
});

Jeden EventHandler môžem nasadiť aj na viac objektov - napríklad niekoľko gombíkov
- Urobím si konkrétnu inštanciu triedy EventHandler<ActionEvent> a tú potom v oboch gombíkoch použijem
- Pozor gombíkom treba nastaviť súradnice, ináč sú cez seba a akciu vykoná vrchný z nich

EventHandler<ActionEvent> xxx = new EventHandler<ActionEvent>() {
    @Override public void handle(ActionEvent event) {
        System.out.println("Hello World!");
        ((Button)event.getSource()).setText("he");
    }
};
btn1.setOnAction(xxx);
btn2.setOnAction(xxx);

TextField

Prvok TextField je textové pole, do ktorého môžeme umiestniť text a nechať používateľa text upravovať, vyberať a pod.
Asi najpoužívanejšie metódy tohto prvku sú getText(), setText(), getSelectedText()
Najbežnejšia udalosť je zadanie textu ukončené klávesou Enter. Túto udalosť môžeme odchytiť pomocou metódy setOnAction()

TextField txt = new TextField();
txt.setText("Write something...");
        
txt.setOnAction( 
    (ActionEvent event) -> {
        String s=((TextField)event.getSource()).getText();
        System.out.println("You wrote:"+s); }
    );

StackPane root = new StackPane();
root.getChildren().add(txt);

Viac akcií

Pre rôzne ovládacie prvky existujú rôzne akcie, ktoré sa môžu vykonať - v závislosti od konkrétneho ovládacieho prvku
- Už pre gombík môžeme okrem stlačenia pozorovať veľa akcií (môžete si ich pozrieť medzi medódami triedy Button [4] - začínajú 'setOn')
- V našom prípade som pridala akciu s myšou -- keď myš vojde do priestoru gombíku, gombík ju pozdraví

btn1.setOnMouseEntered(new EventHandler<MouseEvent>(){
    @Override
        public void handle(MouseEvent event) {
            System.out.println("Hello Mouse!");
        }
});

Takýmto spôsobom môžeme mať na jeden prvok zavesených viacerých, ktorí čakajú na nejakú svoju udalosť
- Na jednu akciu však môžeme mať iba jednu reakciu -- jeden EventHandler
- Treba si však uvedomiť, že udalosti sú rôznych typov a EventHandler k nemu prislúchajúci by mal mať vhodný typový parameter (pri udalosti Action ActionEvent, pri práci s myšou MouseEvent atď.)

Kompletný program

package p30_javafxapplication;

import javafx.application.Application;
import javafx.event.ActionEvent;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.control.Button;
import javafx.scene.control.Label;
import javafx.scene.control.TextField;
import javafx.scene.input.MouseEvent;
import javafx.scene.layout.Pane;
import javafx.scene.shape.Rectangle;
import javafx.stage.Stage;

public class P30_JavaFXApplication extends Application {
    
    @Override
    public void start(Stage primaryStage) {
        Label lab= new Label("Basic components.");
        lab.setLayoutY(0);
        
        Button btn = new Button();
        btn.setText("Say 'Hello World'");
        btn.setOnAction((ActionEvent e) -> {
            System.out.println("Hello World!");
        });
        btn.setOnMouseEntered((MouseEvent e) -> {
            System.out.println("Hello Mouse!");
        });
        btn.setLayoutY(50);
        
        TextField txt = new TextField("Say something.");
        txt.setOnAction( 
            (ActionEvent e) -> {
                String s=((TextField)e.getSource()).getText();
                System.out.println("You wrote:"+s); }
        );
        txt.setLayoutY(100);
        
        Rectangle square=new Rectangle();
        square.setHeight(10); square.setWidth(10);
        square.setLayoutY(150);    //square.alebo setY(150)
        
        Pane root = new Pane();
        root.getChildren().add(lab);
        root.getChildren().add(btn);
        root.getChildren().add(txt);
        root.getChildren().add(square);
        
        Scene scene = new Scene(root, 300, 250);
        
        primaryStage.setTitle("Hello World!");
        primaryStage.setScene(scene);
        primaryStage.show();
    }

    public static void main(String[] args) {
        launch(args);
    }
    
}

Cvičenia 18

Opakovanie

Ako prvé odporúčame prejsť predchádzajúce cvičenia a dorobiť príklady, ktoré ste nestihli

JavaFX

Vytvorte aplikáciu, ktorá bude mať jeden gombík a bude do konzolového okna vypisovať, koľký krát bol gombík stlačený.
- Ako by ste rozlíšili rôzne typy stlačení - myšou/klávesnicou

Vytvorte aplikáciu s 3 gombíkmi. Ak zistíte, že sa zobrazé iba jeden z nich alebo im neviete meniť súradnice, máte vybratý príliš "múdry" základný panel.
- Riešením je použiť pre panel root triedu Pane (ako to bolo aj na prednáške). Rôzne múdrejšie typy panelov budú na budúcej prednáške.

Vytvorte aplikáciu, ktorá bude mať tri gombíky s popiskami 1,2 a 3. Do konzolového okna bude vypisovať číslo gombíku, ktorý bol stlačený.
- Použite iba jeden EventHandler, ktorý čaká na ľubovoľnú udalosť stlačenia gombíka.
- Skúste urobiť aplikáciu všeobecne -- s N gombíkmi (kde N načítate z konzoly alebo zo súboru)

Skúste, ako môžete meniť polohu a veľkosť prvkov v okne. Vytvorte aplikáciu, ktorá vytvorí v okne veľkosti 500x500 gombík veľkosti 20x20 v strede.
- Ak kliknete na gombík bude sa gombík postupne zvačšovať (použite metódu btn.getPrefSize()).
- Skúste pomocou šípok meniť polohu gombíka.

Cvičenia 19

Na začiatku cvičenia riešte individuálne rozcvičku zadanú na testovači. Potom riešte ďalšie príklady z tohto cvičenia, ktoré nie sú bodované.

Malé aplikácie

Vytvorte aplikáciu, v ktorej zadáte do textového poľa uhol v stupňoch a vypíše do vedľajšieho textového poľa hodnotu v radiánoch.
Vytvorte aplikáciu na prepočet CZK na EUR a naopak.

Prednáška 31

Event driven programming

Občas (často) sa program dostáva do situácie, kedy musí čakať na niečo zvonku - kým používateľ zadá vstup, kým niekto niekam klikne ..
V zásade sú dva možné prístupy, čo v takejto situácii robiť:
- Jednou možnosťou je aktívne čakanie na udalosť. Môžeme si to predstaviť ako cyklus while (!udalost) { skontrolujUdalost(); }
  - Možno si spomínate na Oslíka v Shrekovi - presne takto sa chová takýto program.
  - Je to však trochu mrhanie časom a výkonom, najmä u programov, kde sa očakáva časté a dlhé čakanie (napríklad rôzne GUI)
- Preto sa v takýchto situáciách používa Event driven programming (programovanie riadené udalosťami)
  - Na rozdiel od predchádzajúceho povie program operačnému systému, že si ide pospať a keby sa náhodou niečo stalo, že ho má zobudiť.
  - Spôsobí to však dosť odlišný spôsob programovania, ako sme boli zvyknutí. Program prestáva byť súvislou postupnosťou kódu, ale rozpadá sa na kúsky, ktoré sa (jeden alebo aj viac z nich) vykonajú, keď nastane nejaká udalosť.
  - Viac o tomto spôsobe sa dočítate napr. tu

Ako vlastne fungujú Eventy všeobecne

Event je vlastne akcia, ktorú niekto vyvolá a niekto iný zkonzumuje

V prípade kliknutia na gombík tento gombík vyvolá MouseEvent
Potrebujeme teda niekoho, kto tento Event spracuje -- obvykle EventHandler čakajúci na konkrétny typ Eventu

Ukážeme si jednoduchšiu (nie JavaFX) aplikáciu, kde Eventy využijeme

Budeme mať vlastný nový typ Eventu, ktorý bude vedieť zdroj (kto ho vyvolal) a ešte String what
- Konštruktory objektu volajú všeobecný Event
- Okrem toho vie Event oznámiť aj String what

class myEv extends Event{
    private String what;
    public myEv(Object source){ 
        super(source,NULL_SOURCE_TARGET,new EventType("myEv"));      
    }
    myEv(Object source, String s){ super(source,NULL_SOURCE_TARGET,new EventType("myEv")); what=s;}
    public String getWhat(){ return what; }
}

Na spracovávanie Eventov si vytvoríme triedu, ktorá implementuje všeobecný EventHandler na náš nový typ Eventov
- EventHandler potrebuje implementovať jedinú metódu handle s parametrom -- Event typu ktoré má spracovávať
- Vidíme, že môžeme využívať špecifické metódy myEv (getWhat) ako aj metódy podedené od Eventu (getSource)

class myHandler implements EventHandler<myEv> {
    @Override public void handle(myEv ev) {
        System.out.println("I handle event: "+ ev.getWhat()+ " from "+ ((mySender)ev.getSource()).getName());
    } 
}

Keď už máme Eventy aj niekoho, kto ich vie spracovať, potrebujeme ich ešte na niekom vytvárať (ako je napr. gombík) -- v našom prípade mySender
- Ten niekto by mal vedieť robiť setOnAction (aby sme vedeli pridať niekoho čakajúceho na akciu)
- Okrem toho musí vlastne aj spôsobovať akciu -- makeAction (toto v JavaFX robí za nás aplikácia resp. používateľ, ktorý kliká myšou, navyše je to spracovávanie výrazne zložitejšie)
- Okrem toho si samotný Sender bude pamätať tých, ktorým oznámi, keď je nejaká akcia, počas ktorej vznikne Event (tu makeAction)

class mySender {
    private String name;
    private ArrayList<EventHandler<myEv>> myActionListeners=new ArrayList<>();
    
    mySender(String s){ name=s; }
    public String getName(){
        return name;
    }
    void setOnAction(EventHandler<myEv> h){
        myActionListeners.add(h);
    }
    void makeAction(){
        myEv ev= new myEv(this, "Hello");
        for (EventHandler<myEv> h: myActionListeners){
            h.handle(ev);
        }
    }
}

Teraz môžeme celé spracovávanie Eventov spustiť
- V main si vytvoríme Sendera, pridáme mu niekoho, kto na neho čaká a vyvoláme na ňom akciu
- Prípadne môžeme Handlera vytvoriť aj ako anonymnú triedu, prípadne ich vytvoriť viac...

public static void main(String[] args) {
        mySender A=new mySender("A");
        A.setOnAction(new myHandler());
        A.setOnAction(new EventHandler<myEv>(){
            @Override
            public void handle(myEv ev) {                
                System.out.println("I also handle event: "+ ev.getWhat());
            }
        });
        A.makeAction();
    }

Vidíme, že sa to podobá na kód, ktorý pri vytvárame pri JavaFX aplikácii
- Button je vlastne náš Sender -- má svoje meno, vieme na ňom zavolať metódy setOn..., ktoré majú ako parameter niekoho, kto vie spracovať udalosť daného typu
- Jediný rozdiel je, že vyvolanie akcie musíme urobiť my
Ešte sme nezapojili poslednú zaujímavú vlastnosť Eventov, ich konzumáciu
- Event má metódy consume() a isConsumed(), ktoré určujú, či ešte udalosť existuje a potrebené ju ďalej spracovávať
- V našom príklade si môžeme túto skutočnosť odsimulovať v metóde makeAction, kde cyklus ukončíme keď nám udalosť niekto zkonzumuje
- A zabezpečíme, že ju niekto zkonzumuje (myHandler v metóde handle zavolá ev.consume())
- Vidíme, že k druhému čakateľovi na udalosť sa už táto udalosť nedostane (opäť je to v JavaFX zložitejšie)

class myHandler implements EventHandler<myEv> {
    @Override public void handle(myEv ev) {
        System.out.println("I handle event: "+ ev.getWhat()+ " from "+ ((mySender)ev.getSource()).getName());
        ev.consume();
    } 
}

class mySender {
...
    void makeAction(){
        myEv ev= new myEv(this, "Hello");
        for (EventHandler<myEv> h: myActionListeners){
            h.handle(ev);
            //if (ev.isConsumed()) break;
        }
    }
}

EventHandlery v JavaFX

Doteraz sme akciu na ktorú má prvok reagovať zapisovali nasledovne:

btn.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>() {
    @Override public void handle(ActionEvent event) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
});

Pozrime sa teraz poriadnejšie na to, čo to vlastne znamená

Akciu, ktorá sa vykonala na gombíku (v tomto prípade) má niekto spracovať. Ten niekto je nejaký EventHandler, ktorý má typový parameter ActionEvent (teda vie spracovávať ActionEvent)
Mohli by sme to teda zapísať nasledovne (až na to, že trieda EventHandler<> je abstraktná a teda nemá implementované niektoré svoje metódy)

EventHandler<ActionEvent> niekto= new EventHandler<ActionEvent>(); 
btn.setOnAction(niekto);

Takže na to, aby sme mohli vytvoriť niekoho typu EventHandler<> , musíme doimplementovať niektoré metódy (v našom prípade metódu handle(ActionEvent event)

EventHandler<ActionEvent> niekto= new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) {
        ...    
    }        
};
btn2.setOnAction(niekto);

Vytvorili sme tým vlastne anonymnú triedu a jej inštanciu.
Ďalšia možnosť je, že túto triedu budeme používať častejšie - viacero prvkov bude mať podobnú reakciu, ale závislú napríklad od typu prvku alebo inej okolnosti. Potom môžeme vytvoriť triedu konkrétnu a použiť ju (či už jej anonymnú alebo pomenovanú inštanciu).

class PrintIt implements EventHandler<ActionEvent> {
    String s;
    PrintIt(String str) { s = str; }
    @Override public void handle(ActionEvent ev) { System.out.println(s); }
}

...

btn1.setOnAction(new PrintIt("Hello")); // anonymná inštancia

PrintIt niekto=new PrintIt("Hello");    // pomenovaná inštancia
btn2.setOnAction(niekto);

Ako parameter môžeme konštruktoru triedy PrintIt dať aj napr. objekt, ktorý ho zavolá (alebo vhodnú nadtriedu, aby zahŕňala všetky potenciálne objekty), ktoré ju môžu skúšať volať (napr. trieda Node)

Trochu väčší problém je v prípade, kedy chceme nastaviť viacero akcii na ten istý prvok a majú všetci reagovať na tú istú udalosť. V našom neJavaFXovom príklade nám tomu nič nebránilo. Skúsme teda spraviť to isté. Čo sa stané, ak klikneme teraz na gombík btn?

btn.setOnAction((ActionEvent event) -> { System.out.println("ahoj"); }); 
btn.setOnAction((ActionEvent event) -> { System.out.println("hello"); });

Ako vidíme, vykonala sa iba jedna z akcií (tá posledne pridaná). Ak by sme chceli aby sa vykonali obe, potrebujeme minimálne namiesto druhého setOnAction (kľudne môžeme aj obidvom) použiť metódu addEventHandler nasledovne

btn.setOnAction((ActionEvent event) -> { System.out.println("ahoj"); }); 
btn.addEventHandler(ActionEvent.ACTION, (ActionEvent event) -> { System.out.println("hello"); });

Posielanie Eventov v JavaFX aplikácii

Pozrieme sa, čo sa stane, ak na obrazovke máme viacero prvkov, ktoré môžu chcieť spracovať jednu udalosť.
Na začiatok si vezmeme jeden obdlždnik na paneli. Oba sú schopné spracovať udalosť typu MouseEvent.
- Prvý udalosť dostane obdĺždnik a spracuje ju.
- Ak tento udalosť nezkonzumoval, dostane sa aj k panelu, ktorý ju tiež môže spracovať.
Zaujímavejšie to začne byť, keď na paneli máme dva obdlždniky. Pokiaľ sa neprekrývajú nič sa nemení. Takže si vytvoríme dva, ktoré sa prekrývajú.

@Override public void start(Stage primaryStage) {
    Pane root = new Pane();
    Scene scene = new Scene(root, 300, 250);

    Rectangle r1=new Rectangle();
    r1.setX(0); r1.setY(0); r1.setWidth(100); r1.setHeight(100); r1.setFill(Color.BLUE);
    r1.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
        @Override public void handle(MouseEvent event) {
            System.out.println("R1");
        }
    });
        
    Rectangle r2=new Rectangle();
    r2.setX(50); r2.setY(50); r2.setWidth(100); r2.setHeight(100); r2.setFill(Color.RED);
    r2.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
        @Override public void handle(MouseEvent event) {
            System.out.println("R2");
        }
    });
        

    root.getChildren().addAll(r1,r2);
    root.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
        @Override public void handle(MouseEvent event) {
            System.out.println("Root");
        }
    });

    primaryStage.setScene(scene);
    primaryStage.show();
}

Vidíme, že ak objekt je na jednej úrovni s niekým ďalším tak udalosť dostane iba ten, koho je vidno (to je aj vysvetlenie, prečo to tak fungovalo pre 2 gombíky cez seba).
Špeciálnym prípadom je však panel. Keď na základaný panel (v našom prípade root) umiestnime ďalší prázdny panel typu Pane, zistíme, že jeho reakcia na udalosť sa nikdy nezavolá. Je to preto, že tento panel (keďže je prázdny) má nulovú veľkosť. Umiestnime naň teda obdĺždnik.

...
    Rectangle r3=new Rectangle();
    r3.setX(70); r3.setY(70); r3.setWidth(50); r3.setHeight(50); r3.setFill(Color.YELLOW);
    r3.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
        @Override public void handle(MouseEvent event) {
            System.out.println("R3");
        }
    });

    Pane panel=new Pane();
    panel.getChildren().add(r3);
    panel.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
        @Override public void handle(MouseEvent event) {
             System.out.println("Panel");
        }
    });

    root.getChildren().addAll(r1,r2,panel);
...

Panel má teraz veľkosť po pravý dolný roh r3. Môžeme vyskúšať ktoré spracovanie udalosti kde nastane.
Vyskúšajte si, čo sa stane, keď jednotlivé objekty udalosť zkonzumujú. A čo keď niekto udalosť spracovávať nebude?

Zhrnutie

Ako teda funguje spracovanie udalostí?

Najprv sa zistí, komu bola asi udalosť určená. Bude to objekt, ktorý je na obrazovke reálne vidieť (t.j. je úplne navrchu v mieste, kde udalosť vznikla).
Od tohto objektu sa zkonštruuje cesta, koho všetkého môže udalosť zaujímať. Prvý je samotný "zastihnutý" objekt O, potom objekt, medzi ktorého deti O patrí, atď.
Po tejto ceste sa bude udalosť pohybovať a spracovávať (ak ju jednotlivé objekty na ceste chcú), kým nebude zkonzumovaná alebo nedosiahne primaryStage.
Do tohto procesu môžu ešte vstupúovať filtre, ale o tých sa v tomto krátkom prehľade o JaveFX venovať nebudeme.

Dizajn aplikácie

Keď chceme, aby aplikácia nemala iba napevno nastavenú veľkosť okna a na čomkoľvek inom vyzerala strašne, nemôžeme súradnice prvkov nastavovať napevno, ale musíme im dať nejaké pravidlá
Na to slúžia rôzne panely, ktoré prvky umiestňujú
Tieto panely je bežne vhodné kombinovať a až na túto "vrstvu" panelov umiestniť konkrétne ovládacie prvky

Layouty

Pane - všeobecný panel, kde môžeme prvkom nastaviť súradnice
BorderPane - bežne sa používa ako základný panel, prvky sa rozmiestňujú do 5 regiónov (center, top, bottom, left, right)
HBox/VBox - umiestňuje prvky horizontálne resp. vertikálne (za seba resp. pod seba)
StackPane - umiestňuje prvky na seba (vhodné, keď chceme vytvoriť štvorček s popisom s grafikou a ešte niečím)
GridPane - umiestňuje prvky do mriežky (t.j. pri pridaní prvku povieme do ktorého políčka mriežky prvok pridať)
FlowPane - umiestňuje prvky za seba tak, aby sa zmestili do priestoru vuhradenému panelu (prvky pri zmene veľkosti panelu môžu plávať)
TilePane - niečo medzi FlowPane a GridPane - umiestňuje do mriežky ale postupne (môžeme nastaviť preferovaný počet riadkov/stĺpcov)
AnchorPane - umožňuje prvky ukotviť na určitú pozíciu na paneli (napr. 10px od okraja a pod.)

