Java lernen durch Ausprobieren!

Diese Seite ist nicht editierbar. Sie können den Quelltext sehen, jedoch nicht verändern. Kontaktieren Sie den Administrator, wenn Sie glauben, dass hier ein Fehler vorliegt.
====== Wiederholungen ("Schleifen"/"Loops") ====== 
Wenn man Anweisungen in ähnlicher Weise mehrfach wiederholen möchte, schreibt man sie nicht mehrfach hintereinander ins Programm, sondern nutzt Wiederholungen ("Schleifen"/"Loops").
<WRAP center round tip 60%> 
**Zur Begrifflichkeit:** \\ \\ 
Der bayerische Lehrplan sieht den Begriff "Wiederholung" vor [[http://www.isb-gym8-lehrplan.de/contentserv/3.1.neu/g8.de/id_26436.html|(siehe etwa hier, ganz unten)]], gebräuchlich (auch in den Lehrplänen anderer Bundesländer, [[https://www.schulentwicklung.nrw.de/lehrplaene/lehrplannavigator-s-ii/gymnasiale-oberstufe/informatik/hinweise-und-beispiele/schulinterner-lehrplan/uv_ef_iii.html|etwa Nordrhein-Westfalen]], sowie im beruflichen Umfeld von Informatikern) ist aber auch der Begriff "Schleife" als wörtliche Übersetzung des englischen Fachbegriffs "Loop". \\ \\ 
Oft werden beide Begriffe synonym verwendet, etwa im [[http://www.bildungsplaene-bw.de/,Lde/LS/BP2016BW/ALLG/SEK1/INF7/IK/7/02|Informatiklehrplan von Baden-Württemberg]] oder in [[https://de.wikipedia.org/wiki/Schleife_(Programmierung)|Wikipedia]]. \\ \\
Selten (z.B. im [[https://www.schule.sachsen.de/lpdb/web/downloads/2345_lp_gy_informatik_2019.pdf?v2|sächsischen Lehrplan]]) findet sich auch der Begriff "Zyklus". \\ \\  
Ich möchte mich aus der Diskussion um den deutschsprachigen Fachbegriff heraushalten, daher werde ich im Folgenden weitgehend das englische Fachwort "loop" verwenden, das vor allem in Verbindung mit den englischen Schlüsselwörtern (z.B. "for-loop", "while-loop") gebräuchlicher und griffiger ist als entsprechende deutsche Übersetzungen.
</WRAP>
 

====== A. while-loop (Wiederholung mit Anfangsbedingung) ======

===== Beispiel 1 =====
Wir schreiben den Text "Hallo Welt!" 10-mal untereinander in die Ausgabe. Zuerst möchte ich Euch zeigen, wie man es **nicht** machen sollte:
<HTML>

<div class="java-online" style="height: 300px; width: 100%" data-java-online="{'withBottomPanel': false, 'id': 'Wiederholung1'}">

<script type="text/plain" title="Main.java">
println("Hallo Welt!");
println("Hallo Welt!");
println("Hallo Welt!");
println("Hallo Welt!");
println("Hallo Welt!");
println("Hallo Welt!");
println("Hallo Welt!");
println("Hallo Welt!");
println("Hallo Welt!");
println("Hallo Welt!");
</script>
</div>

</HTML>

Viel besser ist es, den Computer anzuweisen, die Ausgabe von "Hallo Welt!" 10-mal zu wiederholen. Das geht so:

<HTML>

<div class="java-online" style="height: 300px; width: 100%" data-java-online="{'withBottomPanel': false, 'id': 'Wiederholung2'}">

<script type="text/plain" title="Main.java">
int n = 1;

while(n <= 10){

   println("Hallo Welt!");
   n = n + 1;

}

println("Fertig!", Color.green);

</script>
</div>

</HTML>
Schalte rechts auf den "Variablen"-Tab und führe dann das Programm in Einzelschritten aus ("Step over": {{:klassen1:anwenden:step_over.png?nolink|}}). Beobachte genau den Wert der Variable ''n''!