@Override public void start(Stage primaryStage) {        
    BorderPane root = new BorderPane();        
    HBox hpanel= new HBox();    
    hpanel.setStyle("-fx-background-color: black;");
    VBox vpanel=new VBox();
    vpanel.setStyle("-fx-background-color: green;");
    GridPane gridpanel=new GridPane();
    gridpanel.setStyle("-fx-background-color: blue;");
    FlowPane flowpanel=new FlowPane();
    flowpanel.setStyle("-fx-background-color: red;");
    AnchorPane anchorpanel=new AnchorPane();
    anchorpanel.setStyle("-fx-background-color: yellow;");

    root.setCenter(flowpanel);
    root.setTop(hpanel);
    root.setLeft(vpanel);
    root.setRight(gridpanel);
    root.setBottom(anchorpanel);

    Button btn1=new Button("1");
    btn1.setMinHeight(50);
    Button btn2=new Button("2");
    Button btn3=new Button("3");
    btn3.setMinHeight(40);
    btn3.setMinWidth(150);
    Button btn4=new Button("4");
    Button btn5=new Button("5");
    Button btn6=new Button("6");
    Button btn7=new Button("7");
    btn7.setMinSize(40,40);
    Button btn8=new Button("8");
    btn8.setMinSize(50, 50);
    Button btn9=new Button("9");
    btn9.setMinWidth(100);
    Button btn10=new Button("10");
    btn10.setMinSize(300, 30);
    Button btn11=new Button("11");

    hpanel.getChildren().addAll(btn1,btn2);
    vpanel.getChildren().addAll(btn3,btn4,btn5);
    gridpanel.add(btn6, 1,0);
    gridpanel.add(btn7, 0,1);
    flowpanel.getChildren().addAll(btn8,btn9,btn10);
    anchorpanel.getChildren().add(btn11);
    AnchorPane.setLeftAnchor(btn11, 10.0);
    AnchorPane.setTopAnchor(btn11, 10.0);
    Scene scene = new Scene(root);

    primaryStage.setTitle("Layouts");
    primaryStage.setScene(scene);
    primaryStage.show();
}

Použitie statických metód v layoutoch (a inde)

Pri používaní AnchorPane (ale je to možné aj v iných paneloch, ale nebolo to potrebné) sme použili zaujímavú vec

AnchorPane.setLeftAnchor(btn11, 10.0);

V podstate, keď si to uvedomíme, my nepracujeme so žiadnym konkrétnym AnchorPane, ale napriek tomu nastavujeme gombíku nejakú jeho vlastnosť na nejakom paneli
- jedná sa o statickú metódu triedy AnchorPane, ktorá nastaví gombíku nejakú vlastnosť, ktorú pri umiestnení na AnchorPane bude využívať
- keby sme rovnakú vlastnosť nastavili gombíku, ktorý napokon neumiestnime na AnchorPane, nič sa nestane, lebo túto vlastnosť si nikto iný nevyžiada
- podobne pre GridPane existujú metódy, ktoré nastavia gombíku preferovaný stĺpec bez toho, aby sme vedeli, na ktorom konkrétnom paneli sa nachádza
Statické metódy sme videli (okrem využívania na začiatku semestra, kedy sme ich používali aby sme sa vyhli objektom) napríklad pri parsovaní zo stringu
- Integer.parseInt(s) - vidíme, že sa jedná o metódu triedy Integer

Zhrnutie základov JavyFX

Ako príklad, čo všetko už s našimi znalosťami dokážeme vytvoriť je aplikácia na vykresľovanie grafických objektov a práca s nimi

Už vieme, že trieda Node obsahuje aj podtriedy pre geometrické útvary
Nič nám však nebráni urobiť si vlastný objekt, ktorý bude rozšírením niektorého už existujúceho objektu. Napríklad červený štvorček.
Štvorčeky potom môžeme jednoducho vytvárať a umiestňovať na panel.

class MyRedSquare extends Rectangle {
    MyRedSquare(){ this(10); }
    MyRedSquare(int size){
        super();
        this.setFill(Color.RED);
        this.setHeight(size);
        this.setWidth(size);
    }
    MyRedSquare(int size, int x, int y){
        this(size);
        this.setX(x);
        this.setY(y);
    }
}

Práca s vykreslenými objektami

Aby sme vedeli s vykreslenými objektami nejako pracovať potrebujeme im pridať akcie. Objekty typu Shape majú zdedené od Node niekoľko udalostí na prácu s myšou.
Môžeme teda štvorčeku nastaviť, že ak na ňom klikneme myšou, zväčší sa

MyRedSquare square=new MyRedSquare(10,10,10);

square.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
    @Override public void handle(MouseEvent event) {
         square.setHeight(square.getHeight()+10);
         square.setWidth(square.getWidth()+10);
    }
});

Samozrejme takto môžeme štvorčeku nastaviť viacero reakcií na rôzne udalosti.
Keďže už máme vlastnú triedu štvorček, môže sa nám hodiť, ak funkciu na zmenu štvorčeka po kliknutí urobíme jednou jeho vlastnou metódou -- napríklad changeSquare()
- Okrem toho sme štvorčeku pridali aj farbu, ktorú pri každom kliknutí meníme (striedame červenú a modrú)
- Potom pri odlišnej reakcii zmeníme iba metódu changeSquare

class MyRedSquare extends Rectangle {
    Color col=Color.RED;
    MyRedSquare(){ this(10); }
    MyRedSquare(int size){
        super();
        this.setFill(col); this.setHeight(size); this.setWidth(size);
    }
    MyRedSquare(int size, int x, int y){
        this(size);
        this.setX(x);
        this.setY(y);
    }
    public void changeSquare(){
        this.setHeight(this.getHeight()+10);
        this.setWidth(this.getWidth()+10);
        if (col==Color.RED) col=Color.BLUE;
        else col=Color.RED;
        this.setFill(col);
    }
}

...
MyRedSquare square=new MyRedSquare(10,10,10);
       
square.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
    @Override public void handle(MouseEvent event) { square.changeSquare(); }
});
...

Skúsime pridať do programu ďalšiu udalosť -- ak klikneme na plochu mimo štvorčeka, štvorček sa presunie na danú pozíciu.
Zjavne udalosť kliknutia by mala teda vedieť spracovávať aj Pane.
- Pridáme teda pane.setOnMouseClicked() s príslušnou reakciou na kliknutie na plochu
- Čo sa teraz stane, keď klikneme na plochu?
- A čo sa stane keď klikneme na štvorček? Vidíme, že sa štvorček aj posunul a teda, že udalosť sa dostala až k panelu. Potrebujeme udalosť zastaviť!
Výsledná metóda start teda bude vyzerať nasledovne:

@Override public void start(Stage primaryStage) {
    Pane pane = new Pane();
       
    MyRedSquare square=new MyRedSquare(10,10,10);
    square.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
        @Override public void handle(MouseEvent event) {
            square.changeSquare();
            event.consume();
        }
    });
    pane.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
        @Override public void handle(MouseEvent event) {
            square.setX(event.getX());
            square.setY(event.getY());
        }
    });
    pane.getChildren().add(square);
        
    Scene scene = new Scene(pane, 300, 250);
    primaryStage.setTitle("Hello World!");
    primaryStage.setScene(scene);
    primaryStage.show();
}

Viacero vykreslených objektov

Môžeme si vytvoriť celé pole červených štvorčekov a všetky ich vykresliť na panel.
- K tomu potrebujeme ArrayList<MyRedSquare> squares=new ArrayList<>();
- Každý štvorček vytvoriť for (int i=0; i<10; i++){ squares.add(new MyRedSquare(10,20*i,20*i));}
- Každý štvorček pridať na panel for (int i=0; i<10; i++){ pane.getChildren().add(squares.get(i));}
- Každému štvorčeku pridať spracovávanie udalosti. Alebo spracovávanie udalosti pridať priamo v konštruktore triedy MyRedSquare
Samozrejme v prípade, že máme objektov viac ja potrebné pri akcii myši rozmýšľať, ktorého objektu sa akcia má týkať.
- Toto za nás rieši to, že na udalosť čaká každý z objektov
Tiež však potrebujeme rozhodovať, ktorý objekt sa posunie, ak sa akcia vykoná na paneli.
Jednoduchým rozšírením vieme napríklad dosiahnuť iba jeden (alebo žiadny) vybraný prvok, s ktorým môžeme potom niečo robiť (vypísať jeho vlastnosti, vymazať...

Vlastné dialógy

Pre zložité dialógy si môžeme vytvoriť vlastný Stage, na ktorý umiestnime scénu, panel a pracujeme s ním ako s úvodným oknom aplikácie
Samozrejme si môžeme Stage aj rozšíriť a vytvoriť si vlastnú triedu, ktorá vie niečo naviac (napríklad má nejaké premenné navyše)
Doležité je nezabudnúť nastaviť Modalitu a vedieť sa vyrovnať s tým, že používateľ mohol okno zavrieť bez zadania (korektného) výsledku

Stage dialog = new Stage();
dialog.initStyle(StageStyle.UTILITY);
dialog.initModality(Modality.APPLICATION_MODAL);
TilePane pan=new TilePane();
Scene sc = new Scene(pan);

TextField rText= new TextField();
TextField gText= new TextField();
TextField bText= new TextField();
Label rLabel=new Label("Red 0.0-1.0: ");
Label gLabel=new Label("Green 0.0-1.0: ");
Label bLabel=new Label("Blue 0.0-1.0: ");
Button ok=new Button("OK");

ok.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override
    public void handle(ActionEvent event) {
        try {
            double r =Double.parseDouble(rText.getText());
            double g =Double.parseDouble(gText.getText());
            double b =Double.parseDouble(bText.getText());
            if (r>=0 && g>=0 && b>=0 && r<=1 && g<=1 && b<=1){
                rect.setFill(new Color(r,g,b,1));
                dialog.close();    
            }
        }
        catch (Exception e){
            System.err.println("ERR:NekorektnaFarba");
        }                        
    }
});

pan.setPrefColumns(2);
pan.getChildren().addAll(rLabel,rText,gLabel, gText,bLabel,bText,ok);
dialog.setScene(sc);
dialog.showAndWait();

Program vykresľovanie

package javafxapplication1;

import java.util.ArrayList;
import javafx.application.Application;
import javafx.event.EventHandler;
import javafx.scene.Scene;
import javafx.scene.input.MouseEvent;
import javafx.scene.layout.*;
import javafx.scene.paint.Color;
import javafx.scene.shape.Rectangle;
import javafx.stage.Stage;

public class JavaFXApplication1 extends Application {

    MyRedSquare current=null;

class MyRedSquare extends Rectangle {
    Color col=Color.RED;
    
    MyRedSquare(double size){
        super();
        this.setFill(col);
        this.setHeight(size); this.setWidth(size);
        MyRedSquare sq=this;
        setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
           @Override
           public void handle(MouseEvent event) {
               sq.setCurrent();
               event.consume();
           }
        });
    }
    
    MyRedSquare(){ this(10); }
    MyRedSquare(double size, double x, double y){ this(size); this.setX(x);  this.setY(y); }
    
    public void changeColor(Color c){
       col=c;  this.setFill(col); 
    }
    
    public void setCurrent(){
        if (current!=null) { current.changeColor(Color.RED); }
        
        if (current==this) { current=null; }
        else { 
            this.changeColor(Color.BLUE);
            current=this;
        }        
    }
}
    
    @Override
    public void start(Stage primaryStage) {
        
        ArrayList<MyRedSquare> squares=new ArrayList<>();
       
        Pane pane = new Pane();
        pane.setOnMouseClicked(new EventHandler<MouseEvent>(){
            @Override
            public void handle(MouseEvent event) {
                if (current!=null){
                    current.setX(event.getX());
                    current.setY(event.getY());
                }
                else {
                   MyRedSquare newsq=new MyRedSquare(10,event.getX(),event.getY());
                   squares.add(newsq);
                   pane.getChildren().add(newsq);
                   newsq.setCurrent();
                }
            }
        });
       
        Scene scene = new Scene(pane, 300, 250);
        primaryStage.setTitle("My Squares");
        primaryStage.setScene(scene);
        primaryStage.show();
    }

    public static void main(String[] args) {
        launch(args);
    }    
}

Cvičenia 20

Viacero EventHandlerov na rovnakom prvku čakajúcich na rovnaký Event

Pozrite si nasledovný príklad - čo sa stane, ak klikneme na gombík btn?

btn.setOnAction((ActionEvent event) -> { System.out.println("ahoj"); }); 
btn.setOnAction((ActionEvent event) -> { System.out.println("hello"); });

Upravte príklad tak, aby sa choval očakávateľne. Použite metódu addEventHandler s typom Eventu ActionEvent.ACTION

Dizajn aplikácie

Urobte v hlavnom okne 10 gombíkov, z ktorých každý bude vypisovať svoje číslo. Skúste urobiť v rôznych layoutoch (napr. Border, VBox, HBox, Flow, Grid), aby ste videli, ako sa gombíky umiestňujú.
- Vyskúšajte úlohu aj všeobecne (t.j. bez použitia 10 konkrétnych premenných typu Button).

Pridávanie prvkov počas aplikácie

Vytvorte aplikáciu, ktorá bude mať 2 časti. Prvá bude obsahovať iba jeden gombík "Pridaj", druhá bude panel, na ktorý budeme postupne pridávať prvky. Vyskúšajte si pridávanie nasledujúcich prvkov (vždy iba jeden typ prvkov naraz):
- Buttony -- s každým stlačením gombíka "Pridaj" pribudne jeden gombík s postupne rastúcimi číslami. Každý z gombíkov pri stlačení vypisuje svoje číslo
- Červené štvorčeky s popiskom s postupne rastúcimi číslami (použite StackPane)
Vyskúšajte prvky pridávať na rôzne typy panelov.

Prednáška 32

Oznamy

DÚ9 do štvrtka 26.4. do 22:00
Java FX sa týka aj nepovinný projekt za bonusové body do výšky 10% známky. Na projekt si vyberte jednu zo štyroch ponúkaných tém. Svoj výber oznámte do 2.5. na testovači. Samotný projekt sa bude odovzdávať v prvom týždni skúškového, termín oznámime.

Zložitejšie prvky v JavaFX

Pozrieme sa na niektoré vybrané prvky, ktoré sa zaujímavejšie alebo komplikovanejšie chovajú.
Skúsime jednotlivé prvky použiť na jedno spoločné zadanie - výber farby z vymedzeného zoznamu (pôvodne čierna, možnosti červená, modrá, zelená, príp. žltá)

Pane root = new Pane();
Rectangle rect=new Rectangle();
rect.setFill(Color.BLACK);

TextField

Na prvej prednáške sme videli TextField. Vieme, že jeho akcia je zmena textu a Enter.
Takže ako môžeme vybrať farbu? Najjednoduchšie je niekam napísať zoznam farieb a očakávať číslo, podľa ktorého hodnotu nastavíme.
- Pre poriadok by bolo dobré nejakým spôsobom reagovať aj na prípady, kedy sme nedali korektnú hodnotu a používateľovi to oznámiť. Ako by sme to robili?

Label lab0=new Label("0 Black"); lab0.setLayoutY(0);
Label lab1=new Label("1 Red");   lab1.setLayoutY(30);
Label lab2=new Label("2 Green"); lab2.setLayoutY(60);
Label lab3=new Label("3 Blue");  lab3.setLayoutY(90);
TextField tf=new TextField("0"); tf.setLayoutY(120); 
       
tf.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>() {           
    @Override public void handle(ActionEvent event) {
        try {
            switch (Integer.parseInt(tf.getText())) {
                case 0: rect.setFill(Color.BLACK); break;
                case 1: rect.setFill(Color.RED); break;
                case 2: rect.setFill(Color.GREEN); break;
                case 3: rect.setFill(Color.BLUE); break;
            }
        } catch (Exception e){}
    }
});

root.getChildren().addAll(rect,tf,lab0,lab1,lab2,lab3);

Bežnou súčasťou GUI býva Menu. Či už vo forme hlavného menu, v hornej časti alebo vo forme vyskakovacieho menu.
Každé Menu sa skladá z prvkov, ktoré sú buď priamo prvky menu (MenuItem) alebo ďalšie Menu.
Na každý z prvkov pochopiteľne môžeme umiestniť EventHandler, ktorý čaká na stlačenie konkrétnej položky (pri stlačení Menu sa toto rozbalí)
Okrem toho celé Menu môže byť umiestnené v MenuBar, čo je vlastne lišta obsahujúca niekoľko prvkov menu (klasicky v GUI býva File, Edit...)
Skúsime si premyslieť, ako by naše menu mohlo vyzerať

Color (Menu)--- Red (MenuItem)
             | 
             |- Green (MenuItem)
             |
             |- Blue (MenuItem)
             |
             -- Other (Menu) --- Black (MenuItem)

Celé to ešte dáme do MenuBaru, ktorý umiestnime do ľavého horného rohu obrazovky
Pri kliknutí na MenuItem sa zmení farba nášho štvorčeka podľa vybranej položky

MenuBar menuBar = new MenuBar();

Menu menu1 = new Menu("Color");
menuBar.getMenus().add(menu1);

MenuItem menu11 = new MenuItem("Red");
menu11.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) { rect.setFill(Color.RED);}
});
MenuItem menu12 = new MenuItem("Green");
menu12.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) { rect.setFill(Color.GREEN);}
});
MenuItem menu13 = new MenuItem("Blue");
menu13.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) { rect.setFill(Color.BLUE);}
});
Menu menu14=new Menu("Others");
MenuItem menu141 = new MenuItem("Black");
menu141.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) { rect.setFill(Color.BLACK);}
});
menu14.getItems().add(menu141);
menu1.getItems().addAll(menu11,menu12,menu13,menu14);
root.getChildren().addAll(rect,menuBar);

Miernou obmenou môžeme rovnaké menu vytvoriť aj pri kliknutí na plochu
- Pochopiteľne nepotrebujeme MenuBar a menu1 (Color) nebude typu Menu ale ContextMenu
- Jeho vytvorenie zabezpečíme v metóde handle pri kliknutí myšou na plochu pomocou metódy show
  - menu1.show(root, event.getScreenX(), event.getScreenY());

Radio Buttony

Bežný spôsob ako vybrať jednu z niekoľkých možností je stlačenie jedného z niekoľkých gombíkov
My si tu ukážeme špeciálne RadioButton, ktorý má dva základné stavy - označený a neoznačený
Urobíme teda niekoľko RadioButtonov, ktoré reprezentujú farby, ktoré môže štvorček mať
Pri stlačení iného sa zmení farba štvorčeka
- Pozor, musíme zároveň odznačiť ten, čo bol označený
- Treba si premyslieť, čo sa stane, ak nebude označený žiaden - napríklad bude štvorček čierny (alebo odznačenie nedovolíme)

RadioButton rb1= new RadioButton("Red");
RadioButton rb2= new RadioButton("Blue");
RadioButton rb3= new RadioButton("Green");
rb1.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) { 
        if (rb1.isSelected()) {
            rect.setFill(Color.RED);
            rb2.setSelected(false); rb3.setSelected(false);
        } 
        else rect.setFill(Color.BLACK);
    }
});
rb2.setLayoutX(100);
rb2.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) { 
        if (rb2.isSelected()) {
            rect.setFill(Color.BLUE);
            rb1.setSelected(false); rb3.setSelected(false);
        } 
        else rect.setFill(Color.BLACK);
    }
});
rb3.setLayoutX(200);
rb3.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) { 
        if (rb3.isSelected()) {
            rect.setFill(Color.GREEN);
            rb2.setSelected(false); rb1.setSelected(false);
        } 
        else rect.setFill(Color.BLACK);
    }
});

root.getChildren().addAll(rect, rb1, rb2, rb3);

Vidíme, že takto spravovať viacero gombíkov môže byť vcelku otravné.
Keď teda chceme, aby používateľ musel vždy mať vybratú práve jednu možnosť z gombíkov použijeme ToggleGroup
- final ToggleGroup group = new ToggleGroup();
- Ak potom všetky gombíky pridáme do tejto skupiny pomocou rb1.setToggleGroup(group); odklikávanie gombíkov manažuje systém

Zoznam a jeho selection model

Asi najkomplikovanejším prvkom, ktorým môžeme vybrať jeden z prvkov je zoznam
Samotný zoznam je objekt typu ListView, ktorý v konštruktore potrebuje vedieť čo bude zobrazovať (v podstate nejaký ArrayList)
- Mierny rozdiel je v tom, že ListView potrebuje taký ArrayList, ktorý umožní sledovať zmeny, ktoré nastanú
- Takýto ArrayList je pripravený v FXCollections (obdoba Collections pre JavaFX) a implementuje generické rozhranie ObservableList<>
- Konkrétna implementácia tohto rozhrania, ktorú budeme využívať je FXCollections.observableArrayList
- Má niekoľko konštruktorov, kde ako parameter môže byť nič, konkrétny zoznam alebo ArrayList toho istého typu
- Akákoľvek zmena, ktorá sa stane v ObservableList sa okamžite premietne aj do zobrazovaného zoznamu (čo môžeme využiť a počas behu napr. pridávať farby)

ObservableList<Color> data = FXCollections.observableArrayList(Color.BLACK, Color.RED, Color.GREEN, Color.BLUE);
ListView listView = new ListView(data);
listView.setMaxWidth(100);
listView.setMaxHeight(150);

Ďalšia špeciálna vlastnosť ListView je prístup k výberu - samotný ListView nevie, kto je vybratý
Na tieto účely má každý ListView svoj SelectionModel, ktorý si od neho vieme vypýtať pomocou metódy getSelectionModel()
SlectionModel (defaultne je nastavený tak, že vybraný môže byť jeden prvok, ale dá sa to zmeniť) vie pomocou svojich metód pracovať s výberom - upravovať resp. odovzdať
Vieme teda pomocou ListView nastaviť farbu a po stlačení gombíka na túto farbu zmeniť náš štvorček

Button btn=new Button("Change Color");
btn.setLayoutY(200);
btn.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) {
        Color col=(Color)listView.getSelectionModel().getSelectedItem();
        rect.setFill(col);
    }
});

root.getChildren().addAll(rect, listView, btn);

ChangeListenery

Pri zozname typu ListView a vlastne aj pri prvkoch typu RadioButton sme narazili (alebo mohli naraziť) na situáciu, kedy sme chceli zistiť, či nastala nejaká udalosť v celom prvku (resp. zoskupení prvkov)
- napríklad sme chceli niečo urobiť, keď sa zmenil vybraný prvok zoznamu (resp. vybraný RadioButton)
- pri skupine RadioButtonov sme to vedeli obísť, keď sme na každý samotný gombík dali EventHandler, pri zozname nemáme veľmi na čo pri prvkoch čakať - posunitie na ďalší prvok nemusí vzniknúť kliknutím používateľa
Na takéto situácie sa používajú tzv. Properties a ChangeListenery
- Property je vlastnosť, ktorá na nejakom prvku nastáva
- ChangeListener je niečo podobné ako EventHandler, len očakáva zmenenie vlastnosti, na ktorú je nasadený a zavolá svoju metódu changed()

group.selectedToggleProperty().addListener(new ChangeListener<Toggle>(){
    @Override public void changed(ObservableValue<? extends Toggle> observable, Toggle oldValue, Toggle newValue) {
            if (group.getSelectedToggle()==null) rect.setFill(Color.BLACK);
            else {
                if (newValue.equals(rb1)) rect.setFill(Color.RED);
                if (newValue.equals(rb2)) rect.setFill(Color.GREEN);
                if (newValue.equals(rb3)) rect.setFill(Color.BLUE);
            }
    }
});

Ešte dôležitejšie je to pri ListView, kde sa k tomu, že nastala zmena dostávame komplikovanejšie (nemusíme to zistiť z Eventov)
- Vlastnosť, ktorej zmenu očakávame je vlastne vlastnosť SelectionModelu (pripomínam, že ten pracuje s výberom prvkov a nie sám ListView)
- Ide o vlastnosť selectedItemProperty()

listView.getSelectionModel().selectedItemProperty().addListener(new ChangeListener<Color>(){
    @Override public void changed(ObservableValue<? extends Color> observable, Color oldValue, Color newValue) {
        if (newValue==null) rect.setFill(Color.BLACK);
        else rect.setFill(newValue);
    }
});

Vlastnosti majú aj iné prvky. Napríklad scene, ktoré tvorí vlastne základ nášho hlavného okna aplikácie má zaujímavé vlastnosti widthProperty a heightProperty.

Vďaka nastaveniu listenera na niektorú z týchto vlastností vieme reagovať keď sa nám zmení veľkosť okna.

scene.widthProperty().addListener(new ChangeListener<Number>() {
    @Override public void changed(ObservableValue<? extends Number> observableValue, Number oldSceneWidth, Number newSceneWidth) {
        System.out.println("Width: " + newSceneWidth);
    }
});
scene.heightProperty().addListener(new ChangeListener<Number>() {
    @Override public void changed(ObservableValue<? extends Number> observableValue, Number oldSceneHeight, Number newSceneHeight) {
        System.out.println("Height: " + newSceneHeight);
    }
});

Vlastnosť si môžete vhodne pripraviť nielen pre tieto prvky - môžete ju definovať aj pre svoju triedu
Viac o Properties a ich spracovaní môžete pozrieť tu
POZOR! v iných jazykoch (napríklad .NET) sú Properties niečo úplne iné

Viacoknové aplikácie

Často chceme v aplikácii zadávať niektoré údaje nie na hlavnom okne, ale bokom (v novom okne, ktoré nastaví konkrétnu hodnotu, ktorá nás trápi
Druhá možnosť prečo chceme druhé okno je nejaký oznam používateľovi (niečo sa nepodarilo, podarilo, iné..)
Máme niekoľko možností, ako takéto okno vytvoriť
- Pre špeciálne hodnoty, ktoré je bežné nastavovať existujú predpripravené dialógy (farba, súbor)
- Nájdeme si jednoduchý dialóg (informačný, warning, zadanie hodnoty), ktorý upravíme k obrayu svojmu
- Vytvoríme si niečo vlastné

Predpripravené dialógy

ColorPicker - je v podstate mierne upravený ComboBox, ktorý vie okrem už pripravených veľa farieb pridať aj výber vlastnej farby

final Rectangle rect=new Rectangle();
ColorPicker btn1=new ColorPicker(Color.BLACK);
btn1.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override public void handle(ActionEvent event) {
        rect.setFill(btn1.getValue());
    }
});

FileBrowser - je dialóg, ktorý ako výsledok odovzdá súbor, ktorý bol vybratý

FileChooser fileChooser = new FileChooser();
fileChooser.setTitle("Open Resource File");
String currentDir = System.getProperty("user.dir") + File.separator;
fileChooser.setInitialDirectory(new File(currentDir));
File file = fileChooser.showOpenDialog(primaryStage);
try {
    Scanner sc = new Scanner(file);
    ...                               //nacitanie farby
    rect.setFill(c);
    sc.close();
}
catch (Exception e){
    System.err.println("Neexistujuci alebo chybny subor!");
}

Jednoduché dialógy

Pozrieme sa aké jednoduché dialógy existujú a upravíme si ich (viac ukážok tu)
Ide o špeciálne triedy dialógov, ktoré sa očakáva, že sú jednoduchšie (a bežne používané)
Čo si treba vždy premyslieť je, čo ak používateľ nič nezadá (vedieť spracovať) a ako veľmi chceme nedovoliť pracovať zvyšku aplikácie kým je otvorený dialóg (tzv. Modalita) - z časti ovplyvníme tým, ako dialóg ukážeme
Keď ho máme vytvorený, ukážeme ho pomocou metódy showAndWait() alebo show() podľa toho, či vyžadujeme blokovanie zvyšku aplikácie
Výsledok dialógu môžeme získať pomocou Optional<> result = dialog.showAndWait();
- Typ v tejto generickej metóde závisí od typu dialógu a od toho, čo z neho môžeme chcieť vrátiť
- Pre alert obvykle gombík (resp. typ gombíka), ktorý bol stlačený, pre textový vstup to bude pochopiteľne zadaný vstup a pod.
- K výsledkom dialógu sa dostávame pomocou metód result.isPresent() a result.get()

Alert (informačný, upozorňovací a pod.)

Pri konštrukcii musíme zadať Alert.AlertType, ktorý hovorí o dizajne a prvkoch, ktoré sú defaultne na ňom
Môžeme mu pridať aj vlastné gombíky a tým rozšíriť možnosti, čo používateľ môže odpovedať

Alert alert = new Alert(AlertType.CONFIRMATION);
alert.setTitle("Alert Dialog");
alert.setHeaderText("What color do you want?");
alert.setContentText("Red?");
ButtonType buttonOK = new ButtonType("OK");
ButtonType buttonCancel = new ButtonType("Cancel");

alert.getButtonTypes().setAll(buttonOK, buttonCancel);
Optional<ButtonType> result = alert.showAndWait();
if (result.isPresent()&&result.get() == buttonOK){
    rect.setFill(Color.RED);
}
else {}

TextInputDialog

zadávanie textovej hodnoty (v podstate TextField s potvrdzovacím tlačidlom na vlastnom dialógu)
Pri konštrukcii môžeme zadať defaultnú hodnotu textového poľa na dialógu

TextInputDialog textin = new TextInputDialog();
textin.setTitle("TextInput");
textin.setHeaderText("Set the red value of the Rectangle Color:");
textin.setContentText("double value 0.0-1.0");

Optional<String> result = textin.showAndWait();
if (result.isPresent()){
    try {
        String str=result.get();
        ...                     //zisti farbu col zo str
        rect.setFill(col);
    } catch (Exception e){}
}

ChoiceDialog<>

výber z položiek zadaných ArrayListom
Pri konštrukcii zadáme ArrayList a defaultnú hodnotu

List<Color> choices = new ArrayList<>();   ...       //napln choices

ChoiceDialog<Color> dialog = new ChoiceDialog<>(Color.BLACK, choices);

dialog.setTitle("Choice Dialog");
dialog.setHeaderText("Look, a Choice Dialog");
dialog.setContentText("Choose your color:");

Optional<Color> result = dialog.showAndWait();
if (result.isPresent()){
    rect.setFill(result.get());
}

Všeobecný dialóg

dá sa aj všeobecný Dialog s niekoľkými výstupmi, ale už to asi nie je jednoduchý dialóg

Vlastné dialógy

Pre zložité dialógy si môžeme vytvoriť vlastný Stage, na ktorý umiestnime scénu, panel a pracujeme s ním ako s úvodným oknom aplikácie
Samozrejme si môžeme Stage aj rozšíriť a vytvoriť si vlastnú triedu, ktorá vie niečo naviac (napríklad má nejaké premenné navyše)
Doležité je nezabudnúť nastaviť Modalitu a vedieť sa vyrovnať s tým, že používateľ mohol okno zavrieť bez zadania (korektného) výsledku

Stage dialog = new Stage();
dialog.initStyle(StageStyle.UTILITY);
dialog.initModality(Modality.APPLICATION_MODAL);
TilePane pan=new TilePane();
Scene sc = new Scene(pan);

TextField rText= new TextField();
TextField gText= new TextField();
TextField bText= new TextField();
Label rLabel=new Label("Red 0.0-1.0: ");
Label gLabel=new Label("Green 0.0-1.0: ");
Label bLabel=new Label("Blue 0.0-1.0: ");
Button ok=new Button("OK");

ok.setOnAction(new EventHandler<ActionEvent>(){
    @Override
    public void handle(ActionEvent event) {
        try {
            double r =Double.parseDouble(rText.getText());
            double g =Double.parseDouble(gText.getText());
            double b =Double.parseDouble(bText.getText());
            if (r>=0 && g>=0 && b>=0 && r<=1 && g<=1 && b<=1){
                rect.setFill(new Color(r,g,b,1));
                dialog.close();    
            }
        }
        catch (Exception e){
            System.err.println("ERR:NekorektnaFarba");
        }                        
    }
});

pan.setPrefColumns(2);
pan.getChildren().addAll(rLabel,rText,gLabel, gText,bLabel,bText,ok);
dialog.setScene(sc);
dialog.showAndWait();

Cvičenia 21

Na začiatku cvičenia riešte individuálne rozcvičku zadanú na testovači. Potom riešte ďalšie príklady z tohto cvičenia, ktoré nie sú bodované.

Pridávanie prvkov počas aplikácie

Vytvorte aplikáciu, ktorá bude mať 2 časti. Prvá bude obsahovať iba jeden gombík "Pridaj", druhá bude panel, na ktorý budeme postupne pridávať prvky. Vyskúšajte si pridávanie nasledujúcich prvkov (vždy iba jeden typ prvkov naraz):
- Buttony -- s každým stlačením gombíka "Pridaj" pribudne jeden gombík s postupne rastúcimi číslami. Každý z gombíkov pri stlačení vypisuje svoje číslo
- RadioButton -- s každým stlačením gombíka "Pridaj" pribudne jeden RadioButton s postupne rastúcimi číslami. RadioButtony sú všetky v jednej ToggleGroup a pri zmene vybraného RadioButton sa vypíše jeho číslo
- Zoznam -- na paneli je jeden zoznam (List) a s každým stlačením gombíka "Pridaj" pribudne jeden nový riadok v tomto zozname s postupne rastúcimi číslami. Pri zmene vybraného prvku zoznamu sa vypíše jeho číslo.

Rôzne typy udalostí

Na paneli vytvorte do stredu kruh s priemerom 100. Nastavte akciu, ktorá celý čas pohybu myšou po paneli vypisuje (do textového popisku pod obrázkom) súradnice myši alebo informáciu, že myš je v kruhu. (Dajte si záležať, aby rozloženie panelu a popisku bolo prirodzené a nepokazilo sa pri zmene veľkosti okna).

Prednáška 33

Organizačné poznámky

Úlohy, projekt

DÚ16 (JavaFX) odovzdávajte do štvrtka 22:00
- Väčšia úloha, nenechávať si na poslednú chvíľu (tiež dobrý tréning na skúšku)
Na začiatku budúceho týždňa zverejníme poslednú DÚ (na grafy)
Do stredy 2.5. si môžete vybrať tému nepovinného projektu

Prednášky a cvičenia v najbližšom čase

Tento týždeň iba prednáška, začíname novú tému, grafy
Zvyšné tri týždne prednášky aj cvičenia v normálnom termíne
Posledná rozcvička bude na cvičeniach 9.5.

Záverečný test

Posledný piatok semestra 18.5. o 13:00
Prípadné konflikty nám dajte vedieť čím skôr

Študentská vedecká konferencia

V stredu dekanské voľno kvôli študentskej vedeckej konferencii, odporúčame ísť si pozrieť aspoň niektoré prednášky (program)
Študenti prezentujú výsledky svojho výskumu
Hlavne diplomovky a doktorandi, ale aj bakalárske práce prípadne iné projekty
Na konferencii resp. na posteroch zistíte, čo robia školitelia, môže vám to pomôcť nájsť si školiteľa bakalárky, príp. aj ročníkového projektu
Tiež hľadáme dobrovoľníkov, ktorí pomôžu s organizačným zabezpečením

Úvod

Zvyšok semestra sa budeme venovať práci s grafmi
Grafy poznáte z predmetu Úvod do kombinatoriky a teórie grafov
Ďalšie algoritmy pre grafy v druhom ročníku na predmete Tvorba efektívnych algoritmov
Ďalšia teória grafov + nejaké algoritmy povinne voliteľný predmet pre tretí ročník Teória grafov

Príklady využitia grafov

Mapa, cestná sieť: vrcholy sú križovatky, mestá, obce, hrany sú cesty (podobne železnice, letecká sieť, ulice v rámci mesta ...)
Počítačové siete, elektrické obvody, siete potrubí
Web: vrcholy sú webstránky, hrany sú odkazy (podobne napríklad vedecké články a citácie medzi nimi)
Sociálne siete: vzťahy, kontakty medzi ľudmi, šírenie správ
Závislosti medzi činnosťami: ak máme vykonať niekoľko činností, ale niektoré sa dajú vykonať iba ak sú iné už hotové, ako ich usporiadať
Preferencie: napr. pri tvorbe rozvrhu sa určitý predmet môže konať len v určité časy, môžeme spájať hranou predmety a časy

Anglická terminológia:

graf = graph, vrchol = vertex (mn.č. vertices), hrana = edge

Reprezentácia grafov

Na dnešnej prednáške budeme uvažovať neorientovaný graf s vrcholmi očíslovanými 0,1,...,n-1.

Príklad: V={0,...,6}, E={{0,5},{1,2},{2,3},{1,3},{3,4}}

Do akých dátových štruktúr takýto graf uložíme?

V našom prípade množinu vrcholov reprezentujeme jednoducho počtom vrcholov n, zostáva uložiť hrany

Zoznam hrán

Najjednoduchšia reprezentácia je zoznam hrán
Vytvoríme si pomocnú triedu pre hranu, ktorá obsahuje čísla jej koncových vrcholov
Všetky hrany uložíme do poľa alebo spájaného zoznamu (ArrayList, LinkedList)
Takáto reprezentácia sa väčšinou nepoužíva, lebo je neefektívna

(0,5), (1,2), (2,3), (1,3), (3,4)

Matica susednosti (adjacency matrix)

Matica nxn napr typu boolean
Políčko a[i][j]=true ak {i,j} je hrana
Pre neorientovaný graf symetrická matica

   0 1 2 3 4 5 6
0  F F F F F T F
1  F F T T F F F
2  F T F T F F F
3  F T T F T F F
4  F F F T F F F
5  T F F F F F F
6  F F F F F F F

Zoznamy susedov (adjacency lists)

Pre každý vrchol zoznam jeho susedov
Uložíme ako pole potrebnej veľkosti alebo spájaný zoznam (ArrayList, LinkedList)

0: 5
1: 2,3
2: 1,3
3: 1,2,4
4: 3
5: 0
6:

Graf ako abstraktný dátový typ: Interface Graph

Ukážeme si konkrétne implementácie pre maticu a zoznamy susedov, potrebujeme však vedieť, aké operácie by mal graf poskytovať.
Tu je jednoduché rozhranie pre graf, do ktorého vieme pridávať hrany, testovať či hrana existuje a prechádzať cez susedov určitého vrcholu.

/** Interface reprezentujúci graf s n vrcholmi očíslovanými 0..n-1. */
interface Graph {

    /** Vráti počet vrcholov grafu n. */
    int getNumberOfVertices();

    /** Vráti počet hrán grafu. */
    int getNumberOfEdges();

    /** Do grafu pridá hranu z vrcholu from do vrcholu to,
     * vráti true ak sa ju podarilo pridať. */
    boolean addEdge(int from, int to);

    /** Vráti true, ak existuje hrana z vrcholu from
     * do vrcholu to. */
    boolean existsEdge(int from, int to);

    /** Vráti iterovateľnú skupinu susedov vrchola vertex.
     * V prípade orientovaného grafu vracia iba hrany vychádzajúce z vrchola.
     * Metóda remove iterátora nemusí byť podporovaná. */
    Iterable<Integer> adjVertices(int vertex);
}

adjVertices vráti Iterable, čo je rozhranie (interface) s jedinou predpísanou metódou iterator(), ktorá vráti iterátor cez ten istý typ
Objekty typu Iterable sa dajú použiť vo for-cykle typu for(int v : g.adjVertices(u))

Príklad použitia: vypísanie grafu v poradí počet vrcholov, počet hrán a potom zoznam hrán, každá daná koncovými vrcholmi:

    /** Graph g vypíše do výstupného streamu */
    static void printGraph(Graph g, PrintStream out) {
        int n = g.getNumberOfVertices();
        out.println(n + " " + g.getNumberOfEdges());
        for (int u = 0; u < n; u++) {
            for(int v : g.adjVertices(u)) {
                if (u < v) {  // kvoli symetrii v neorientovaných grafoch
                    out.println(u + " " + v);
                }
            }
        }
    }

Napr. pre graf vyššie

Implementácia pomocou zoznamov susedov: Trieda AdjListsGraph

Pre každý vrchol si udržiavame zoznam susedných vrcholov v ArrayListe
Ako iterátor cez susedov použijeme jednoducho iterátor z ArrayListu

/** Trieda reprezentujúca neorientovaný graf pomocou
 * zoznamov susedov uložených v poli dynamickej dĺžky (ArrayList). */
class AdjListsGraph implements Graph {

    /** Zoznam susedov pre každý vrchol */
    private ArrayList<ArrayList<Integer>> adjLists;
    /** Počet hrán v grafe */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public AdjListsGraph(int numVertices) {
        adjLists = new ArrayList<ArrayList<Integer>>(numVertices);
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            adjLists.add(new ArrayList<Integer>());
        }
        numEdges = 0;
    }

    @Override
    public int getNumberOfVertices() {
        return adjLists.size();
    }

    @Override
    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    @Override
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        adjLists.get(from).add(to); // pridaj hranu v oboch smeroch
        adjLists.get(to).add(from);
        numEdges++;
        return true;
    }

    @Override
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        return adjLists.get(from).contains(to); // pozri do zoznamu susedov pre from
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> adjVertices(int vertex) {
	// vrati ArrayList obaleny, aby sa nedal menit
        return Collections.unmodifiableList(adjLists.get(vertex)); 
    }
}

Implementácia pomocou matice susednosti: Trieda AdjMatrixGraph

V konštruktore vyrobíme maticu vyplnenú false
O niečo zložitejšia metóda adjVertices
- Dal by sa spraviť aj iterátor vlastnou triedou bez použitia pomocného poľa

/** Trieda reprezentujúca neorientovaný graf pomocou matice susednosti. */
class AdjMatrixGraph implements Graph {

    /** Matica susednosti */
    private boolean[][] matrix;
    /** Počet hrán grafu */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public AdjMatrixGraph(int numVertices) {
        matrix = new boolean[numVertices][numVertices];
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            for (int j = 0; j < numVertices; j++) {
                matrix[i][j] = false;
            }
        }
        numEdges = 0;
    }

    @Override
    public int getNumberOfVertices() {
        return matrix.length;
    }

    @Override
    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    @Override
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        if (existsEdge(from, to)) { // nepridava existujuce hrany
            return false;
        }
        matrix[from][to] = true;  //prida hranu v oboch smeroch
        matrix[to][from] = true;
        numEdges++;
        return true;
    }

    @Override
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        return matrix[from][to];
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> adjVertices(int vertex) {
        // vytvori pomocne pole a,
        // vlozi do neho vsetkych susedov 
	// a vrati ho ako Iterable obaleny aby sa nedal menit
        ArrayList<Integer> a = new ArrayList<Integer>();
        for (int i = 0; i < matrix[vertex].length; i++) {
            if (matrix[vertex][i]) {
                a.add(i);
            }
        }
        return Collections.unmodifiableList(a);
    }
}

Vytvorenie grafu

Vytvoríme prázdny graf s určitým počtom vrcholov, po jednom pridávame hrany

    /** Zo scannera načíta graf vo formáte: počet vrcholov,
     * počet hrán a zoznam hrán zadaných koncami vrcholov.
     * Ak je matrix true, uloží ho ako AdjMatrixGraph,
     * inak ako AdjListsGraph. */
    static Graph readGraph(Scanner s, boolean matrix) {
        int n = s.nextInt();
        int m = s.nextInt();
        Graph g;
        if (matrix) {
            g = new AdjMatrixGraph(n);
        } else {
            g = new AdjListsGraph(n);
        }
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            int u = s.nextInt();
            int v = s.nextInt();
            g.addEdge(u, v);
        }
        return g;
    }

Porovnanie reprezentácií

Majme graf s n vrcholmi a m hranami
Počet hrán m môže byť od 0 po n(n-1)/2
Vyjadríme čas rôznych operácií v O-notácii:
- O(1): robíme len konštantný počet operácií bez ohľadu na veľkosť grafu
- O(n): čas operácie rastie v najhoršom prípade lineárne s počtom vrcholov grafu
- O(m): čas operácie rastie v najhoršom prípade lineárne s počtom hrán grafu
- Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle O(n^2)} : čas operácie rastie v najhoršom prípade kvadraticky s počtom vrcholov grafu
Väčšinou máme viac hrán ako vrcholov, takže O(1) je lepšie ako O(n), to je lepšie ako O(m) a to je lepšie Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle O(n^2)}

	Zoznam hrán	Matica susednosti	Zoznamy susedov
Pamäť	O(m)	Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle O(n^2)}	O(n+m)
Vytvoriť graf bez hrán	O(1)	Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle O(n^2)}	O(n)
addEdge	O(1)	O(1)	O(1)
existsEdge	O(m)	O(1)	O(n)
Prejdenie susedov vrchola	O(m)	O(n)	O(stupeň)
Výpis grafu pomocou adjVertices	O(nm)	Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle O(n^2)}	O(n+m)

Matica susednosti
- Rýchla operácia existsEdge
- Ak je graf riedky (málo hrán), zaberá zbytočne veľa pamäte a dlho trvá prejdenie susedov vrchola
Zoznamy susednosti
- Vhodný aj pre riedke grafy
- Dlho trvá nájdenie konkrétnej hrany, ale všetkých susedov vrchola vieme prejsť rýchlo
- Najvhodnejšia reprezentácia na väčšinu algoritmov, ktoré uvidíme

Poznámky a obmeny

Orientované grafy

Ak v metóde addEdge pridáme hranu iba jedným smerom, dostaneme orientovaný graf
adjIterator vráti iterátor cez vychádzajúce hrany

Grafy s násobnými hranami

AdjMatrixGraph nepovoľuje násobné hrany
- Ak chceme prirobiť, museli by sme v matici mať int-y vyjadrujúce násobnosť hrany
AdjListsGraph nekontroluje násobnosť hrany, dovoľuje opakovanie
- Kontrola násobnosti by dlho trvala - pri addEdge by sme museli pozrieť, či už v poli nie je

Ohodnotené grafy

V grafe si pre jednotlivé vrcholy a hrany môžeme chcieť pamätať ďalšie dáta
Napr. ak modelujeme cestnú sieť, hrana môže mať určitú dĺžku
Vrcholy môžu mať mená, súradnice a pod.
Nabudúce pridáme takéto dáta do implementácie

Dynamické grafy

Náš graf možno meniť len pridaním hrán
V grafe môžeme chcieť robiť aj iné zmeny
- Mazanie hrán by sa ľahko doplnilo, rýchle pre maticu, pomalšie pre zoznamy susedov
- Pridávanie a mazanie vrcholov ťažšie -- potrebujeme číslovanie 0..n-1
Neskôr si ukážeme všeobecnejšiu štruktúru, ktorá to umožňuje

Súvislosť grafu, prehľadávanie do hĺbky (depth-first search, DFS)

Zameriame sa na zisťovanie, či sú dva vrcholy spojené v grafe cestou, t.j. či sú v tom istom komponente súvislosti (v neorientovanom grafe)
Napr. vrchol 1 je v komponente súvislosti s vrcholmi 2,3,4
Použijeme prehľadávanie do hĺbky, podobné ako sme použili na vyfarbovanie súvislých oblastí v matici (ostrovy)
- Mapu ostrovov môžeme zapísať ako graf, pričom každé políčko ostrovu bude vrchol a dve políčka budú spojené hranou, ak spolu susedia
- Ostrovy sú potom komponenty súvislosti

Existuje cesta z u do v?