== Erklärung der einzelnen Anweisungen ==
<code learnj [enable_line_numbers="true", start_line_numbers_at="1"]>
int n = 1;
</code>
Die Variable ''n'' benutzen wir, um zu zählen, wie oft wir schon wiederholt haben. ''n == 1'' bedeutet, dass wir im 1. Wiederholungsdurchgang sind.
<code learnj [enable_line_numbers="true", start_line_numbers_at="3"]>
while(n <= 10){
   println("Hallo Welt!");
   n = n + 1;
}
</code>
Die Anweisung ''while(n < = 10)'' bedeutet: Wiederhole die Anweisungen zwischen den nachfolgenden ''{}'', solange ''n'' kleiner oder gleich ''10'' ist. Damit die Anweisungen nicht unendlich oft wiederholt werden, müssen wir dafür sorgen, dass die Aussage ''n < = 10'' irgendwann nicht mehr zutrifft. Deshalb erhöhen wir am Ende der des wiederholten Blocks ''n'' um ''1'', indem wir schreiben: ''n = n + 1;''.
<code learnj [enable_line_numbers="true", start_line_numbers_at="10"]>
println("Fertig!", Color.green);
</code>
Sobald die Bedingung hinter ''while'' nicht mehr zutrifft, werden die Anweisungen in ''{}'' übersprungen und der Computer fährt mit den Anweisungen fort, die hinter den ''{}'' stehen. In diesem Fall gibt er "Fertig!" aus.



<WRAP center round info 60%>
Mit Hilfe der ''while''-loop können wir eine Sequenz von Anweisungen öfters wiederholen lassen.
<code learnj>
while(Bedingung){
   //Anweisungen
}
</code>
Die Anweisungen werden wiederholt, solange die Bedingung zutrifft, also den Wert ''true'' hat. \\ \\ 
**Beachte:**
Schon vor der Ersten Ausführung der Anweisungen wird überprüft, ob die Bedingung zutrifft. Hat sie schon zu Beginn den Wert ''false'', so werden die Anweisungen in den ''{}'' gar nicht ausgeführt. 
</WRAP>
== Kleine Aufgabe ==
Ändere das Programm oben so ab, dass es 8-mal Deinen Namen in Deiner Lieblingsfarbe ausgibt!

===== Beispiel 2: Varianten... =====
Eine while-loop kann nicht nur immer wieder exakt dasselbe wiederholen. Man kann beispielsweise die Zählvariable benutzen, um auszugeben, wie oft schon wiederholt wurde:
<HTML>
<div class="java-online" style="height: 300px; width: 100%" data-java-online="{'withBottomPanel': false, 'id': 'Wiederholung3'}">
<script type="text/plain" title="Main.java">
int z = 1;

while(z <= 12){

   print("Das ist der ");
   print(z);
   println("-te Wiederholungsschritt.");
   z++;  // z wird um 1 erhöht

}
</script>
</div>

</HTML>

Die drei ''print''-Anweisungen kann man übrigens auch zu einer einzigen Anweisung zusammenfassen:
<code learnj>
   println("Das ist der " + z + "-te Wiederholungsschritt");
</code>

<WRAP center round tip 60%>
**Addieren von Zeichenketten** \\ \\ 
In Java bewirkt der Operator ''+'' bei Zeichenketten, dass sie hintereinandergehängt ("konkateniert") werden. Der Term ''"Das ist " + "Text"'' hat daher den Wert ''"Das ist Text"''. \\ \\ 
Wird eine Variable vom Datentyp ''int'' zu einer Zeichenkette addiert, so wird die Variable zuerst in eine Zeichenkette umgewandelt und anschließend werden die beiden Zeichenketten hintereinandergehängt. 
<code learnj>
int z = 12;
println("Das ist die Zahl " + z);
</code>
gibt also aus: Das ist die Zahl 12.
</WRAP>

===== Beispiel 3: Zweierpotenzen =====
Oft ist es nützlich, noch zusätzliche Variablen zu deklarieren, die bei jedem Wiederholungsschritt geändert werden. Wir schreiben ein Programm, das die ersten 10 Zweierpotenzen ausgibt, also $2^0 = 1$, $2^1 = 2$, $2^2 = 4$, $2^3 = 8$ usw.
<HTML>
<div class="java-online" style="height: 300px; width: 100%" data-java-online="{'withBottomPanel': false, 'id': 'Wiederholung4'}">
<script type="text/plain" title="Main.java">
int i = 0;
int zp = 1;

while(i <= 10){

   println("2 ^ " + i + " = " + zp);
   i++;            // i wird um 1 erhöht
   zp *= 2;        // Kurzform für zp = zp * 2;

}
</script>
</div>

</HTML>

Schalte rechts auf den "Variablen"-Tab und führe dann das Programm in Einzelschritten aus ("Step over": {{:klassen1:anwenden:step_over.png?nolink|}}). Beobachte genau den Wert der Variablen ''i'' und ''zp''!