Poďme teda zisťovať, či sú u a v v tom istom komponente
Rekurzívne prehľadávame začínajúc od vrcholu u
Vytvoríme si pole booleanov visited, v ktorom si značíme už navštívené vrcholy
Z každého vrcholu rekurzívne prehľadáme zatiaľ nenavštívených susedov

   /** Pomocná metóda pre metódu connected.
     * Dostane graf g, vrchol vertex
     * a pole s poznačenými navštívenými vrcholmi, pričom
     * visited[vertex] by malo byť false.
     * Rekurzívne prehľadá nenavštívené vrcholy, ktoré sa z
     * vrcholu vertex dajú dosiahnuť. */
    static void search(Graph g, int vertex, boolean[] visited) {
        visited[vertex] = true;
        for(int neighbor : g.adjVertices(vertex)) { // prejdi cez susedov
            if (!visited[neighbor]) {
                search(g, neighbor, visited); // navstivime ho rekurzivne
            }
        }
    }

    /** Metóda, ktorá zistí, či sú vrcholy from a to v grafe g
     * spojené cestou. */
    static boolean connected(Graph g, int from, int to) {
        // vytvor pole visited vyplnené false
        boolean[] visited = new boolean[g.getNumberOfVertices()];
        for (int i = 0; i < visited.length; i++) {
            visited[i] = false;
        }
        search(g, from, visited); // zavolaj rekurziu
        return visited[to];       // dostali sme sa do vrchola to?
    }

Hľadanie komponentov súvislosti

Ak by sme chceli testovať spojenie medzi veľa dvojicami vrcholov, oplatí sa nám nájsť komponenty súvislosti v celom grafe naraz.
Komponenty očísľujeme 0,1,...,k-1. Pre každý vrchol máme v poli číslo jeho komponentu.
Potom dva vrcholy sú spojené cestou práve vtedy, keď majú rovnaké číslo komponentu.
Toto robí nasledujúca trieda.

/** Trieda obsahujúca rozdelenie vrcholov grafu do komponentov súvislosti */
class Components {

    /** Pre každý vrchol číslo jeho komponentu 0..počet komponentov-1 */
    private int[] componentId;
    /** počet komponentov grafu */
    private int numComponents;
    /** samotný graf */
    private Graph g;

    /** Konštruktor, ktorý dostane graf a prehľadávaním do hĺbky
     * hľadá komponenty súvislosti */
    public Components(Graph g) {
        this.g = g;  // uloz graf
        numComponents = 0;  // inicializuj pocet komponentov
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu
        // vytvor pole cisel komponentov a inicializuj na -1 - nevyfarbene
        componentId = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            componentId[i] = -1;
        }
        // prechadzaj cez vrcholy a ak najdes nevyfarbeny, spusti prehladavanie
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (componentId[i] == -1) {
                search(i, numComponents); // vyfarbi cislom numComponents
                numComponents++;          // zvys numComponents
            }
        }
    }

    /** Pomocná rekurzívna metóda používaná v konštruktore na vyfarbenie
     * jedného komponentu číslom id. */
    private void search(int vertex, int id) {
        componentId[vertex] = id;
        for (int neighbor : g.adjVertices(vertex)) {
            if (componentId[neighbor] == -1) {
                search(neighbor, id); // navstivime ho rekurzivne
            }
        }
    }

    /** Vráti true ak vrcholy from a to sú v tom istom komponente */
    public boolean areConnected(int from, int to) {
        return componentId[from] == componentId[to];
    }

    /** Vráti počet komponentov grafu */
    public int getNumberOfComponents() {
        return numComponents;
    }
}

Čas výpočtu pri použití zoznamov susedov je O(n+m)
Vedeli by sme triedu obohatiť aj o iterovanie cez vrcholy v jednotlivých komponentoch

Príklad použitia prehľadávania do hĺbky: valec lesom

Ukážeme si trochu netradičný príklad, v ktorom sa dajú grafy a prehľadávanie použiť
Máme daný obdĺžnikový pozemok obohnaný plotom, na ktorom rastú stromy, ktoré si predstavíme ako body rovine
Pri západnom okraji pozemku stojí valec s polomerom r (t.j. v rovine si ho predstavíme ako kruh), pričom pri západnej strane plotu je dosť miesta, aby popri nej valec prešiel od severu na juh
Cieľom je zistiť, či sa valec dá pretlačiť pomedzi stromy na východnú stranu pozemku

Na prvý pohľad geometrická úloha sa prevedie na grafovú takto:

Vytvoríme vrcholy S a J reprezentujúce severnú a južnú stranu pozemku
Vytvoríme tiež vrchol pre každý strom
Vrcholy pre dva stromy spojíme hranou, ak sú bližšie ako 2r, t.j. valec sa medzi ne neprepchá
Podobne vrchol pre strom spojíme hranou s vrcholom S alebo J, ak je k príslušnému okraju pozemku bližšie ako 2r.
Ak S a J sú v tom istom komponente súvislosti, valec nie je možné cez les prepchať, lebo existuje lomená čiara spájajúca stromy na ceste z S do J, cez ktorú valec nevie prejsť
Ak S a J nie sú v tom istom komponente súvislosti, valec môžeme posúvať po južnej strane komponentu obsahujúceho vrchol S
Na odpoveď, či sa dá valec presunúť lesom, teda stačí spustiť connected(g,S,J).

Zhrnutie

Grafy sa používajú na veľa problémov
Reprezentujeme ich ako zoznamy susedov, prípadne ako maticu susednosti
V neorientovanom grafe vieme prehľadávaním do hĺbky nájsť komponenty súvislosti
Ako je to v orientovaných grafoch?
Celý program (vrátane prehľadávania do šírky z ďalšej prednášky) pozri nižšie

Zdrojový kód programu, grafy

Program k prednáškam: #Prednáška 33 a #Prednáška 34

dve reprezentácie grafu, prehľadávanie do hĺbky a do šírky

package prog;

import java.io.*;
import java.util.*;

/** Interface reprezentujúci graf s n vrcholmi očíslovanými 0..n-1. */
interface Graph {

    /** Vráti počet vrcholov grafu n. */
    int getNumberOfVertices();

    /** Vráti počet hrán grafu. */
    int getNumberOfEdges();

    /** Do grafu pridá hranu z vrcholu from do vrcholu to,
     * vráti true ak sa ju podarilo pridať. */
    boolean addEdge(int from, int to);

    /** Vráti true, ak existuje hrana z vrcholu from
     * do vrcholu to. */
    boolean existsEdge(int from, int to);

    /** Vráti iterovateľnú skupinu susedov vrchola vertex.
     * V prípade orientovaného grafu vracia iba hrany vychádzajúce z vrchola.
     * Metóda remove iterátora nemusí byť podporovaná. */
    Iterable<Integer> adjVertices(int vertex);
}

/** Trieda reprezentujúca neorientovaný graf pomocou
 * zoznamov susedov uložených v poli dynamickej dĺžky (ArrayList). */
class AdjListsGraph implements Graph {

    /** Zoznam susedov pre každý vrchol */
    private ArrayList<ArrayList<Integer>> adjLists;
    /** Počet hrán v grafe */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public AdjListsGraph(int numVertices) {
        adjLists = new ArrayList<ArrayList<Integer>>(numVertices);
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            adjLists.add(new ArrayList<Integer>());
        }
        numEdges = 0;
    }

    @Override
    public int getNumberOfVertices() {
        return adjLists.size();
    }

    @Override
    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    @Override
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        adjLists.get(from).add(to); // pridaj hranu v oboch smeroch
        adjLists.get(to).add(from);
        numEdges++;
        return true;
    }

    @Override
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        return adjLists.get(from).contains(to); // pozri do zoznamu susedov pre from
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> adjVertices(int vertex) {
	// vrati ArrayList obaleny, aby sa nedal menit
        return Collections.unmodifiableList(adjLists.get(vertex)); 
    }
}

/** Trieda reprezentujúca neorientovaný graf pomocou matice susednosti. */
class AdjMatrixGraph implements Graph {

    /** Matica susednosti */
    private boolean[][] matrix;
    /** Počet hrán grafu */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public AdjMatrixGraph(int numVertices) {
        matrix = new boolean[numVertices][numVertices];
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            for (int j = 0; j < numVertices; j++) {
                matrix[i][j] = false;
            }
        }
        numEdges = 0;
    }

    @Override
    public int getNumberOfVertices() {
        return matrix.length;
    }

    @Override
    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    @Override
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        if (existsEdge(from, to)) { // nepridava existujuce hrany
            return false;
        }
        matrix[from][to] = true;  //prida hranu v oboch smeroch
        matrix[to][from] = true;
        numEdges++;
        return true;
    }

    @Override
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        return matrix[from][to];
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> adjVertices(int vertex) {
        // vytvori pomocne pole a,
        // vlozi do neho vsetkych susedov 
	// a vrati ho ako Iterable obaleny aby sa nedal menit
        ArrayList<Integer> a = new ArrayList<Integer>();
        for (int i = 0; i < matrix[vertex].length; i++) {
            if (matrix[vertex][i]) {
                a.add(i);
            }
        }
        return Collections.unmodifiableList(a);
    }
}

/** Trieda obsahujúca rozdelenie vrcholov grafu do komponentov súvislosti */
class Components {

    /** Pre každý vrchol číslo jeho komponentu 0..počet komponentov-1 */
    private int[] componentId;
    /** počet komponentov grafu */
    private int numComponents;
    /** samotný graf */
    private Graph g;

    /** Konštruktor, ktorý dostane graf a prehľadávaním do hĺbky
     * hľadá komponenty súvislosti */
    public Components(Graph g) {
        this.g = g;  // uloz graf
        numComponents = 0;  // inicializuj pocet komponentov
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu
        // vytvor pole cisel komponentov a inicializuj na -1 - nevyfarbene
        componentId = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            componentId[i] = -1;
        }
        // prechadzaj cez vrcholy a ak najdes nevyfarbeny, spusti prehladavanie
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (componentId[i] == -1) {
                search(i, numComponents); // vyfarbi cislom numComponents
                numComponents++;          // zvys numComponents
            }
        }
    }

    /** Pomocná rekurzívna metóda používaná v konštruktore na vyfarbenie
     * jedného komponentu číslom id. */
    private void search(int vertex, int id) {
        componentId[vertex] = id;
        for (int neighbor : g.adjVertices(vertex)) {
            if (componentId[neighbor] == -1) {
                search(neighbor, id); // navstivime ho rekurzivne
            }
        }
    }

    /** Vráti true ak vrcholy from a to sú v tom istom komponente */
    public boolean areConnected(int from, int to) {
        return componentId[from] == componentId[to];
    }

    /** Vráti počet komponentov grafu */
    public int getNumberOfComponents() {
        return numComponents;
    }
}

/** Trieda, ktorá reprezentuje najkratšie cesty a vzdialenosti
 * z jedného vrchola do ostatných. */
class ShortestPaths {

    /** Graf, v ktorom počítame cesty */
    private Graph g;
    /** Štartovací vrchol, z ktorého rátame najkratšie cesty */
    private int start;
    /** Pre každý vrchol v grafe vzdialenosť od startu
     * alebo -1 ak je v inom komponente. */
    private int[] dist;
    /** Pre každý vrchol u predchádzajúci vrchol na ceste zo start do u */
    private int[] prev;

    /** Konštruktor, ktorý dostane graf a štartovací vrchol 
     * a nájde najkratšie cesty */
    public ShortestPaths(Graph g, int start) {
        this.g = g;
        this.start = start;
        int n = g.getNumberOfVertices();
        // inicializacia poli - vyplnime -1
        dist = new int[n];
        prev = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            dist[i] = -1;
            prev[i] = -1;
        }

        // prehladavanie do sirky
        // vytvorime rad a vlozime do neho startovaci vrchol
        LinkedList<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
        queue.addLast(start);
        dist[start] = 0;  // sam od seba ma vzdialenost 0

        while (!queue.isEmpty()) {
            // vyberieme prvok na zaciatku radu
            int vertex = queue.removeFirst();
            // prejdeme cez jeho susedov a ak este neboli navstiveni
            // urcime im vzdialenost a pridame ich do radu
            for (int neighbor : g.adjVertices(vertex)) {
                if (dist[neighbor] < 0) {
                    dist[neighbor] = dist[vertex] + 1;
                    prev[neighbor] = vertex;
                    queue.addLast(neighbor);
                }
            }
        }
    }

    /** Je vrchol vertex spojený so štartovacím vrcholom? */
    public boolean isConnected(int vertex) {
        return dist[vertex] >= 0;
    }

    /** Vráti vzdialenosť vrcholu vertex od štartovacieho vrcholu.
     * Ak sú v rôznych komponentoch, vráti -1. */
    public int distance(int vertex) {
        return dist[vertex];
    }

    /** Vráti najkratšiu cestu zo štartovacieho vrcholu
     * do vrcholu vertex (postupnosť vrcholov, cez ktoré cesta ide).
     * Ak sú v rôznych komponentoch, vráti null. */
    public int[] shortestPath(int vertex) {
        if (!isConnected(vertex)) {  // vybav rozne koponenty
            return null;
        }
        int[] path = new int[dist[vertex] + 1];  // alokujeme cestu
        int v = vertex;   //posledny vrchol bude vertex
        path[dist[vertex]] = v;
        for (int i = dist[vertex] - 1; i >= 0; i--) { // odzadu pridavame vrcholy
            v = prev[v];      // posunieme sa na predchadzajuci vrchol na ceste
            path[i] = v;
        }
        return path;
    }
}

public class Prog {

    /** Zo scannera s načíta graf vo formáte: počet vrcholov,
     * počet hrán a zoznam hrán zadaných koncami vrcholov.
     * Ak je matrix true, uloží ho ako AdjMatrixGraph,
     * inak ako AdjListsGraph. */
    static Graph readGraph(Scanner s, boolean matrix) {
        int n = s.nextInt();
        int m = s.nextInt();
        Graph g;
        if (matrix) {
            g = new AdjMatrixGraph(n);
        } else {
            g = new AdjListsGraph(n);
        }
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            int u = s.nextInt();
            int v = s.nextInt();
            g.addEdge(u, v);
        }
        return g;
    }

    /** Graph g vypíše do výstupného streamu */
    static void printGraph(Graph g, PrintStream out) {
        int n = g.getNumberOfVertices();
        out.println(n + " " + g.getNumberOfEdges());
        for (int u = 0; u < n; u++) {
            for (int v : g.adjVertices(u)) {
                if (u < v) {  // kvoli symetrii v neorientovaných grafoch
                    out.println(u + " " + v);
                }
            }
        }
    }

    /** Pomocná metóda pre metódu connected.
     * Dostane graf g, vrchol vertex
     * a pole s poznačenými navštívenými vrcholmi, pričom
     * visited[vertex] by malo byť false.
     * Rekurzívne prehľadá nenavštívené vrcholy, ktoré sa z
     * vrcholu vertex dajú dosiahnuť. */
    static void search(Graph g, int vertex, boolean[] visited) {
        visited[vertex] = true;
        for (int neighbor : g.adjVertices(vertex)) { // prejdi cez susedov
            if (!visited[neighbor]) {
                search(g, neighbor, visited); // navstivime ho rekurzivne
            }
        }
    }

    /** Metóda, ktorá zistí, či sú vrcholy from a to v grafe g
     * spojené cestou. */
    static boolean connected(Graph g, int from, int to) {
        // vytvor pole visited vyplnené false
        boolean[] visited = new boolean[g.getNumberOfVertices()];
        for (int i = 0; i < visited.length; i++) {
            visited[i] = false;
        }
        search(g, from, visited); // zavolaj rekurziu
        return visited[to];       // dostali sme sa do vrchola to?
    }

    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {
        Scanner s;
        Graph g;
        PrintStream out;

        // nacitame graph ako maticu susedov a vypiseme
        s = new Scanner(new File("graph-in.txt"));
        g = readGraph(s, true);
        s.close();
        out = new PrintStream("graph-out1.txt");
        printGraph(g, out);
        out.close();

        // nacitame graf ako zoznamy susedov a vypiseme
        s = new Scanner(new File("graph-in.txt"));
        g = readGraph(s, false);
        s.close();
        out = new PrintStream("graph-out2.txt");
        printGraph(g, out);
        out.close();

        // ratame pre dvojice vrcholov ci su spojene jednorazovou funkciou
        System.out.println("Are 1 and 4 connected? " + connected(g, 1, 4));
        System.out.println("Are 0 and 1 connected? " + connected(g, 0, 1));

        // predpocitame komponenty, potom zistime ich pocet a testujeme spojitost
        Components comp = new Components(g);
        System.out.println("The number of connected components: " 
			   + comp.getNumberOfComponents());
        System.out.println("Are 1 and 4 connected? " + comp.areConnected(1, 4));
        System.out.println("Are 0 and 1 connected? " + comp.areConnected(0, 1));

        // najdeme najkratsie vzdialenosti z 1 do ostatnych vrcholov
        ShortestPaths paths = new ShortestPaths(g, 1);
        System.out.println("Are 1 and 4 connected? " + paths.isConnected(4));
        System.out.println("Distance of 1 and 4: " + paths.distance(4));
        System.out.println("Shortest path from 1 to 4: " 
			   + Arrays.toString(paths.shortestPath(4)));
    }
}

Prednáška 34

Oznamy

Posledná DÚ zverejnená, odovzdávajte do 16.5. do 22:00
V prípade záujmu o nepovinný projekt si vyberte tému do stredy (odovzdajte na testovači)
Projekty bude treba odovzdať pravdepodobne do nedele 20.5. 22:00, predvádzanie upresníme
Piatok 18.5. o 13:00 v posluchárni B záverečná písomka
Termíny skúšok
- Streda 23.5. 9:00 v H6 (riadny)
- Štvrtok 7.6. 9:00 v H6 (riadny alebo 1. opravný)
- Utorok 20.6. 9:00 v H6 (1. alebo 2. opravný)
- Koncom júna bude ešte 2. opravný termín, dátum upresníme neskôr
Prípadné konflikty s dátumami písomky alebo skúšok nám dajte vedieť čím skôr
Budúci pondelok na prednáške dôležité pokyny k skúške a testu (príďte načas)

Opakovanie

Reprezentácia grafov

Neorientovaný graf s vrcholmi očíslovanými 0,1,...,n-1.

Príklad: V={0,...,6}, E={{0,5},{1,2},{2,3},{1,3},{3,4}}

Interface Graph

/** Interface reprezentujúci graf s n vrcholmi očíslovanými 0..n-1. */
interface Graph {

    /** Vráti počet vrcholov grafu n. */
    int getNumberOfVertices();

    /** Vráti počet hrán grafu. */
    int getNumberOfEdges();

    /** Do grafu pridá hranu z vrcholu from do vrcholu to,
     * vráti true ak sa ju podarilo pridať. */
    boolean addEdge(int from, int to);

    /** Vráti true, ak existuje hrana z vrcholu from
     * do vrcholu to. */
    boolean existsEdge(int from, int to);

    /** Vráti iterovateľnú skupinu susedov vrchola vertex.
     * V prípade orientovaného grafu vracia iba hrany vychádzajúce z vrchola.
     * Metóda remove iterátora nemusí byť podporovaná. */
    Iterable<Integer> adjVertices(int vertex);
}

Matica susednosti (adjacency matrix), trieda AdjMatrixGraph

Matica nxn napr typu boolean
Políčko a[i][j]=true ak {i,j} je hrana

   0 1 2 3 4 5 6
0  F F F F F T F
1  F F T T F F F
2  F T F T F F F
3  F T T F T F F
4  F F F T F F F
5  T F F F F F F
6  F F F F F F F

Zoznamy susedov (adjacency lists), trieda AdjListsGraph

Pre každý vrchol zoznam jeho susedov
Uložíme ako pole potrebnej veľkosti alebo spájaný zoznam (ArrayList, LinkedList)
Lepšia reprezentácia pre väčšinu algoritmov, obzvlášť ak je graf riedky, t.j. má pomerne málo hrán

0: 5
1: 2,3
2: 1,3
3: 1,2,4
4: 3
5: 0
6:

Prehľadávanie do hĺbky, komponenty súvislosti

Vrcholy neorientovaného grafu vieme rozdeliť na komponenty súvislosti.
V grafe existuje cesta z vrcholu u do vrcholu v práve vtedy, keď sú v tom istom komponente súvislosti.
Mnohé úlohy vieme formulovať ako zisťovanie komponentov súvislosti (videli sme valec lesom, šachového koňa, červíka v bludisku).

Prehľadávanie do hĺbky začne z jedného vrcholu a rekurzívne prehľadá celý komponent.
Môžeme teda postupným volaním prehľadávania očíslovať komponenty 0,1,...,k-1 a pre každý vrchol uložiť číslo jeho komponentu.
Potom dva vrcholy sú spojené cestou práve vtedy, keď majú rovnaké číslo komponentu.
Dáta potrebné počas rekurzie a výsledky si uložíme do pomocnej triedy.

/** Trieda obsahujúca rozdelenie vrcholov grafu do komponentov súvislosti */
class Components {

    /** Pre každý vrchol číslo jeho komponentu 0..počet komponentov-1 */
    private int[] componentId;
    /** počet komponentov grafu */
    private int numComponents;
    /** samotný graf */
    private Graph g;

    /** Konštruktor, ktorý dostane graf a prehľadávaním do hĺbky
     * hľadá komponenty súvislosti */
    public Components(Graph g) {
        this.g = g;  // uloz graf
        numComponents = 0;  // inicializuj pocet komponentov
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu
        // vytvor pole cisel komponentov a inicializuj na -1 - nevyfarbene
        componentId = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            componentId[i] = -1;
        }
        // prechadzaj cez vrcholy a ak najdes nevyfarbeny, spusti prehladavanie
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (componentId[i] == -1) {
                search(i, numComponents); // vyfarbi cislom numComponents
                numComponents++;          // zvys numComponents
            }
        }
    }

    /** Pomocná rekurzívna metóda používaná v konštruktore na vyfarbenie
     * jedného komponentu číslom id. */
    private void search(int vertex, int id) {
        componentId[vertex] = id;
        for (int neighbor : g.adjVertices(vertex)) {
            if (componentId[neighbor] == -1) {
                search(neighbor, id); // navstivime ho rekurzivne
            }
        }
    }

    /** Vráti true ak vrcholy from a to sú v tom istom komponente */
    public boolean areConnected(int from, int to) {
        return componentId[from] == componentId[to];
    }

    /** Vráti počet komponentov grafu */
    public int getNumberOfComponents() {
        return numComponents;
    }
}

Najkratšie cesty, prehľadávanie do šírky (breath-first search, BFS)

Graf s kostrou najkratších ciest pre vrchol 0

Ak sú dva vrcholy v jednom komponente súvislosti, mohli by sme chcieť vypísať aj cestu, ktorá ich spája
Najlepšie najkratšiu cestu, teda takú, ktorá obsahuje najmenej hrán
To nám prehľadávanie do hĺbky nenájde, použijeme prehľadávanie do šírky
Začneme v nejakom vrchole s
V prehľadávaní do šírky najprv navštívime všetky vrcholy vo vzdialenosti 1 od s, potom vo vzdialenosti 2, ...
Pre každý navštívený vrchol v spočítame jeho vzdialenosť od s aj predposledný vrchol na najkratšej ceste z s do v
Hrany medzi v a pred[v] tvoria strom (kostru grafu, ak je súvislý)
Ak chceme vypísať cestu, po strome sa pohybujeme smerom k jeho koreňu vo vrchole s
Algoritmus používa rad (frontu, queue), do ktorej dáva vrcholy, ktoré už majú známu vzdialenosť, ale ešte sme nepozreli ich susedov
V rade sú v každej chvíli vrcholy najviac dvoch vzdialeností od s: najprv nejaké vrcholy vo vzdialenosti d, potom nejaké vrcholy vo vzdialenosti d+1
Zložitosť je tiež O(n+m), ak použijeme zoznamy susedov

/** Trieda, ktorá reprezentuje najkratšie cesty a vzdialenosti
 * z jedného vrchola do ostatných. */
class ShortestPaths {

    /** Graf, v ktorom rátame cesty */
    private Graph g;
    /** Startovaci vrchol, z ktoreho ratame najkratsie cesty */
    private int start;
    /** Pre kazdy vrchol v grafe vzdialenost od startu
     * alebo -1 ak je v inom komponente. */
    private int[] dist;
    /** Pre kazdy vrchol u predchadzajuci vrchol na ceste zo start do u */
    private int[] prev;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf a startovaci vrchol a najde najkratsei cesty */
    public ShortestPaths(Graph g, int start) {
        this.g = g;
        this.start = start;
        int n = g.getNumberOfVertices();
        // inicializacia poli - vyplnime -1
        dist = new int[n];
        prev = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            dist[i] = -1;
            prev[i] = -1;
        }

        // prehladavanie do sirky
        // vytvorime rad a vlozime do neho startovaci vrchol
        LinkedList<Integer> queue = new LinkedList<Integer>();
        queue.addLast(start);
        dist[start] = 0;  // sam od seba ma vzdialenost 0

        while (!queue.isEmpty()) {
            // vyberieme prvok na zaciatku radu
            int vertex = queue.removeFirst();
            // prejdeme cez jeho susedov a ak este neboli navstiveni
            // urcime im vzdialenost a pridame ich do radu
            for (int neighbor : g.adjVertices(vertex)) {
                if (dist[neighbor] < 0) {
                    dist[neighbor] = dist[vertex] + 1;
                    prev[neighbor] = vertex;
                    queue.addLast(neighbor);
                }
            }
        }
    }

    /** Je vrchol vertex spojeny so startovacim vrcholom? */
    public boolean isConnected(int vertex) {
        return dist[vertex] >= 0;
    }

    /** Vrati vzdialenost vrcholu vertex od starovacieho vrcholu.
     * Ak su v roznych komponentoch, vrati -1. */
    public int distance(int vertex) {
        return dist[vertex];
    }

    /** Vrati najkratsiu cestu zo startovacieho vrcholu
     * do vrcholu vertex (postupnost vrcholov, cez ktore cesta ide).
     * Ak su v roznych komponentoch, vrati null. */
    public int[] shortestPath(int vertex) {
        if (!isConnected(vertex)) {  // vybav rozne koponenty
            return null;
        }
        int[] path = new int[dist[vertex] + 1];  // alokujeme cestu
        int v = vertex;   //posledny vrchol bude vertex
        path[dist[vertex]] = v;
        for (int i = dist[vertex] - 1; i >= 0; i--) { // odzadu pridavame vrcholy
            v = prev[v];      // posunieme sa na predchadzajuci vrchol na ceste
            path[i] = v;
        }
        return path;
    }
}

Opakovanie: prehľadávanie s návratom (backtracking)

Prehľadávanie s návratom sme videli minulý semester napr. na problém 8 dám
Riešenie úlohy je nejaká postupnosť, rekurzívne skúšame pridať všetky možnosti ďalšieho prvku postupnosti
Prehľadávame exponenciálny počet možností, algoritmus môže byť veľmi pomalý
Snažíme sa ukončiť prehľadávanie vždy, keď už nie je šanca dosiahnuť platné riešenie

Príklad: vypisujeme všetky variácie bez opakovania dĺžky k z prvkov {0..n-1}

package prog;

import java.util.Scanner;

public class Prog {

    static void vypis(int[] a) {
        for (int x : a) {
            System.out.print(" " + x);
        }
        System.out.println();
    }

    static void generuj(int[] a, boolean[] bolo, int i, int n) {
        /* v poli a dlzky k mame prvych i cifier,
         * v poli bolo mame zaznamenane, ktore cifry su uz pouzite,
         * chceme vygenerovat vsetky moznosti
         * poslednych k-i cifier */
        if (i == a.length) {
            vypis(a);
        } else {
            for (int x = 0; x < n; x++) {
                if (!bolo[x]) {
                    a[i] = x;
                    bolo[x] = true;
                    generuj(a, bolo, i + 1, n);
                    bolo[x] = false;
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        int k, n;
        Scanner s = new Scanner(System.in);
        k = s.nextInt();
        n = s.nextInt();
        int[] a = new int[k];
        boolean[] bolo = new boolean[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            bolo[i] = false;
        }
        generuj(a, bolo, 0, n);
    }
}

Prehľadávanie s návratom na grafoch

Veľa úloh na grafoch nevieme riešiť rýchlymi algoritmami, backtrackingom vieme spočítať odpoveď aspoň pre malé vstupy

Hľadanie ciest dĺžky k

Cesta v grafe je postupnosť vrcholov Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle v_0,v_1,...,v_k} taká, že každé dva za sebou idúce vrcholy Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle v_i} a Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle v_{i+1}} sú spojené hranou a žiaden vrchol sa na ceste neopakuje. Dĺžka tejto cesty je k, t.j. počet hrán na ceste.
Prehľadávaním do šírky vieme nájsť najkratšiu cestu z u do v.
Čo ak chceme nájsť cestu z u do v dĺžky presne k?

Príklad použitia: vypisujeme cesty rôznych dĺžok medzi vrcholmi from=0 a to=3:

       for (int length = 1; length < g.getNumberOfVertices(); length++) {
            System.out.println("Cesty dlzky " + length + ":");
            FixedLengthPaths p = new FixedLengthPaths(g, 0, 3, length);
        }

Výstup pre graf s V={0,...,4} a E={{0,1},{0,2},{0,3},{1,2},{2,3},{2,4},{3,4}}

Cesty dlzky 1:
 0 3
Cesty dlzky 2:
 0 2 3
Cesty dlzky 3:
 0 1 2 3
 0 2 4 3
Cesty dlzky 4:
 0 1 2 4 3

Opäť použijeme pomocnú triedu na ukladanie všetkých premenných potrebných v rekurzii
- Pole path s práve vyrábanou cestou
- Pole visited, v ktorom máme poznačené, ktoré vrcholy sú použité na ceste
- Vstupné dáta: graf, 2 vrcholy, požadovaná dĺžka
V rekurzii skúšame k ceste pridať ďalší vrchol, pričom vyberáme z vrcholov susedných s posledným vrcholom na ceste
Keď nájdeme cestu požadovanej dĺžky, ktorá končí v cieľovom vrchole, cestu vypíšeme

/** Trieda, ktora umoznuje najst vsetky cesty zadanej
 * dlzky medzi dvoma danymi vrcholmi. */
class FixedLengthPaths {

    /** samotny graf */
    private Graph g;
    /** pociatocny a koncovy vrchol */
    private int from, to;
    /** pozadovana dlzka cesty */
    private int length;
    /** tvorena cesta */
    private int[] path;
    /** vrcholy, ktore su na ceste pouzite */
    private boolean[] visited;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf, pociatocny a koncovy vrchol
     * a pozadovanu dlzku cesty a rovno aj spusti rekurzivne vyhladavanie
     * a vypisuje vysledky. */
    public FixedLengthPaths(Graph g, int from, int to, int length) {
        this.g = g;  // uloz vstupne data
        this.from = from;
        this.to = to;
        this.length = length;
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu
        visited = new boolean[n];  // vytvor a inicializuj polia visited a path
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            visited[i] = false;
        }
        path = new int[length + 1];  // length hran, teda length+1 vrcholov
        search(0, from); // zavolaj rekurziu
    }

    /** Hlavna rekurzivna metoda volana z konstruktora.
     * Metoda ako i-ty vrchol cesty ulozi vertex a
     * potom skusa vsetky moznosti ako sa na length-i krokov
     * dostat do cieloveho vrcholu. */
    private void search(int i, int vertex) {
        // ulozime vrchol do cesty a poznacime ho ako pouzity
        path[i] = vertex;
        visited[vertex] = true;
        // ak uz mame cestu dlzky length, pozrieme,
        // ci konci v spravnom vrchole a vypiseme
        if (i == length) {
            if (vertex == to) {
                printPath();
            }
        } else {
            // ak este nemame cestu dlzky length,
            // pozrieme na susedov aktualneho vrcholu vertex
	    for(int neighbor : g.adjVertices(vertex)) { // prejdi cez susedov
                if (!visited[neighbor]) {
                    // ak este sused nebol navstiveny, preskumame ho rekurzivne
                    search(i + 1, neighbor);
                }
            }
        }
        visited[vertex] = false;
    }

    private void printPath() {
        for (int i = 0; i < path.length; i++) {
            System.out.print(" " + path[i]);
        }
        System.out.println();
    }
}

Cvičenia:

Namiesto vypisovania ciest iba spočítajte, koľko ich je
Zistite, či cesta dĺžky k existuje, po nájdení prvej cesty je už možné ukončiť ďalšie prehľadávanie
Navrhnite spôsoby, ako v niektorých prípadoch zistiť, že aktuálne rozrobenú cestu už nie je možné požadovaným spôsobom rozšíriť

Hľadanie najdlhšej cesty

V grafe chceme nájsť najdlhšiu cestu z u do v
Malé zmeny v predchádzajúcom programe
- Pamätáme si najdlhšiu nájdenú cestu
- Vždy keď prídeme do cieľového vrcholu, porovnáme dĺžku aktuálnej cesty s najdlhšou nájdenou doteraz

/** Trieda, ktora umoznuje najst najdlhsiu cestu medzi dvoma danymi vrcholmi. */
class LongestPath {

    /** samotny graf */
    private Graph g;
    /** pociatocny a koncovy vrchol */
    private int from, to;
    /** najvyssia najdena dlzka cesty */
    private int maxLength;
    /** najlepsia najdena cesta */
    private int[] longestPath;
    /** tvorena cesta */
    private int[] path;
    /** vrcholy, ktore su na ceste pouzite */
    private boolean[] visited;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf, pociatocny a koncovy vrchol
     * a spusti rekurzivne vyhladavanie */
    public LongestPath(Graph g, int from, int to) {
        this.g = g;  // uloz vstupne data
        this.from = from;
        this.to = to;
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu
        visited = new boolean[n];  // vytvor a inicializuj pole visited
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            visited[i] = false;
        }
        path = new int[n];
        maxLength = -1;
        search(0, from); // zavolaj rekurziu
    }

    /** Hlavna rekurzivna metoda volana z konstruktora.
     * Metoda ako i-ty vrchol cesty ulozi vertex a
     * potom skusa vsetky moznosti ako v ceste pokracovat dalej. */
    private void search(int i, int vertex) {
        // ulozime vrchol do cesty a poznacime ho ako pouzity
        path[i] = vertex;
        visited[vertex] = true;
        // ak sme v cielovom vrchole, porovname cestu s maximom
        if (vertex == to) {
            if (i > maxLength) {
                // ak sme nasli lepsiu cestu, ulozime si ju
                longestPath = Arrays.copyOf(path, i + 1); // kopiruj prvych i+1 prvkov
                maxLength = i;
            }
        } else {
            // ak este nie sme vo vrchole to,
            // pozrieme na susedov aktualneho vrcholu vertex
	    for(int neighbor : g.adjVertices(vertex)) { // prejdi cez susedov
                if (!visited[neighbor]) {
                    // ak este sused nebol navstiveny, preskumame ho rekurzivne
                    search(i + 1, neighbor);
                }
            }
        }
        visited[vertex] = false;
    }

    int[] longestPath() {
        return Arrays.copyOf(longestPath, maxLength + 1);
    }
}

Použitie triedy:

        LongestPath p = new LongestPath(g, 0, 3);
        System.out.println("Najdlhsia cesta: "
                + Arrays.toString(p.longestPath()));

Príklad výstupu na rovnakom grafe ako vyššie:

Najdlhsia cesta: [0, 1, 2, 4, 3]

Hľadanie najdlhšej cesty v grafe s ohodnotenými hranami

Mierna obmena predchádzajúceho problému

Každá hrana v grafe má priradené číslo (váha alebo dĺžka hrany)
Hľadáme cestu z u do v s najväčším súčtom váh hrán

Napr. ak v grafe vyššie majú všetky hrany dĺžku 1, ale hrany {0,2} a {2,3} majú dĺžku 10, dostávame:

Najdlhsia cesta: [0, 2, 3]

Pozor, na hľadanie najkratšej cesty v ohodnotenom grafe sa nedá použiť prehľadávanie do šírky, algoritmy uvidíte v treťom ročníku.

Rozhranie pre graf s ohodnotenými hranami

Potrebujeme v prvom rade takýto graf reprezentovať. V abstraktnom dátovom type potrebujeme aspoň tieto zmeny:

Možnosť pri vkladaní hrany uložiť aj jej dĺžku
Možnosť zistiť dĺžku hrany medzi dvoma vrcholmi, ak existuje (nebudeme implementovať)
Možnosť pri iterovaní cez susedov zistiť dĺžku hrany k susedovi

/** Pomocna trieda reprezentujuca dvojicu sused a
 * vaha hrany k tomuto susedovi. */
class WeightedNeighbor {
    
    private int vertex;    // cislo suseda
    private double weight; // vaha hrany k susedovi
    
    /** Konstruktor dostane vrchol v a vahu w */
    public WeightedNeighbor(int v, double w) {
	vertex = v;
	weight = w;
    }

    public int vertex() { return vertex; }
    double weight() { return weight; }
}

/** Rozhranie pre graf s hranami ohodnotenymi
 * desatinnymi cislami. */
interface WeightedGraph extends Graph {

    /** Pridaj hranu s danou vahou */
    boolean addEdge(int from, int to, double weight);

    /** Iterovatelny zoznam ovahovanych susedov */
    Iterable <WeightedNeighbor> weightedAdjVertices(int vertex);
}

Implementácia ohodnoteného grafu zoznamami susedov

podobná na neváhovanú verziu

/** Trieda reprezentujúca neorientovaný graf s hranami ohodnotenymi
 * desatinnymi cislami. Graf je ulozeny pomocou
 * zoznamov susedov uložených v poli dynamickej dĺžky (ArrayList). */
class WeightedAdjListsGraph implements WeightedGraph {

    /** Zoznam susedov pre každý vrchol (dvojice vrchol, vaha hrany) */
    private ArrayList<ArrayList<WeightedNeighbor>> adjLists;
    /** Počet hrán v grafe */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public WeightedAdjListsGraph(int numVertices) {
        adjLists = new ArrayList<ArrayList<WeightedNeighbor>>(numVertices);
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            adjLists.add(new ArrayList<WeightedNeighbor>());
        }
        numEdges = 0;
    }

    public int getNumberOfVertices() {
        return adjLists.size();
    }

    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    /** Pridanie hrany s vahou 0 */
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        return addEdge(from, to, 0);
    }

    /** Pridanie hrany s danou vahou */
    public boolean addEdge(int from, int to, double weight) {
        adjLists.get(from).add(new WeightedNeighbor(to, weight)); // pridaj hranu v oboch smeroch
        adjLists.get(to).add(new WeightedNeighbor(from, weight));
        numEdges++;
        return true;

    }

    /** Test na existenciu hrany */
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        // prejdeme cez susedov from iteratorom, testujeme na rovnost s to
	for(WeightedNeighbor other : weightedAdjVertices(from)) {
	    if (other.vertex() == to) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    /** Iterátor cez váhovaných susedov vrchola */
    public Iterable <WeightedNeighbor> weightedAdjVertices(int vertex) {
	// vrati ArrayList obaleny, aby sa nedal menit
	return Collections.unmodifiableList(adjLists.get(vertex));
    }

    /** Iterátor cez susedov vrchola */
    public Iterable <Integer> adjVertices(int vertex) {
	// vytvori ArrayList a obali ho, aby sa nedla menit
	ArrayList <Integer> result = new ArrayList<Integer>();
	for(WeightedNeighbor other : weightedAdjVertices(vertex)) {
	    result.add(other.vertex());
	}
	return Collections.unmodifiableList(result);
    }
}

Samotné prehľadávanie

Okrem aktuálnej cesty si musíme pamätať aj jej dĺžku, t.j. súčet váh hrán na ceste
Rekurzia riešená trochu inak: v cykle cez susedov rovno ukladáme suseda do všetkých potrebných polí (lebo vieme váhu hrany)
- Rekurzívne prehľadávanie sa väčšinou dá zapísať veľa rôznymi spôsobmi
- Treba si vždy dobre rozmyslieť, čo robí rekurzívna funkcia a čo by malo platiť o jednotlivýh premenných

/** Trieda, ktora umoznuje najst najdlhsiu cestu
 * medzi dvoma danymi vrcholmi v ovahovanom grafe. */
class LongestWeightedPath {

    /** samotny graf */
    private WeightedGraph g;
    /** pociatocny a koncovy vrchol */
    private int from, to;
    /** najvyssia najdena dlzka cesty */
    private double maxLength;
    /** najlepsia najdena cesta */
    private int[] longestPath;
    /** tvorena cesta */
    private int[] path;
    /** dlzka tvorenej cesty */
    private double length;
    /** vrcholy, ktore su na ceste pouzite */
    private boolean[] visited;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf, pociatocny a koncovy vrchol
     * a spusti rekurzivne vyhladavanie */
    public LongestWeightedPath(WeightedGraph g, int from, int to) {
        this.g = g;  // uloz vstupne data
        this.from = from;
        this.to = to;
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu
        visited = new boolean[n];  // vytvor a inicializuj pole visited
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            visited[i] = false;
        }
        path = new int[n];  // vytvor cestu dlzky 0 obsahujucu iba zac. vrchol
        path[0] = from;
        visited[from] = true;
        length = 0;
        maxLength = -1;     // najlespia najdena cesta
        search(1); // zavolaj rekurziu
    }

    /** Hlavna rekurzivna metoda volana z konstruktora.
     * Metoda skusa pridat novy vrchol na poziciu i a
     * potom skusa vsetky moznosti ako v ceste pokracovat dalej. */
    private void search(int i) {
        int vertex = path[i - 1];  // predchadzajuci vrchol na ceste
        // ak sme v cielovom vrchole, porovname cestu s maximom
        if (vertex == to) {
            if (length > maxLength) {
                // ak sme nasli lepsiu cestu, ulozime si ju
                longestPath = Arrays.copyOf(path, i); // kopiruj prvych i prvkov
                maxLength = length;
            }
        } else {
            // ak este nie sme v cielovom vrchole,
            // pozrieme na susedov predchadzajuceho vrcholu vertex
	    for(WeightedNeighbor other : g.weightedAdjVertices(vertex)) { // prejdi cez susedov
                int neighbor = other.vertex();  // sused vrcholu vertex
                if (!visited[neighbor]) {
                    // ak este sused nebol navstiveny, ulozime ho do cesty
                    // a zavolame rekurziu
                    path[i] = neighbor;
                    visited[neighbor] = true;
                    double weight = other.weight();
                    length += weight;
                    search(i + 1);
                    length -= weight;
                    visited[neighbor] = false;
                }
            }
        }
    }

    int[] longestPath() {
        return Arrays.copyOf(longestPath, longestPath.length);
    }
}

Programy

Programy z tejto prednášky nájdete tu:

Prehľadávanie do šírky: #Prednáška 33#Zdrojový kód programu, grafy
#Zdrojový kód programu, prehľadávanie s návratom na neohodnotených grafoch
#Zdrojový kód programu, prehľadávanie s návratom na ohodnotených grafoch

Zdrojový kód programu, prehľadávanie s návratom na neohodnotených grafoch

niekoľko prehľadávaní s návratom v neohodnotenom grafe (cesta zadanej dĺžky, najdlhšia cesta, najväčšia klika)

package prog;

import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collection;
import java.util.LinkedList;
import java.util.NoSuchElementException;
import java.util.Scanner;

/** Interface reprezentujúci graf s n vrcholmi očíslovanými 0..n-1. */
interface Graph {

    /** Vráti počet vrcholov grafu n. */
    int getNumberOfVertices();

    /** Vráti počet hrán grafu. */
    int getNumberOfEdges();

    /** Do grafu pridá hranu z vrcholu from do vrcholu to,
     * vráti true ak sa ju podarilo pridať. */
    boolean addEdge(int from, int to);

    /** Vráti true, ak existuje hrana z vrcholu from
     * do vrcholu to. */
    boolean existsEdge(int from, int to);

    /** Vráti iterovateľnú skupinu susedov vrchola vertex.
     * V prípade orientovaného grafu vracia iba hrany vychádzajúce z vrchola.
     * Metóda remove iterátora nemusí byť podporovaná. */
    Iterable<Integer> adjVertices(int vertex);
}

/** Trieda reprezentujúca neorientovaný graf pomocou
 * zoznamov susedov uložených v poli dynamickej dĺžky (ArrayList). */
class AdjListsGraph implements Graph {

    /** Zoznam susedov pre každý vrchol */
    private ArrayList<ArrayList<Integer>> adjLists;
    /** Počet hrán v grafe */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public AdjListsGraph(int numVertices) {
        adjLists = new ArrayList<ArrayList<Integer>>(numVertices);
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            adjLists.add(new ArrayList<Integer>());
        }
        numEdges = 0;
    }

    @Override
    public int getNumberOfVertices() {
        return adjLists.size();
    }

    @Override
    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    @Override
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        adjLists.get(from).add(to); // pridaj hranu v oboch smeroch
        adjLists.get(to).add(from);
        numEdges++;
        return true;
    }

    @Override
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        return adjLists.get(from).contains(to); // pozri do zoznamu susedov pre from
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> adjVertices(int vertex) {
	// vrati ArrayList obaleny, aby sa nedal menit
        return Collections.unmodifiableList(adjLists.get(vertex)); 
    }
}

/** Trieda, ktora umoznuje najst vsetky cesty zadanej
 * dlzky medzi dvoma danymi vrcholmi. */
class FixedLengthPaths {