<WRAP center round tip 60%>
{{ :einstieg:pasted:20200620-170019.png}}
Wenn das Programm pausiert (etwa nach Klick auf den Pause-Button oder bei der Ausführung in Einzelschritten) kannst Du den Wert von Variablen sehen, indem Du im Programmtext mit der Maus auf die Variable fährst und etwas wartest. Es öffnet sich ein Tooltip mit dem Wert der Variable (siehe Bild rechts).
</WRAP>

===== Aufgaben zur while-loop=====

Jetzt bis Du dran. [[.aufgabenwhile:start|Hier findest Du vier Aufgaben zur while-loop mit ansteigendem Schwierigkeitsgrad. Los geht's!]]


====== B. Die while-loop mit Endbedingung (Wiederholung mit Endbedingung) ======
Man kann die ''while''-loop auch so schreiben, dass die Bedingung zum Fortfahren jeweils erst am Ende jedes Wiederholungsschrittes überprüft wird.

===== Beispiel 5: while-loop mit Endbedingung (do...while-loop) =====
Wir zählen wieder von 1 bis 10:
<HTML>
<div class="java-online" style="height: 300px; width: 100%" data-java-online="{'withBottomPanel': false, 'id': 'Wiederholung5'}">
<script type="text/plain" title="Main.java">
int i = 0;

do {

   println(i);
   i++;

} while (i <= 10);
</script>
</div>

</HTML>


====== C. Die for-loop======
Die ''while''-loop hat zwei große Nachteile:
  * Zum bloßen Zählen ist sie sehr umständlich, da insgesamt drei Zeilen benötigt werden:
<code learnj>
int i = 0;         // Deklaration der Zählvariable
while(i <= 10){    // Bedingung
   // Anweisungen
   i++;            // Erhöhung der Zählvariable
}
</code>
  * Oft stehen zwischen der Deklaration der Zählvariable und der Bedingung sowie zwischen der Bedingung und der Erhöhung der Zählvariable sehr viele Anweisungen und es ist schwer, "auf einen Blick" zu erfassen, wie oft wiederholt wird und welche Werte die Zählvariable bei jedem Wiederholungsschritt annimmt.

Für alle Anwendungsfälle, in denen auf irgendeine Art und Weise gezählt wird, verwendet man daher üblicherweise eine Kurzschreibweise der ''while''-loop, die ''for''-loop. Hier eine Gegenüberstellung der beiden. Beide Programme sind gleichwertig:

^ While-loop ^ For-loop ^
| {{:einstieg:pasted:20200620-185526.png}} | {{:einstieg:pasted:20221104-195727.png}} |

<WRAP center round info 60%>
Die ''for''-loop ist eine Kurzform der ''while''-loop. Sie besteht aus drei Bestandteilen: \\ 
<code learnj>for(Startanweisung; Bedingung; Anweisung am Ende jedes Wiederholungsschrittes){
   // Anweisungen
}
</code>
  * Die **Startanweisung** wird genau 1-mal zu Beginn aufgerufen.
  * Die **Bedingung** wird vor jedem Wiederholungsschritt ausgewertet. Ist ihr Wert ''true'', so werden die Anweisungen in den ''{}'' ausgeführt. Ist der Wert ''false'', so werden die Anweisungen in den ''{}'' übersprungen und es wird mit der Anweisung hinter der for-loop fortgefahren.
  * Die **Anweisung am Ende jedes Wiederholungsschrittes** wird am Ende jedes Wiederholungsschrittes ausgeführt.
Für Einsteiger ist die ''for''-loop oft schwer zu verstehen, weil ihre drei Bestandteile jeweils ganz unterschiedliche Bedeutung haben. Noch dazu ist der 1. und 3. Bestandteil eine Anweisung, der 2. Bestandteil eine Bedingung (genauer: eine Aussage). \\ \\ **Lass' Dich nicht entmutigen:** Meist wird die ''for''-loop zum **Zählen** benutzt und sieht so oder ähnlich aus:
<code learnj>
for(int i = 1; i <= 10; i++){
   // Anweisungen
}
</code>
Dieses Muster (das in diesem Fall die Anweisungen für ''i''-Werte von 0 bis 9 durchführt) wirst Du sehr schnell beherrschen und - von diesem Muster ausgehend - bald auch schwierigere Konstruktionen mit ''for'' verstehen.
</WRAP>

Führe die folgenden Programme in Einzelschritten aus ("Step over": {{:klassen1:anwenden:step_over.png?nolink|}}), und zwar
  * zunächst mit offenem Tab "Ausgabe" auf der rechten Seite
  * dann mit offenem Tab "Variablen" auf der rechten Seite.
Beobachte genau, was jeder Einzelne Programmschritt bewirkt!