    /** samotny graf */
    private Graph g;
    /** pociatocny a koncovy vrchol */
    private int from, to;
    /** pozadovana dlzka cesty */
    private int length;
    /** tvorena cesta */
    private int[] path;
    /** vrcholy, ktore su na ceste pouzite */
    private boolean[] visited;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf, pociatocny a koncovy vrchol
     * a pozadovanu dlzku cesty a rovno aj spusti rekurzivne vyhladavanie
     * a vypisuje vysledky. */
    public FixedLengthPaths(Graph g, int from, int to, int length) {
        this.g = g;  // uloz vstupne data
        this.from = from;
        this.to = to;
        this.length = length;
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu
        visited = new boolean[n];  // vytvor a inicializuj polia visited a path
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            visited[i] = false;
        }
        path = new int[length + 1];  // length hran, teda length+1 vrcholov
        search(0, from); // zavolaj rekurziu
    }

    /** Hlavna rekurzivna metoda volana z konstruktora.
     * Metoda ako i-ty vrchol cesty ulozi vertex a
     * potom skusa vsetky moznosti ako sa na length-i krokov
     * dostat do cieloveho vrcholu. */
    private void search(int i, int vertex) {
        // ulozime vrchol do cesty a poznacime ho ako pouzity
        path[i] = vertex;
        visited[vertex] = true;
        // ak uz mame cestu dlzky length, pozrieme,
        // ci konci v spravnom vrchole a vypiseme
        if (i == length) {
            if (vertex == to) {
                printPath();
            }
        } else {
            // ak este nemame cestu dlzky length,
            // pozrieme na susedov aktualneho vrcholu vertex
	    for(int neighbor : g.adjVertices(vertex)) { // prejdi cez susedov
                if (!visited[neighbor]) {
                    // ak este sused nebol navstiveny, preskumame ho rekurzivne
                    search(i + 1, neighbor);
                }
            }
        }
        visited[vertex] = false;
    }

    private void printPath() {
        for (int i = 0; i < path.length; i++) {
            System.out.print(" " + path[i]);
        }
        System.out.println();
    }
}

/** Trieda, ktora umoznuje najst najdlhsiu cestu medzi dvoma danymi vrcholmi. */
class LongestPath {

    /** samotny graf */
    private Graph g;
    /** pociatocny a koncovy vrchol */
    private int from, to;
    /** najvyssia najdena dlzka cesty */
    private int maxLength;
    /** najlepsia najdena cesta */
    private int[] longestPath;
    /** tvorena cesta */
    private int[] path;
    /** vrcholy, ktore su na ceste pouzite */
    private boolean[] visited;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf, pociatocny a koncovy vrchol
     * a spusti rekurzivne vyhladavanie */
    public LongestPath(Graph g, int from, int to) {
        this.g = g;  // uloz vstupne data
        this.from = from;
        this.to = to;
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu
        visited = new boolean[n];  // vytvor a inicializuj pole visited
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            visited[i] = false;
        }
        path = new int[n];
        maxLength = -1;
        search(0, from); // zavolaj rekurziu
    }

    /** Hlavna rekurzivna metoda volana z konstruktora.
     * Metoda ako i-ty vrchol cesty ulozi vertex a
     * potom skusa vsetky moznosti ako v ceste pokracovat dalej. */
    private void search(int i, int vertex) {
        // ulozime vrchol do cesty a poznacime ho ako pouzity
        path[i] = vertex;
        visited[vertex] = true;
        // ak sme v cielovom vrchole, porovname cestu s maximom
        if (vertex == to) {
            if (i > maxLength) {
                // ak sme nasli lepsiu cestu, ulozime si ju
                longestPath = Arrays.copyOf(path, i + 1); // kopiruj prvych i+1 prvkov
                maxLength = i;
            }
        } else {
            // ak este nie sme vo vrchole to,
            // pozrieme na susedov aktualneho vrcholu vertex
	    for(int neighbor : g.adjVertices(vertex)) { // prejdi cez susedov
                if (!visited[neighbor]) {
                    // ak este sused nebol navstiveny, preskumame ho rekurzivne
                    search(i + 1, neighbor);
                }
            }
        }
        visited[vertex] = false;
    }

    int[] longestPath() {
        return Arrays.copyOf(longestPath, maxLength + 1);
    }
}

/** Trieda, ktora umoznuje najst maximalnu kliku v danom grafe. */
class MaximumClique {

    /** samotny graf */
    private Graph g;
    /** zoznam vrcholov v najvacsej doteraz najdenej klike */
    private LinkedList<Integer> maxClique;
    /** zoznam vrcholov v aktualnej klike */
    private LinkedList<Integer> clique;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf a spusti rekurzivne vyhladavanie */
    public MaximumClique(Graph g) {
        this.g = g;  // uloz vstupny graf
        // vytvor dve prazdne kliky
        clique = new LinkedList<Integer>();
        maxClique = new LinkedList<Integer>();
        search(0); // zavolaj rekurziu
    }

    /** Hlavna rekurzivna metoda volana z konstruktora.
     * Metoda skusi pouzit aj vynechat vrchol vertex
     * potom skusa vsetky moznosti pre vrcholy vertex+1...n-1. */
    private void search(int vertex) {
        // ak aktualna klika je vacsia ako doterajsie maximum, uloz ju
        if (clique.size() > maxClique.size()) {
            // konstruktor LinkedListu moze vytvorit kopiu inej Collection
            maxClique = new LinkedList<Integer>(clique);
        }
        // ak uz sme vycerpali vsetky vrcholy, nie je co skusat dalej
        if (vertex == g.getNumberOfVertices()) {
            return;
        }
        // otestuj, ci sa vrchol vertex da pridat do kliky
        // a ci ma sancu byt vo vacsej klike ako doteraz najdena
        if (isConnected(g, vertex, clique)
                && degree(g, vertex) + 1 > maxClique.size()) {
            // ak ano, pridaj ho do kliky a zavolaj rekurziu
            clique.addLast(vertex);
            search(vertex + 1);
            // odober vertex x kliky
            clique.removeLast();
        }
        // preskoc vertex a zavolaj rekurziu na ostatne vrcholy
        search(vertex + 1);
    }

   /** pomocna metoda, ktora overi, ci vrchol vertex je v grafe g
     * spojeny s kazdym z vrcholov v mnozine vertexSet. */
    private static boolean isConnected(Graph g, int vertex,
            Collection<Integer> vertexSet) {
        // iterujeme cez mnozinu vertexSet
	for(int v : vertexSet) {
            if (!g.existsEdge(vertex, v)) { // over hranu
                return false;  // hrana nie je
            }
        }
        return true; // vsetky hrany najdene
    }

    /** pomocna metoda, ktora zisti stupen vrchola vertex v grafe g */
    private static int degree(Graph g, int vertex) {
        // iterujeme cez susedov vrchola, zvysujeme pocitadlo result
        int result = 0;
	for(int x : g.adjVertices(vertex)) {
            result++;
        }
        return result;
    }

    /** vrati maximalnu kliku najdenu v grafe g */
    public LinkedList<Integer> maxClique() {
        // vrat kopiu nasej najlepsej kliky
        return new LinkedList<Integer>(maxClique);
    }
}

public class Prog {

    /** Zo scannera s načíta graf vo formáte: počet vrcholov,
     * počet hrán a zoznam hrán zadaných koncami vrcholov.
     * Uloží ho ako AdjMatrixGraph. */
    static Graph readGraph(Scanner s) {
        int n = s.nextInt();
        int m = s.nextInt();
        Graph g = new AdjListsGraph(n);
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            int u = s.nextInt();
            int v = s.nextInt();
            g.addEdge(u, v);
        }
        return g;
    }

    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {

        Scanner s = new Scanner(new File("graph.txt"));
        Graph g = readGraph(s);
        s.close();

        for (int length = 1; length < g.getNumberOfVertices(); length++) {
            System.out.println("Cesty dlzky " + length + ":");
            FixedLengthPaths p = new FixedLengthPaths(g, 0, 3, length);
        }

        LongestPath p = new LongestPath(g, 0, 3);

        System.out.println("Najdlhsia cesta: "
                + Arrays.toString(p.longestPath()));

        MaximumClique c = new MaximumClique(g);
        System.out.println(
                "Maximalna klika: "
                + c.maxClique().toString());

    }
}


/* Priklad vstupu (ulozit do graph.txt)
    5 7
    0 1
    0 2
    0 3
    1 2
    2 3
    2 4
    3 4
*/

Zdrojový kód programu, prehľadávanie s návratom na ohodnotených grafoch

graf s ohodnotenými hranami a hľadanie najdlhšej cesty v ňom

package prog;

import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collection;
import java.util.Collections;
import java.util.Iterator;
import java.util.LinkedList;
import java.util.NoSuchElementException;
import java.util.Scanner;

/** Interface reprezentujúci graf s n vrcholmi očíslovanými 0..n-1. */
interface Graph {

    /** Vráti počet vrcholov grafu n. */
    int getNumberOfVertices();

    /** Vráti počet hrán grafu. */
    int getNumberOfEdges();

    /** Do grafu pridá hranu z vrcholu from do vrcholu to,
     * vráti true ak sa ju podarilo pridať. */
    boolean addEdge(int from, int to);

    /** Vráti true, ak existuje hrana z vrcholu from
     * do vrcholu to. */
    boolean existsEdge(int from, int to);

    /** Vráti iterovateľnú skupinu susedov vrchola vertex.
     * V prípade orientovaného grafu vracia iba hrany vychádzajúce z vrchola.
     * Metóda remove iterátora nemusí byť podporovaná. */
    Iterable<Integer> adjVertices(int vertex);
}

/** Trieda reprezentujúca neorientovaný graf pomocou
 * zoznamov susedov uložených v poli dynamickej dĺžky (ArrayList). */
class AdjListsGraph implements Graph {

    /** Zoznam susedov pre každý vrchol */
    private ArrayList<ArrayList<Integer>> adjLists;
    /** Počet hrán v grafe */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public AdjListsGraph(int numVertices) {
        adjLists = new ArrayList<ArrayList<Integer>>(numVertices);
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            adjLists.add(new ArrayList<Integer>());
        }
        numEdges = 0;
    }

    @Override
    public int getNumberOfVertices() {
        return adjLists.size();
    }

    @Override
    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    @Override
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        adjLists.get(from).add(to); // pridaj hranu v oboch smeroch
        adjLists.get(to).add(from);
        numEdges++;
        return true;
    }

    @Override
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        return adjLists.get(from).contains(to); // pozri do zoznamu susedov pre from
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> adjVertices(int vertex) {
        return adjLists.get(vertex); // vrati ArrayList
    }
}

/** Pomocna trieda reprezentujuca dvojicu sused a
 * vaha hrany k tomuto susedovi. */
class WeightedNeighbor {

    private int vertex;    // cislo suseda
    private double weight; // vaha hrany k susedovi

    /** Konstruktor dostane vrchol v a vahu w */
    public WeightedNeighbor(int v, double w) {
        vertex = v;
        weight = w;
    }

    public int vertex() {
        return vertex;
    }
    double weight() {
        return weight;
    }
}

/** Interface pre graf s hranami ohodnotenymi
 * desatinnymi cislami. */
interface WeightedGraph extends Graph {

    /** Pridaj hranu s danou vahou */
    boolean addEdge(int from, int to, double weight);

    /** Iterovatelny zoznam ovahovanych susedov */
    Iterable <WeightedNeighbor> weightedAdjVertices(int vertex);
}

/** Trieda reprezentujúca neorientovaný graf s hranami ohodnotenymi
 * desatinnymi cislami. Graf je ulozeny pomocou
 * zoznamov susedov uložených v poli dynamickej dĺžky (ArrayList). */
class WeightedAdjListsGraph implements WeightedGraph {

    /** Zoznam susedov pre každý vrchol (dvojice vrchol, vaha hrany) */
    private ArrayList<ArrayList<WeightedNeighbor>> adjLists;
    /** Počet hrán v grafe */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public WeightedAdjListsGraph(int numVertices) {
        adjLists = new ArrayList<ArrayList<WeightedNeighbor>>(numVertices);
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            adjLists.add(new ArrayList<WeightedNeighbor>());
        }
        numEdges = 0;
    }

    public int getNumberOfVertices() {
        return adjLists.size();
    }

    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    /** Pridanie hrany s vahou 0 */
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        return addEdge(from, to, 0);
    }

    /** Pridanie hrany s danou vahou */
    public boolean addEdge(int from, int to, double weight) {
        adjLists.get(from).add(new WeightedNeighbor(to, weight)); // pridaj hranu v oboch smeroch
        adjLists.get(to).add(new WeightedNeighbor(from, weight));
        numEdges++;
        return true;

    }

    /** Test na existenciu hrany */
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        // prejdeme cez susedov from iteratorom, testujeme na rovnost s to
        for (WeightedNeighbor other : weightedAdjVertices(from)) {
            if (other.vertex() == to) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    /** Iterátor cez váhovaných susedov vrchola */
    public Iterable <WeightedNeighbor> weightedAdjVertices(int vertex) {
        // vrati ArrayList obaleny, aby sa nedal menit
        return Collections.unmodifiableList(adjLists.get(vertex));
    }

    /** Iterátor cez susedov vrchola */
    public Iterable <Integer> adjVertices(int vertex) {
        // vytvori ArrayList a obali ho, aby sa nedla menit
        ArrayList <Integer> result = new ArrayList<Integer>();
        for (WeightedNeighbor other : weightedAdjVertices(vertex)) {
            result.add(other.vertex());
        }
        return Collections.unmodifiableList(result);
    }
}


/** Trieda, ktora umoznuje najst najdlhsiu cestu
 * medzi dvoma danymi vrcholmi v ovahovanom grafe. */
class LongestWeightedPath {

    /** samotny graf */
    private WeightedGraph g;
    /** pociatocny a koncovy vrchol */
    private int from, to;
    /** najvyssia najdena dlzka cesty */
    private double maxLength;
    /** najlepsia najdena cesta */
    private int[] longestPath;
    /** tvorena cesta */
    private int[] path;
    /** dlzka tvorenej cesty */
    private double length;
    /** vrcholy, ktore su na ceste pouzite */
    private boolean[] visited;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf, pociatocny a koncovy vrchol
     * a spusti rekurzivne vyhladavanie */
    public LongestWeightedPath(WeightedGraph g, int from, int to) {
        this.g = g;  // uloz vstupne data
        this.from = from;
        this.to = to;
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu
        visited = new boolean[n];  // vytvor a inicializuj pole visited
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            visited[i] = false;
        }
        path = new int[n];  // vytvor cestu dlzky 0 obsahujucu iba zac. vrchol
        path[0] = from;
        visited[from] = true;
        length = 0;
        maxLength = -1;     // najlespia najdena cesta
        search(1); // zavolaj rekurziu
    }

    /** Hlavna rekurzivna metoda volana z konstruktora.
     * Metoda skusa pridat novy vrchol na poziciu i a
     * potom skusa vsetky moznosti ako v ceste pokracovat dalej. */
    private void search(int i) {
        int vertex = path[i - 1];  // predchadzajuci vrchol na ceste
        // ak sme v cielovom vrchole, porovname cestu s maximom
        if (vertex == to) {
            if (length > maxLength) {
                // ak sme nasli lepsiu cestu, ulozime si ju
                longestPath = Arrays.copyOf(path, i); // kopiruj prvych i prvkov
                maxLength = length;
            }
        } else {
            // ak este nie sme v cielovom vrchole,
            // pozrieme na susedov predchadzajuceho vrcholu vertex
            for (WeightedNeighbor other : g.weightedAdjVertices(vertex)) { // prejdi cez susedov
                int neighbor = other.vertex();  // sused vrcholu vertex
                if (!visited[neighbor]) {
                    // ak este sused nebol navstiveny, ulozime ho do cesty
                    // a zavolame rekurziu
                    path[i] = neighbor;
                    visited[neighbor] = true;
                    double weight = other.weight();
                    length += weight;
                    search(i + 1);
                    length -= weight;
                    visited[neighbor] = false;
                }
            }
        }
    }

    int[] longestPath() {
        return Arrays.copyOf(longestPath, longestPath.length);
    }
}

public class Prog {

    /** Zo scannera s načíta graf vo formáte: počet vrcholov,
     * počet hrán a zoznam hrán zadaných koncami vrcholov a vahami. */
    static WeightedGraph readGraph(Scanner s) {
        int n = s.nextInt();
        int m = s.nextInt();
        WeightedGraph g = new WeightedAdjListsGraph(n);
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            int u = s.nextInt();
            int v = s.nextInt();
            double weight = s.nextDouble();
            g.addEdge(u, v, weight);
        }
        return g;
    }

    public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException {

        Scanner s = new Scanner(new File("weightedGraph.txt"));
        WeightedGraph g = readGraph(s);
        s.close();

        LongestWeightedPath p = new LongestWeightedPath(g, 0, 3);
        System.out.println("Najdlhsia cesta: "
                           + Arrays.toString(p.longestPath()));

    }
}

/* Priklad vstupu (ulozit do weightedGraph.txt)

5 7
0 1 1
0 2 10
0 3 1
1 2 1
2 3 10
2 4 1
3 4 1

*/

Cvičenia 22

Šachovnica

Máme danú šachovnicu n x m, na ktorej sú niektoré políčka obsadené figúrkami. Na políčku (i,j) stojí kôň. Na ktoré políčka šachovnice vie preskákať, pričom môže použiť aj viacero ťahov, ale môže chodiť iba po prázdnych políčkach?

Použite prehľadávanie do hĺbky na grafe, v ktorom sú vrcholy jednotlivé políčka a hrany spájajú dvojice voľných políčok, medzi ktorými môže kôň skočiť. Môžete vytvoriť graf v niektorej reprezentácii, alebo to riešiť priamo v matici visited rozmerov n x m.
Šachový kôň môže z pozície (i,j) skočiť na jednu z pozícií (i+2,j+1), (i+2,j-1), (i-2,j+1), (i-2,j-1), (i+1,j+2), (i+1,j-2), (i-1,j+2), (i-1,j-2)

Šachovnica 2

Pokračujme s príkladom s koňom, ale namiesto prehľadávania do hĺbky použite prehľadávanie do šírky:

Pre každé prázdne políčko v šachovnici spočítajte, na aký najmenší počet ťahov na neho vie kôň doskákať. Ak naňho vôbec nevie doskákať, vypíšte -1. Umožnite tiež vypísať postupnosť polí, na ktoré kôň pri presune skočí.
Použite prehľadávanie do šírky na grafe, v ktorom sú vrcholy jednotlivé políčka a hrany spájajú dvojice voľných políčok, medzi ktorými môže kôň skočiť. Môžete vytvoriť graf v niektorej reprezentácii, alebo to riešiť priamo v matici dist n x m.
Prehľadávanie do šírky nájdete v programe pre prednášku 33, trieda ShortestPaths.

Najdlhší cýklus

Program na hľadanie najdlhšej cesty z u do v v neohodnotenom grafe zmeňte na hľadanie najdlhšieho cyklu, ktorý začína a končí v danom vrchole v

Cyklus je postupnosť vrcholov Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle v_0,v_1,...,v_k} taká, že každé dva za sebou idúce vrcholy Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle v_i} a Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle v_{i+1}} sú spojené hranou, Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle v_0=v_k} a žiaden iný vrchol sa v postupnosti neopakuje.

Prednáška 35

Poslednú DÚ odovzdávajte do 16.5. do 22:00
V stredu rozcvička na grafy
Projekty bude treba odovzdať pravdepodobne do nedele 20.5. 22:00, predvádzanie upresníme
Piatok 18.5. o 13:00 v posluchárni B záverečná písomka
Termíny skúšok
- Streda 23.5. 9:00 v H6 (riadny)
- Štvrtok 7.6. 9:00 v H6 (riadny alebo 1. opravný)
- Streda 20.6. 9:00 v H6 (1. alebo 2. opravný)
- Koncom júna bude ešte 2. opravný termín, dátum upresníme neskôr
Prípadné konflikty s dátumami písomky alebo skúšok nám dajte vedieť čím skôr
Ak by ste chceli nejakú skupinovú konzultáciu pred skúškou alebo testom, dajte nám vedieť

Informácie ku skúške

Potrebné informácie a cvičné príklady nájdete na stránke #Letný semester, test a skúška
Na skúške budete dopisovať do hotového programu #GraphGUI

Orientované grafy

V orientovanom grafe má každá hrana smer (zobrazujeme ako šípku z jedného vrcholu do druhého)

napríklad jednosmerné ulice, závislosti medzi úlohami
v cestách a cykloch zväčša vyžadujeme, aby išli iba v smere šípky

Pre orientované grafy môžeme využiť existujúci interface Graph ako sme ho mali definovaný pri neorientovaných grafoch.

Pri implementácii funkcie addEdge však vložíme hranu iba jedným smerom. Napr. pre hranu (0,1) vložíme 1 medzi susedov 0 ale nie 0 medzi susedov 1.
Funkcia existsEdge nám potom pre parametre (0,1) odpovie true ale pre (1,0) odpovie false.
Iterátor adjIterator bude poskytovať iba vychádzajúce hrany

Prehľadávanie do hĺbky

V takto implementovanom grafe môžeme použiť prehľadávanie do hĺbky z minulých prednášok na zistenie existencie orientovanej cesty medzi dvoma vrcholmi.

Treba si však uvedomiť, že podobne, ako existencia hrany (0,1) nehovorí nič o hrane (1,0) ani existencia cesty medzi dvomi vrcholmi nie je obojsmerná
Keďže však máme k dispozícii iterátor cez výstupné hrany, vytvárame práve správne orientované cesty

void search(int vertex, boolean[] visited) {
    visited[vertex] = true;  
    //prejdi cez vchadzajuce hrany
    for (int neighbor: g.adjVertices(vertex)){
        // ak este sused nebol vobec navstiveny, navstiv do rekurzivne
        if (!visited[neighbor]) {
            search(neighbor,visited); // navstivime ho rekurzivne
        }
    }
}

Čo ak by sme chceli vypísať cestu z vrcholu u do vrcholu v?
Viacnásobným použitím funkcie vieme získať zoznamy vrcholov, ktoré sú dosiahnuteľné z jednotlivých vrcholov.

Cvičenie:

Zamyslite sa, čo by robil algoritmus na hľadanie komponentov z prednášky 33 na orientovanom grafe - funguje? prečo?

Prehľadávanie do šírky a najkratšie cesty v neohodnotenom orientovanom grafe

Podobne ako prehľadávanie do hĺbky aj prehľadávanie do šírky je na orientovanom (neohodnotenom) grafe rovnako použiteľné.

Získame najkratšie orientované cesty z vrchola do všetkých ostatných vrcholov
Môžeme si hrany rozdeliť na stromové (ktoré objavili vrchol) a ostatné

Je orientovaný graf strom?

Orientovaný graf je strom práve vtedy, keď

má práve jeden koreň, do ktorého nevchádza žiadna hrana
z koreňa je možné dosiahnuť všetky ostatné vrcholy
do každého vrcholu okrem koreňa vchádza práve jedna hrana

Ako by sme presne implementovali v našom interface Graph?

napíšte metódu, ktorá do poľa pre každý vrchol orientovaného grafu spočíta, koľko hrán do neho vstupuje

Topologické triedenie, existencia cyklu

Motivačná úloha:

Na úrade potrebujeme vybaviť niekoľko potvrdení. Ale číha tam na nás byrokracia: o niektorých dvojiciach potvrdení vieme, že na získanie potvrdenia B potrebujeme predložiť potvrdenie A.
Úlohou je nájsť poradie (a zistiť, či také vôbec existuje) ako potvrdenia na úrade vybavovať.
Úlohu reprezentujeme ako orientovaný graf, kde vrcholy sú potvrdenia a hrany závislosti medzi nimi.

Topologické usporiadanie orientovaného grafu je permutácia jeho vrcholov Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle v_1,v_2,\dots v_n} taká, že pre každú hranu Syntaktická analýza (parsing) neúspešná (MathML (experimentálne): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle (v_i,v_j)} platí, že i<j

t.j. všetky hrany idú v permutácii zľava doprava
orientovaný graf môže mať aj viac ako jedno topologické usporiadanie
- Koľko najviac topologických usporiadaní môže mať orientovaný graf s n vrcholmi? Pre aký graf sa to stane?
Môže sa však stať, že graf nemá žiadne topologické usporiadanie
- To sa stane práve vtedy, ak je v grafe orientovaný cyklus
- Zjavne ak je v grafe orientovaný cyklus, topologické usporiadanie neexistuje, lebo v topologickom usporiadaní idú hrany zľava doprava a cyklus sa nemá ako vrátiť späť
- Skúste si dokázať aj opačnú implikáciu
- Graf bez cyklu voláme acyklický

Samotné topologické triedenie bude pracovať nasledovne:

ak máme vrchol, do ktorého nevchádza žiadna hrana, môžeme ho vypísať (potvrdenie, ktoré nemá žiadne závislosti)
z tohto vrcholu vychádzajú hrany, môžeme ich odteraz ignorovať (splnené závislosti)
pre každý vrchol si pamätáme počet zatiaľ nesplnených závislostí
- na začiatku to bude počet hrán vchádzajúcich do vrchola
- keď vypíšeme vrchol v, prejdeme všetky hrany z neho vychádzajúce a vrcholom na druhom konci znížime počet nesplnených závislostí
udržujeme si tiež množinu vrcholov, ktoré už nemajú nesplnené závislosti a v každom kroku jeden vrchol z nej vyberieme a vypíšeme

 
    /* Statická metóda, ktorá dostane orientovaný acyklický graf 
     * a vráti zoznam jeho vrcholov
     * v topologickom usporiadaní */
    public static ArrayList<Integer> TopologicalSort(Graph g) {
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu

        // inicializuj pocet nesplnenych zavislosti, potom
        // prejdi vsetky hrany a zvysuj
        int[] numberOfPrerequisites = new int[n];
        for (int vertex = 0; vertex < n; vertex++) {
            numberOfPrerequisites[vertex] = 0;
        }
        for (int vertex = 0; vertex < n; vertex++) {
            for (int neighbor : g.adjVertices(vertex)) {
                numberOfPrerequisites[neighbor]++;
            }
        }

        // vsetky vrcholy bez zavislosti pridaj do mnoziny ready
        LinkedList<Integer> ready = new LinkedList<Integer>();
        for (int vertex = 0; vertex < n; vertex++) {
            if (numberOfPrerequisites[vertex] == 0) {
                ready.add(vertex);
            }
        }

        // inicializuj vysledok
        ArrayList<Integer> order = new ArrayList<Integer>();  
        // hlavny cyklus - vyberaj vrchol z mnoziny ready a pridavaj do order
        while (!ready.isEmpty()) {
            int vertex = ready.remove();
            order.add(vertex);
            // pre susedov vypisaneho vrchola zniz pocet zavislosti
            for (int neighbor : g.adjVertices(vertex)) {
                numberOfPrerequisites[neighbor]--;
                // ak to bola posledna zavislost, vrchol je uz vypisatelny
                if (numberOfPrerequisites[neighbor] == 0) {
                    ready.add(neighbor);
                }
            }
        }
        return order;
    }

Čo spraví tento program, ak mu dáme vstupný graf, v ktorom je orientovaný cyklus?

Ak sa nám do poľa order podarilo dať všetky vrcholy, máme topologické usporiadanie, graf je teda acyklický

ak máme v poli order menej ako n vrcholov, každý vrchol má aspoň jednu nesplnenú závislosť
topologické triedenie teda v tomto prípade nemôže existovať (žiaden vrchol nemôže ísť prvý)
graf má teda cyklus

Cvičenie:

Upravte program tak, aby v prípade, že graf má orientovaný cyklus, funkcia TopologicalSort vrátila null
Napíšte program, ktorý v prípade, že graf nie je acyklický, v ňom nájde orientovaný cyklus.

Existencia cyklu a topologické triedenie pomocou prehľadávania do hĺbky

Trochu iný prístup založený na malej modifikácii prehľadávania do hĺbky, ale ťažšie vidieť, že funguje (dobré precvičenie)

Do prehľadávania do hĺbky pridáme pole finished

keď začneme rekurziu pre vrchol v, nastavíme visited[v]=true (ako predtým)
keď končíme rekurziu pre vrchol v, nastavíme finished[v]=true

V danom bode behu algoritmu máme vrcholy troch typov:

ešte nenavštívené, visited[v] aj finished[v] je false
už ukončené, visited[v] aj finished[v] je true
rozrobené, visited[v] je true, ale finished[v] je false

Rozrobené vrcholy sú všetky na zásobníku a sú spojené orientovanou cestou

Topologické triedenie:

Vždy keď nastavíme finished[v]=true, pridáme v do poľa order
Po prehľadaní celého grafu otočíme poradie poľa order

Predstavme si, že kontrolujeme hrany vychádzajúce z vrchola v, ktorý je teste pred dokončením, t.j. po tom, ako sme pozreli jeho susedov, ale predtým ako sme ho dali do poľa order. Kam môžu ísť?

Do ešte nenavštíveného vrchola u. To sa nestane, lebo by sme predtým zavolali rekurziu pre u.
Do ukončeného vrchola u. Ten už je v poli order, ale v tam ešte nie je. Hrana (u,v) teda pôjde vo výsledku zľava doprava.
Do rozrobeného vrchola u. Toto ale znamená existenciu cyklu v grafe, takže topologické triedenie neexistuje.

class TopologicalSort {

    /** Samotny graf */
    private Graph g;
    /** Zoznam vrcholov v topologickom usporiadani */
    private ArrayList<Integer> order;
    /** Indikator, ci je graf acyklicky  */
    private boolean acyclic;
    /** Pole indikujuce, ci sme uz vrchol v prehladavani navstivili */
    private boolean[] visited;
    /** Pole indikujuce, ci sme uz ukoncili prehladavanie vrchola
     * a vsetkych jeho nasledovnikov */
    private boolean[] finished;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf a prehladavanim do hlbky
     * testuje acyklickost grafu a hlada topologicke usporiadanie */
    public TopologicalSort(Graph g) {
        this.g = g;  // uloz graf
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu

        order = new ArrayList<Integer>();  // inicializuj vysledok
	acyclic = true;      // zatial sme nevideli cyklus

	visited = new boolean[n];
        finished = new boolean[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            visited[i] = false;
            finished[i] = false;
        }
        // prechadzaj cez vrchol a ak najdes nevyfarbeny,
        // spusti prehladavanie 
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (!visited[i]) {
                search(i);
            }
        }
        Collections.reverse(order); //prevratime poradie vrcholov
    }
    

    /** Pomocna rekurzivna metoda pouzivana v konstruktore 
     * na vyfarbenie vsetkych nasledovnikov vrchola vertex */
    private void search(int vertex) {
        visited[vertex] = true;  // uz sme ho navstivili
        //prejdi cez vychadzajuce hrany
        for (int neighbor: g.adjVertices(vertex)){
            // ak uz sme suseda navstivili, ale este nie je
            // ukonceny, mame cyklus
            if (visited[neighbor] && !finished[neighbor]) {
                acyclic = false;
            }
            // ak este sused nebol vobec navstiveny, navstiv do rekurzivne
            if (!visited[neighbor]) {
                search(neighbor); // navstivime ho rekurzivne
            }
        }
        // ukoncili sme prehladavanie aktualneho vrcholu
        // poznac ako ukonceny a pridaj ho do zoznamu
        finished[vertex] = true;
        order.add(vertex);
    }
    ...
}

Zdrojový kód programu, topologické triedenie 1

Pomocou počítania závislostí

package prog;

import java.io.*;
import java.util.*;

/** Interface reprezentujúci graf s n vrcholmi očíslovanými 0..n-1. */
interface Graph {

    /** Vráti počet vrcholov grafu n. */
    int getNumberOfVertices();

    /** Vráti počet hrán grafu. */
    int getNumberOfEdges();

    /** Do grafu pridá hranu z vrcholu from do vrcholu to,
     * vráti true ak sa ju podarilo pridať. */
    boolean addEdge(int from, int to);

    /** Vráti true, ak existuje hrana z vrcholu from
     * do vrcholu to. */
    boolean existsEdge(int from, int to);

    /** Vráti iterovateľnú skupinu susedov vrchola vertex.
     * V prípade orientovaného grafu vracia iba hrany vychádzajúce z vrchola.
     * Metóda remove iterátora nemusí byť podporovaná. */
    Iterable<Integer> adjVertices(int vertex);
}

/** Trieda reprezentujúca orientovaný graf pomocou
 * zoznamov susedov uložených v poli dynamickej dĺžky (ArrayList). */
class AdjListsGraph implements Graph {

    /** Zoznam susedov pre každý vrchol */
    private ArrayList<ArrayList<Integer>> adjLists;
    /** Počet hrán v grafe */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public AdjListsGraph(int numVertices) {
        adjLists = new ArrayList<ArrayList<Integer>>(numVertices);
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            adjLists.add(new ArrayList<Integer>());
        }
        numEdges = 0;
    }

    @Override
    public int getNumberOfVertices() {
        return adjLists.size();
    }

    @Override
    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    @Override
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        adjLists.get(from).add(to); // pridaj hranu v jednom smere
        numEdges++;
        return true;
    }

    @Override
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        return adjLists.get(from).contains(to); // pozri do zoznamu susedov pre from
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> adjVertices(int vertex) {
        // vrati ArrayList obaleny, aby sa nedal menit
        return Collections.unmodifiableList(adjLists.get(vertex)); 
    }
}

/** Trieda obsahujuca topologicke usporiadanie vrcholov orientovaneho grafu */
class TopologicalSort {

    /** samotny graf */
    private Graph g;
    /** Zoznam vrcholov v topologickom usporiadani */
    private ArrayList<Integer> order;
    /** Indikator, ci je graf acyklicky  */
    private boolean acyclic;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf a prehladavanim do hlbky
     * testuje acyklickost grafu a hlada topologicke usporiadanie */
    public TopologicalSort(Graph g) {
        this.g = g;  // uloz graf
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu

	// inicializuj pocet nesplnenych zavislosti, potom 
	// prejdi vsetky hrany a zvysuj
        int[] numberOfPrerequisites = new int[n];
        for (int vertex = 0; vertex < n; vertex++) {
            numberOfPrerequisites[vertex] = 0;
        }
        for (int vertex = 0; vertex < n; vertex++) {
	    for (int neighbor: g.adjVertices(vertex)){	    
		numberOfPrerequisites[neighbor]++;
	    }
	}

	// vsetky vrcholy bez zavislosti pridaj do mnoziny ready
	LinkedList<Integer> ready = new LinkedList<Integer>();
        for (int vertex = 0; vertex < n; vertex++) {
            if(numberOfPrerequisites[vertex] == 0) {
		ready.add(vertex);
	    }
	}

        order = new ArrayList<Integer>();  // inicializuj vysledok
	// hlavny cyklus - vyberaj vrchol z mnoziny ready a pridavaj do order
	while (!ready.isEmpty()){   
	    int vertex = ready.remove();
	    order.add(vertex);
	    // pre susedov vypisaneho vrchola potrebujem znizit pocet zavislosti
	    for (int neighbor : g.adjVertices(vertex)){
		numberOfPrerequisites[neighbor]--;
		// ak to bola posledna zavislost, vrchol je uz vypisatelny
		if(numberOfPrerequisites[neighbor]==0) {
		    ready.add(neighbor);
		} 
	    }
        }

        acyclic = (order.size()==n);
    }
    
    /** vratil, ci je vstupny graf acyklicky */
    public boolean isAcyclic() {
        return acyclic;
    }

    /** ak je graf acyklicky, vrati topologicke usporiadanie vrcholov */
    public ArrayList<Integer> order() {
        if (!acyclic) {
            return null;
        }
        return new ArrayList<Integer>(order);
    }
}

public class Prog {

    /** Zo scannera s načíta graf vo formáte: počet vrcholov,
     * počet hrán a zoznam hrán zadaných koncami vrcholov.
     * Uloží ho ako AdjMatrixGraph. */
    static Graph readGraph(Scanner s) {
        int n = s.nextInt();
        int m = s.nextInt();
        Graph g = new AdjListsGraph(n);
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            int u = s.nextInt();
            int v = s.nextInt();
            g.addEdge(u, v);
        }
        return g;
    }
    

    public static void main(String[] args) {

        Scanner s = new Scanner(System.in);
        Graph g = readGraph(s);
        s.close();
      
        TopologicalSort sort = new TopologicalSort(g);
        if (sort.isAcyclic()) {
            System.out.println("Topologicke usporiadanie: " + sort.order());
        } else {
            System.out.println("Graf ma cyklus");
        }
    }
}
/** Priklad vstupu bez cyklu:

4 4
1 0
2 0
2 1
3 1

 *  s cyklom:
4 4
1 0
0 2
2 1
3 1

 */

Zdrojový kód programu, topologické triedenie 2

Pomocou prehľadávania do hĺbky

package prog;

import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Scanner;
import java.util.Collections;

/** Interface reprezentujúci graf s n vrcholmi očíslovanými 0..n-1. */
interface Graph {

    /** Vráti počet vrcholov grafu n. */
    int getNumberOfVertices();

    /** Vráti počet hrán grafu. */
    int getNumberOfEdges();

    /** Do grafu pridá hranu z vrcholu from do vrcholu to,
     * vráti true ak sa ju podarilo pridať. */
    boolean addEdge(int from, int to);

    /** Vráti true, ak existuje hrana z vrcholu from
     * do vrcholu to. */
    boolean existsEdge(int from, int to);

    /** Vráti iterovateľnú skupinu susedov vrchola vertex.
     * V prípade orientovaného grafu vracia iba hrany vychádzajúce z vrchola.
     * Metóda remove iterátora nemusí byť podporovaná. */
    Iterable<Integer> adjVertices(int vertex);
}

/** Trieda reprezentujúca orientovaný graf pomocou
 * zoznamov susedov uložených v poli dynamickej dĺžky (ArrayList). */
class AdjListsGraph implements Graph {

    /** Zoznam susedov pre každý vrchol */
    private ArrayList<ArrayList<Integer>> adjLists;
    /** Počet hrán v grafe */
    private int numEdges;

    /** Konštruktor dostane počet vrcholov grafu */
    public AdjListsGraph(int numVertices) {
        adjLists = new ArrayList<ArrayList<Integer>>(numVertices);
        for (int i = 0; i < numVertices; i++) {
            adjLists.add(new ArrayList<Integer>());
        }
        numEdges = 0;
    }

    @Override
    public int getNumberOfVertices() {
        return adjLists.size();
    }

    @Override
    public int getNumberOfEdges() {
        return numEdges;
    }

    @Override
    public boolean addEdge(int from, int to) {
        adjLists.get(from).add(to); // pridaj hranu v jednom smere
        numEdges++;
        return true;
    }

    @Override
    public boolean existsEdge(int from, int to) {
        return adjLists.get(from).contains(to); // pozri do zoznamu susedov pre from
    }

    @Override
    public Iterable<Integer> adjVertices(int vertex) {
        // vrati ArrayList obaleny, aby sa nedal menit
        return Collections.unmodifiableList(adjLists.get(vertex)); 
    }
}

/** Trieda obsahujuca topologicke usporiadanie vrcholov orientovaneho grafu */
class TopologicalSort {

    /** samotny graf */
    private Graph g;
    /** Zoznam vrcholov v topologickom usporiadani */
    private ArrayList<Integer> order;
    /** Indikator, ci je graf acyklicky  */
    private boolean acyclic;
    /** Pole indikujuce, ci sme uz vrchol v prehladavani navstivili */
    private boolean[] visited;
    /** Pole indikujuce, ci sme uz ukoncili prehladavanie vrchola
     * a vsetkych jeho nasledovnikov */
    private boolean[] finished;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf a prehladavanim do hlbky
     * testuje acyklickost grafu a hlada topologicke usporiadanie */
    public TopologicalSort(Graph g) {
        this.g = g;  // uloz graf
        int n = g.getNumberOfVertices();  // pocet vrcholov grafu

        order = new ArrayList<Integer>();  // inicializuj vysledok
        acyclic = true;  // zatial sme nevideli cyklus

	visited = new boolean[n];
        finished = new boolean[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            visited[i] = false;
            finished[i] = false;
        }
        // prechadzaj cez vrchol a ak najdes nevyfarbeny,
        // spusti prehladavanie 
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (!visited[i]) {
                search(i);
            }
        }
	Collections.reverse(order); //prevratime poradie vrcholov
    }
    

    /** Pomocna rekurzivna metoda pouzivana v konstruktore 
     * na vyfarbenie vsetkych nasledovnikov vrchola vertex */
    private void search(int vertex) {
        visited[vertex] = true;  // uz sme ho navstivili
        //prejdi cez vychadzajuce hrany
        for (int neighbor: g.adjVertices(vertex)){
            // ak uz sme suseda navstivili, ale este nie je
            // ukonceny, mame cyklus
            if (visited[neighbor] && !finished[neighbor]) {
                acyclic = false;
            }
            // ak este sused nebol vobec navstiveny, navstiv do rekurzivne
            if (!visited[neighbor]) {
                search(neighbor); // navstivime ho rekurzivne
            }
        }
        // ukoncili sme prehladavanie aktualneho vrcholu
        // poznac ako ukonceny a pridaj ho do zoznamu
        finished[vertex] = true;
        order.add(vertex);
    }

    /** vratil, ci je vstupny graf acyklicky */
    public boolean isAcyclic() {
        return acyclic;
    }

    /** ak je graf acyklicky, vrati topologicke usporiadanie vrcholov */
    public ArrayList<Integer> order() {
        if (!acyclic) {
            return null;
        }
        return new ArrayList<Integer>(order);
    }
}

public class Prog {

    /** Zo scannera s načíta graf vo formáte: počet vrcholov,
     * počet hrán a zoznam hrán zadaných koncami vrcholov.
     * Uloží ho ako AdjMatrixGraph. */
    static Graph readGraph(Scanner s) {
        int n = s.nextInt();
        int m = s.nextInt();
        Graph g = new AdjListsGraph(n);
        for (int i = 0; i < m; i++) {
            int u = s.nextInt();
            int v = s.nextInt();
            g.addEdge(u, v);
        }
        return g;
    }
    

    public static void main(String[] args) {

        Scanner s = new Scanner(System.in);
        Graph g = readGraph(s);
        s.close();
      
        TopologicalSort sort = new TopologicalSort(g);
        if (sort.isAcyclic()) {
            System.out.println("Topologicke usporiadanie: " + sort.order());
        } else {
            System.out.println("Graf ma cyklus");
        }
    }
}
/** Priklad vstupu bez cyklu:

4 4
1 0
2 0
2 1
3 1

 *  s cyklom:
4 4
1 0
0 2
2 1
3 1

 */

Cvičenia 23

Prehľadávanie s návratom:

Napíšte program, ktorý pomocou prehľadávania s návratom nájde najmenšiu dominujúcu množinu v grafe.

Dominujúca množina je taká množina vrcholov X, že každý vrchol grafu je buď v X, alebo susedí s nejakým vrcholom v X.
Napríklad hrany sú rovné chodby a vrcholy križovatky. Strážnik stojaci vo vrchole má pod kontrolou túto križovatku aj všetky s ňou susedné. Chceme s použitím čo najmešieho počtu strážnikov mať pod kontrolou všetky vrcholy grafu.

Algoritmus:

V každom rekurzívnom volaní vyskúšajte pre jeden vrchol dve možnosti: patrí do dominujúcej množiny alebo nepatrí. Potom rekurzívne zavolajte prehľadávanie pre všetky možnosti ďalších vrcholov.
Ak ste už spravili rozhodnutie pre každý vrchol, skontrolujte, či je výsledok naozaj dominujúca množina a porovnajte veľkosť s najlepšou zatiaľ nájdenou.

Viete kvôli zrýchleniu orezať nejaké neperspektívne vetvy výpočtu? Skúste napríklad niektorú z týchto stratégií:

ak ste už našli dominujúcu množinu určitej veľkosti, nemá zmysel skúmať a rozširovať množiny, ktoré majú zaručene viac prvkov
alebo nechceme pridať do X vrchol, ktorý nijako nepomôže, lebo aj on aj všetci jeho susedia už majú suseda v X
alebo nechceme vynechať vrchol, ak niektorý z jeho susedov nemá ešte suseda v X a ani nemá suseda s väčším číslom, ktorý ešte môže byť pridaný do X v ďalších rozhodnutiach

Orientované grafy:

Napíšte program, ktorý dostane orientovaný graf a v prípade, že je v grafe cyklus, vypíše ho (ak je cyklov viac, vypíše hociktorý). Odporúčame začať z programu na topologické triedenie pomocou prehľadávania do hĺbky, pričom si pre každý vrchol do poľa uložte, z ktorého iného vrcholu ste ho objavili (podobne ako pole prev pri prehľadávaní do šírky). V momente, keď program nastavuje acyclic=false, by ste mali vedieť nájsť cyklus.

Prednáška 36

Oznamy

Dnešná prednáška: hľadanie maximálnej kliky, vaše otázky, ukážka OOP v C++
Poslednú DÚ odovzdávajte do stredy
Tento piatok 18.5. o 13:00 v posluchárni B záverečná písomka
Prvý termín skúšky v stredu 23.5.
Projekty odovzdávajte do pondelka 21.5. 22:00, predvádzanie bude možné v stredu po skúške alebo po dohode v inom čase

Zhrnutie

Čo by ste mali po dvoch semestroch vedieť

Základy jazykov C/C++, Java: cykly, podmienky, premenné, funkcie, primitívne typy, polia, alokovanie pamäte, reťazce, súbory
Základy OOP, triedy, dedenie, polymorfizmus, výnimky, generické programovanie
Základy tvorby GUI v JavaFX
Dátové štruktúry: spájaný zoznam, zásobník a rad, binárne stromy a ich využitie (vyhľadávacie, lexikografické, aritmetické, rozhodovacie,...), hešovacie tabuľky
Základné algoritmy: triedenia, binárne vyhľadávanie, prehľadávanie grafov a stromov, prehľadávanie s návratom
Vymyslieť jednoduchý algoritmus, vedieť ho napísať a odladiť, porozumieť hotovým programom

Nadväzujúce predmety

Algoritmy a dátové štruktúry (2/Z) a Tvorba efektívnych algoritmov (2/L): viac algoritmov a dátových štruktúr, časová zložitosť
Programovanie (3) (2/Z): viac programovania v Jave, návrhové vzory, vlákna
Ročníkový projekt (1) a (2): píšete väčší program na tému podľa vlastného výberu
- Neskôr na túto tému môžete (ale nemusíte) nadviazať bakalárskou prácou
Rýchlostné programovanie: riešenie úloh z programátorských súťaží, precvičenie programovania, algoritmov, hľadania chýb
Medzi ďalšie školské aktivity súvisiace s programovaním patrí aj študentský vývojový tím

Prehľadávanie do hĺbky / do šírky / s návratom

Prehľadávanie grafu do hĺbky a do šírky sú rýchle algoritmy, ktoré navštívia každý vrchol iba raz
- Prehľadávanie do hĺbky je rekurzívne, zistí, či sú dva vrcholy spojené cestou
- Prehľadávanie do šírky používa rad (frontu), nájde najkratšiu cestu
Prehľadávanie s návratom (backtracking) je všeobecná technika na generovanie všetkých postupností určitého typu
- Riešili sme ňou napr. problém 8 dám, sudoku a pod.
- Dá sa použiť aj na grafoch, keď potrebujeme pozrieť všetky cesty, všetky podmnožiny vrcholov a pod.
- Čas výpočtu je exponenciálny, použiť sa dá iba na veľmi malých vstupoch
- Používame iba vtedy, ak nevieme nájsť rýchlejší algoritmus

Pozor, na DÚ10 máte použiť prehľadávanie do šírky, na skúške prehľadávanie s návratom

Opakovanie backtracky na grafe

Na predminulej prednáške boli príklady na prehľadávanie grafu s návratom
- Hľadanie ciest dĺžky k
- Hľadanie najdlhšej cesty v neohodnotenom grafe
- Hľadanie najdlhšej cesty v ohodnotenom grafe
Pri riešení sme postupne vytvárali cestu pridávaním potenciálnych vrcholov do nej a následným kontrolovaním situácie (hotové riešenie, slepá vetva)

Hľadanie maximálnej kliky

Pozrime sa teraz na iný typ problému, nehľadáme cestu, ale množinu vrcholov
Klika je taká množina vrcholov, v ktorej sú každé dva vrcholy spojené hranou
Maximálna klika je klika s najväčším počtom vrcholov v danom grafe

Graf G=(V,E), kde V={0,...,4} a E={{0,1},{0,2},{0,3},{1,2},{2,3},{2,4},{3,4}} obsahuje niekoľko klík veľkosti 3, ale žiadnu kliku veľkosti 4

Maximalna klika: [0, 1, 2]

Po pridaní hrany {0,4} dostávame kliku veľkosti 4:

Maximalna klika: [0, 2, 3, 4]

Jednoduchšia verzia

Hľadanie maximálnej kliky:

Prehľadávame všetky podmnožiny vrcholov
Rekurzívne skúšame každý vrchol najprv pridať do podmnožiny, potom vynechať
Keď prejdeme cez všetky vrcholy, skontrolujeme, že aktuálna podmnožina je klika
Aktuálnu podmnožinu aj najväčšiu nájdenú kliku ukladáme do LinkedList-u.

/** Trieda, ktora umoznuje najst maximalnu kliku v danom grafe. */
class MaximumClique {

    /** samotny graf */
    private Graph g;
    /** zoznam vrcholov v najvacsej doteraz najdenej klike */
    private LinkedList<Integer> maxClique;
    /** zoznam vrcholov v aktualnej podmnozine */
    private LinkedList<Integer> vertexSet;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf a spusti rekurzivne vyhladavanie */
    public MaximumClique(Graph g) {
        this.g = g;  // uloz vstupny graf
        // vytvor dve prazdne mnoziny vrcholov
        vertexSet = new LinkedList<Integer>();
        maxClique = new LinkedList<Integer>();
        search(0); // zavolaj rekurziu
    }

    /** Hlavna rekurzivna metoda volana z konstruktora.
     * Metoda skusi pouzit aj vynechat vrchol vertex
     * potom skusa vsetky moznosti pre vrcholy vertex+1...n-1. */
    private void search(int vertex) {
        // ak uz sme vycerpali vsetky vrcholy, nie je co skusat dalej
        if (vertex == g.getNumberOfVertices()) {
	    // skontroluj, ci mame kliku a ak ano, porovnaj s najlepsou doteraz
	    if(isClique(g, vertexSet) && vertexSet.size() > maxClique.size()) {
		// konstruktor LinkedListu moze vytvorit kopiu inej Collection
		maxClique = new LinkedList<Integer>(vertexSet);
	    }
            return;
        }
	// pridaj vrchol vertex do mnoziny a zavolaj rekurziu
	vertexSet.addLast(vertex);
	search(vertex + 1);
	// odober vertex z mnoziny a zavolaj rekurziu na ostatne vrcholy
	vertexSet.removeLast();
        search(vertex + 1);
    }

   /** pomocna metoda, ktora overi, ci je vertexSet klika. */
    private static boolean isClique(Graph g, 
            Collection<Integer> vertexSet) {
        // iterujeme cez vsetky dvojice v mnozine
	for(int u : vertexSet) {
	    for(int v : vertexSet) {		
		if (u!=v && !g.existsEdge(u, v)) { // over hranu
		    return false;  // hrana nie je
		}
            }
        }
        return true; // vsetky hrany najdene
    }

    /** vrati maximalnu kliku najdenu v grafe g */
    public List<Integer> maxClique() {
        // vrat nemenitelnu kopiu nasej najlepsej kliky
        return Collections.unmodifiableList(maxClique);
    }
}

Príklad použitia

        MaximumClique c = new MaximumClique(g);
        System.out.println("Maximalna klika: "
                + c.maxClique().toString());

Rýchlejšia verzia

Rekurzívne skúšame každý vrchol najprv pridať do kliky, potom vynechať
Vrchol pridávame do kliky iba ak je spojený so všetkými vrcholmi, ktoré už sú v klike
Vrchol v klike veľkosti k má stupeň (počet susedov) aspoň k-1
Preto do kliky skúšame dať iba vrcholy, ktoré majú dosť veľký stupeň na to, aby mohli patriť do kliky väčšej ako zatiaľ najväčšia nájdená (to neznamená, že do takej kliky aj patria)

/** Trieda, ktora umoznuje najst maximalnu kliku v danom grafe. */
class MaximumClique {

    /** samotny graf */
    private Graph g;
    /** zoznam vrcholov v najvacsej doteraz najdenej klike */
    private LinkedList<Integer> maxClique;
    /** zoznam vrcholov v aktualnej klike */
    private LinkedList<Integer> clique;

    /** Konstruktor, ktory dostane graf a spusti rekurzivne vyhladavanie */
    public MaximumClique(Graph g) {
        this.g = g;  // uloz vstupny graf
        // vytvor dve prazdne kliky
        clique = new LinkedList<Integer>();
        maxClique = new LinkedList<Integer>();
        search(0); // zavolaj rekurziu
    }

    /** Hlavna rekurzivna metoda volana z konstruktora.
     * Metoda skusi pouzit aj vynechat vrchol vertex
     * potom skusa vsetky moznosti pre vrcholy vertex+1...n-1. */
    private void search(int vertex) {
        // ak aktualna klika je vacsia ako doterajsie maximum, uloz ju
        if (clique.size() > maxClique.size()) {
            // konstruktor LinkedListu moze vytvorit kopiu inej Collection
            maxClique = new LinkedList<Integer>(clique);
        }
        // ak uz sme vycerpali vsetky vrcholy, nie je co skusat dalej
        if (vertex == g.getNumberOfVertices()) {
            return;
        }
        // otestuj, ci sa vrchol vertex da pridat do kliky
        // a ci ma sancu byt vo vacsej klike ako doteraz najdena
        if (isConnected(g, vertex, clique)
                && degree(g, vertex) + 1 > maxClique.size()) {
            // ak ano, pridaj ho do kliky a zavolaj rekurziu
            clique.addLast(vertex);
            search(vertex + 1);
            // odober vertex x kliky
            clique.removeLast();
        }
        // preskoc vertex a zavolaj rekurziu na ostatne vrcholy
        search(vertex + 1);
    }

   /** pomocna metoda, ktora overi, ci vrchol vertex je v grafe g
     * spojeny s kazdym z vrcholov v mnozine vertexSet. */
    private static boolean isConnected(Graph g, int vertex,
            Collection<Integer> vertexSet) {
        // iterujeme cez mnozinu vertexSet
	for(int v : vertexSet) {
            if (!g.existsEdge(vertex, v)) { // over hranu
                return false;  // hrana nie je
            }
        }
        return true; // vsetky hrany najdene
    }

    /** pomocna metoda, ktora zisti stupen vrchola vertex v grafe g */
    private static int degree(Graph g, int vertex) {
        // iterujeme cez susedov vrchola, zvysujeme pocitadlo result
        int result = 0;
	for(int x : g.adjVertices(vertex)) {
            result++;
        }
        return result;
    }

    /** vrati maximalnu kliku najdenu v grafe g */
    public List<Integer> maxClique() {
        // vrat nemenitelnu kopiu nasej najlepsej kliky
        return Collections.unmodifiableList(maxClique);
    }
}

Cvičenia:

Čo by program robil, ak by sme vynechali test na stupeň vrchola z rekurzívnej funkcie?
Čo by program robil, ak by sme vynechali aj test isConnected?
Čo program robí, ak ho spustíme na grafe bez hrán?
Ktorá reprezentácia grafu je vhodnejšia pre tento algoritmus?

Základy OOP v C++

Skrátená verzia, trochu viac detailov viď archív z 2016

Viac informácií nájdete napríklad v týchto dvoch tutoriáloch:

http://pages.cs.wisc.edu/~hasti/cs368/CppTutorial/
http://www.horstmann.com/ccj2/ccjapp3.html
Základy použitia STL knižnice (generické triedy) (mali sme v zimnom semestri, #Prednáška 24)

Ilustračný príklad: trieda Interval

/** Trieda reprezentujuca uzavrety interval s celociselnymi
 * suradnicami oboch koncov. */
class Interval {
public:
    /** Konstruktor so zadanymi suradnicami zaciatku a konca */
    Interval(int newStart, int newEnd);

    /** Vrati lavy koniec intervalu */
    int getStart() const;

    /** Vrati pravy koniec intervalu */
    int getEnd() const;

    /** Vrati dlzku intervalu */
    int length() const;

    /** Porovna intervaly najprv podla laveho konca,
     * pri rovnosti podla praveho. */
    bool operator <(const Interval &other) const;

private:
    int start;
    int end;
};

Interval::Interval(int newStart, int newEnd)
: start(newStart), end(newEnd) {
}

int Interval::getStart() const {
    return start;
}

int Interval::getEnd() const {
    return end;
}

int Interval::length() const {
    return end - start;
}

bool Interval::operator<(const Interval& other) const {
    return start < other.start || (start == other.start && end < other.end);
}

Niektoré rozdiely medzi triedami v Jave a C++:

V C++ oddeľujeme deklaráciu triedy (premenné a hlavičky metód) od implementácie metód
- Implementáciu niektorých veľmi krátkych metód môžeme dať priamo do deklarácie
V dlhšom programe dáme deklaráciu napr. do súboru Interval.h a implementácie metód do súboru Interval.cpp
- Ak chceme používať intervaly, dáme do hlavičky #include "Interval.h"
- Na rozdiel od Javy pomenovanie súborov nemusí sedieť s menani tried
Deklarácia triedy rozdelená na časti public, private, protected, za deklaráciou bodkočiarka
Pri implementácii musíme pred názov dať meno triedy napr. Interval::length
Štruktúra struct je skoro to isté ako trieda, iba default prístup je public

Konštruktor

premenné objektu môžeme inicializovať pred začiatkom tela konštruktora

Interval::Interval(int newStart, int newEnd)
: start(newStart), end(newEnd) {
}

môžeme to však spraviť aj obyčajnými priradeniami

Interval::Interval(int newStart, int newEnd) {
  start = newStart;
  end = newEnd;
}

prvý spôsob vhodný ak premenná je objekt - do zátvorky dáme parametre konštruktora

class SomeClass {
  Interval myInterval;
  SomeClass(int start, int end);
  ...
}; 

SomeClass::SomeClass(int start, int end) 
  : myInterval(start, end) {
}

použitie konštruktora:
- inicializácia lokálnej premennej i1: Interval i1(2, 4)
- vytvorenie nového objektu pomocou new: Interval *pi = new Interval(2, 4);
- vytvorenie anonymnej dočasnej premennej, ktorá sa inicializuje a nakopíruje do vektora: a.push_back(Interval(5, 8));

Preťaženie operátorov

Väčšinu operátorov, ktoré majú aspoň jeden operand objekt, môžeme preťažiť, teda vymyslieť im vlastný význam
V našom príklade preťažujeme < (využije sa pri triedení)
Viac #Prednáška 24

Const

Niektoré metódy sú označené ako const, čo znamená, že nemenia objekt
Naopak parametre metód môžu byť const referencie
- Nemusia sa kopírovať, ale máme zaručené, že nebudú zmenené

bool Interval::operator<(const Interval& other) const {
    return start < other.start || (start == other.start && end < other.end);
}

Aritmetický strom v C++

verzia v Jave, pozri #Prednáška 27

class Node {
public: 
    virtual int evaluate() const = 0; // abstraktna metoda
    virtual void print() const = 0;  // abstraktna metoda
    virtual ~Node() { }  // destruktor s prazdnym telom
};

class BinaryNode : public Node {
public :
    BinaryNode(Node *newLeft, Node *newRight);
    virtual ~BinaryNode();
protected:
    Node *left, *right;
};

BinaryNode::BinaryNode(Node *newLeft, Node *newRight)
 : left(newLeft), right(newRight) {
}

BinaryNode::~BinaryNode() {
    delete left;
    delete right;
}

class ConstantNode : public Node {
public :
    ConstantNode(int newValue);
    virtual int evaluate() const;
    virtual void print() const;
private:
    int value;
};

ConstantNode::ConstantNode(int newValue)
    : Node(), value(newValue) {
}

int ConstantNode::evaluate() const {
    return value;
}

void ConstantNode::print() const {
    cout << value;
}

class PlusNode : public BinaryNode {
public:
    PlusNode(Node *newLeft, Node *newRight);
    virtual int evaluate() const;
    virtual void print() const;
};

PlusNode::PlusNode(Node* newLeft, Node* newRight)
: BinaryNode(newLeft, newRight) {
}

int PlusNode::evaluate() const {
    return left->evaluate()+right->evaluate();
}

void PlusNode::print() const {
    cout << "(";
    left->print();
    cout << "+";
    right->print();
    cout << ")";
}

void treeTest() {
    Node * tree = new PlusNode(new PlusNode(new ConstantNode(2), new ConstantNode(1)),
            new ConstantNode(5));
    tree->print();
    cout << endl << tree->evaluate() << endl;
    delete tree;
}

Dedenie

BinaryNode je podtriedou Node:

class BinaryNode : public Node {
public :
    BinaryNode(Node *newLeft, Node *newRight);
    virtual ~BinaryNode();
protected:
    Node *left, *right;
};

V hornej časti konštruktora môžeme zavolať konštruktor nadtriedy:

PlusNode::PlusNode(Node* newLeft, Node* newRight)
: BinaryNode(newLeft, newRight) {
}

Pozor, ak chceme, aby sa metódy správali polymorfne, musia byť deklarované ako virtual
Abstraktné metódy sa píšu takto: virtual int evaluate() const = 0;

Deštruktor

Špeciálna metóda, opak konštruktora
- spúšťa sa automaticky pri zániku objektu (keď na objekt spustíme delete alebo ak objekt v lokálnej premennej a funkcia končí)
- zvyčajne sa používa na odalokovanie pamäte, prípadne ďalšie upratovanie
- deštruktory sú často virtuálne
- po skončení deštruktora sa zavolá deštruktor nadtriedy

BinaryNode::~BinaryNode() {
    delete left;  // rekurzivne zavolá deštruktor na ľavý podstrom
    delete right;
}

Uloženie v pamäti

V Jave:

každá premenná buď primitívny typ alebo referencia na objekt/pole
všetky objekty alokované cez new
odalokované automaticky
do premennej typu nejaká trieda môžeme priradiť aj referenciu na objekt z podtriedy

V C++:

premenná môže priamo obsahovať objekt, alebo referenciu na objekt alebo smerník
naopak smerník môže ukazovať aj na primitívny typ
objekty alokované cez new treba zmazať
do premennej typu nejaká trieda sa objekty kopírujú
- môžeme predefinovať operátor priradenia a copy konštruktor, aby fungovali ako treba
- nemôžeme priradiť objekt podtriedy, lebo by sa nemusel zmestiť
smerníky fungujú podobne ako referencie v Jave, použijeme ak chceme využiť polymorfizmus

Cvičenia 24

Úlohou tohto cvičenia je zoznámiť sa s knižnicou GraphGUI, ktorú budete používať na skúške a tiež si precvičiť prehľadávanie s návratom na grafoch.

popis knižnice

Úloha A: Stiahnite si graphgui.zip a rozzipujte ho. Potom si ho otvorte v Netbeans pomocou New project, ako typ projektu zvoľte Java Project with Existing Sources, na ďalšej obrazovke vyplňte Project Name graphgui a na ďalšej pomocou Add Folder pridajte adresár s rozzipovanými súbormi. Je dobré si tento postup vyskúšať v učebni, aby ste na skúške nemali problémy. Projekt skúste skompilovať, spustiť a pozrite si, čo program robí.

Úloha B: Do súboru Editor.java doprogramujte, aby sa po stlačení tlačidla Run Editor otvorilo editovacie okienko, v ktorom je pre každý vrchol jeden ovládací prvok s číslom vrcholu a používateľ môže pre každý vrchol nastaviť, aby sa jeho farba zmenila na zelenú. Ovládacie prvky majú byť umiestnené pod sebou a na spodku bude ovládací prvok Button s nápisom OK, ktorý po stlačení označené vrcholy prefarbí. Ak bude okno zavreté bez stlačenia OK, zmeny sa nevykonajú. Pomôcky:

Na zmenu farby použite metódu setColorName("green") rozhrania Vertex.
Ako vhodný Layout aplikácie odporúčame GridPane
Odporúčané ovládacie prvky sú RadioButton (zaujímavé metódy setSelected, isSelected), pripadne ListView (vhodný SelectionModel je SelectionMode.MULTIPLE a jeho metódy getSelectedIndices() resp. getSelectedItems()).

Úloha C: Do súboru GraphAlgorithm.java doprogramujte, aby po stlačení tlačidla Action program spustil algoritmus hľadania najväčšej kliky a vrcholy v tejto klike aby boli vyfarbené žltou farbou (nastavte im meno farby "yellow") a ostatné vrcholy mimo kliky bielou farbou (nastavte im meno farby "white"). Algoritmus upravte z program na hľadanie maximálnej kliky (trieda MaximumClique). Metóda performAlgorithm vráti reťazec vo formáte "Pocet vrcholov kliky: 6".

@@ Riadok 4 444: / Riadok 4 444: @@
 * Vytvorte aplikáciu, v ktorej zadáte do textového poľa uhol v stupňoch a vypíše do vedľajšieho textového poľa hodnotu v radiánoch.
 * Vytvorte aplikáciu na prepočet CZK na EUR a naopak.
-=Prednáška 31=
 =Prednáška 31=
 == Event driven programming ==
@@ Riadok 5 048: / Riadok 5 047: @@
 }
 </pre>
 =Cvičenia 20=
 === Viacero EventHandlerov na rovnakom prvku čakajúcich na rovnaký Event ===

2017/18 Programovanie (2) v Jave: Rozdiel medzi revíziami

Verzia zo dňa a času 12:40, 28. august 2018

Obsah

Letný semester, úvodné informácie

Letný semester, pravidlá

Známkovanie

Stupnica

Cvičenia a rozcvičky

Domáce úlohy

Nepovinný projekt

Záverečný písomný test

Skúška

Opravné termíny

Opisovanie

Neprítomnosť

Test pre pokročilých

Letný semester, test a skúška

Termíny, zapisovanie

Skúška pri počítači

Ukážkový príklad, úloha A

Ukážkový príklad, úloha B

Písomný test

Ukážkové príklady na písomný test

GraphGUI

Program GraphGUI ku skúške

Používanie programu

Dôležité súčasti knižnice

Graph, Vertex, Edge

GraphImplementation, VertexImplementation, EdgeImplementation

GraphGUI, Controller, GraphPane, GraphDrawing, State, layout.fxml

GraphAlgorithm

Editor, EditorException

Letný semester, projekt

Prednáška 25

Úvod do predmetu

Hello world

V Netbeans

V Linuxe na príkazovom riadku

Väčší program

Základy jazyka Java

Primitívne typy, polia a referencie

Operátory, cykly, podmienky

Funkcie (statické metódy) a ich parametre

Práca s maticami

Reťazce

Vstup, výstup, súbory

Písanie na konzolu

Čítanie z konzoly

Práca so súbormi

Matematika a pseudonáhodné čísla

Cvičenia 13

Príklad 1: Spúšťanie programu Hello world

V Netbeans

V Linuxe na príkazovom riadku

Príklad 2: Matice a vstup v Jave

Príklad 3: Práca so súbormi

Príklad 3: Náhodné čísla

Prednáška 26

Organizačné poznámky

Objektovo orientované programovanie (OOP)

Konštruktor a vznik objektov

Kontrola prístupu, modifikátory

Zapuzdrenie (encapsulation)

Get a set metódy

Ďalšie detaily

Premenná this

Viac metód s tým istým menom: overloading

Detaily inicializácie objektov

Nie všetko v Jave je objekt

Javadoc

Binárny vyhľadávací strom

Pomocné triedy

Odovzdávanie parametrov hodnotou

Návratová hodnota

Cvičenia 14

Polynómy

Stromy

Kostra programu k cvičeniu s polynómami

Prednáška 27

Organizačné poznámky