===== Beispiel 6: Zählen mit "for" =====
Wir schreiben den Text "Hallo Welt!" 10-mal untereinander in die Ausgabe. Mit der Variablen ''i'' zählen wir dabei, wie oft wir ihn schon ausgegeben haben.
<HTML>

<div class="java-online" style="height: 300px; width: 100%" data-java-online="{'withBottomPanel': false, 'id': 'Wiederholung6'}">

<script type="text/plain" title="Main.java">
for(int i = 1; i <= 10; i++){
   println("Hallo Welt (zum " + i + "-ten Mal)!");
}
println("Fertig!", Color.lightgreen);
</script>
</div>

</HTML>

== Erklärung == 
Die ''for''-loop bewirkt, dass der Rechner folgendes macht:
^Anweisung^Erklärung^Wert von ''i'' nach der Anweisung^
|''int i = 1;''|Die Startanweisung wird genau ein Mal zu Beginn ausgeführt.|1|
|Prüfe: Ist ''i <= 10''? |Das Ergebnis der Prüfung ist ''true'', da $1 \le 10$ ist. Daher wird als nächste die Anweisung in ''{}'' ausgeführt.|1|
|''println("Hallo Welt (zum " + i + "-ten Mal)!");''| Es wird ausgegeben: ''Hallo Welt (zum 1. Mal)!'' |1|
|''i++;''| Am Ende des Wiederholungsschrittes wird ''i++'' ausgeführt und damit der Wert von ''i'' um 1 erhöht. Der Rechner setzt die Ausführung in Zeile 1 fort.|2|
|Prüfe: Ist ''i <= 10''? |Das Ergebnis der Prüfung ist ''true'', da $2 \le 10$ ist. Daher wird als nächste die Anweisung in ''{}'' ausgeführt.|2|
|''println("Hallo Welt (zum " + i + "-ten Mal)!");''| Es wird ausgegeben: ''Hallo Welt (zum 2. Mal)!'' |2|
|''i++;''| Am Ende des Wiederholungsschrittes wird ''i++'' ausgeführt und damit der Wert von ''i'' um 1 erhöht. Der Rechner setzt die Ausführung in Zeile 1 fort.|3|

usw... \\ \\ Die letzten Schritte sehen so aus:
|''println("Hallo Welt (zum " + i + "-ten Mal)!");''| Es wird ausgegeben: ''Hallo Welt (zum 9. Mal)!'' |9|
|''i++;''| Am Ende des Wiederholungsschrittes wird ''i++'' ausgeführt und damit der Wert von ''i'' um 1 erhöht. Der Rechner setzt die Ausführung in Zeile 1 fort.|10|
|Prüfe: Ist ''i <= 10''? |Das Ergebnis der Prüfung ist ''true'', da $10 \le 10$ ist. Daher wird als nächste die Anweisung in ''{}'' ausgeführt.|10|
|''println("Hallo Welt (zum " + i + "-ten Mal)!");''| Es wird ausgegeben: ''Hallo Welt (zum 10. Mal)!'' |10|
|''i++;''| Am Ende des Wiederholungsschrittes wird ''i++'' ausgeführt und damit der Wert von ''i'' um 1 erhöht. Der Rechner setzt die Ausführung in Zeile 1 fort.|11|
|Prüfe: Ist ''i <= 10''? |Das Ergebnis der Prüfung ist ''false'', da **nicht** $11 \le 10$ ist. Daher wird jetzt die Anweisung in ''{}'' übersprungen und es geht in Zeile 4 weiter!|11|
|''println("Fertig!", Color.lightgreen);''| | |


===== Beispiel 7: Zählen im Dreierschritt =====

<HTML>

<div class="java-online" style="height: 300px; width: 100%" data-java-online="{'withBottomPanel': false, 'id': 'Wiederholung7'}">

<script type="text/plain" title="Main.java">
println("Dreier-Einmaleins:", Color.lightgreen);
for(int n = 3; n <= 30; n += 3){
   print(n + ", ");
}
println(" -> Fertig!", Color.lightgreen);
</script>
</div>

</HTML>
<WRAP center round tip 60%>
Du erinnerst Dich sicher: ''n += 3'' ist eine Kurzschreibweise für ''n = n + 3'' und bewirkt, dass der Wert der Variable ''n'' um ''3'' erhöht wird.
</WRAP>


===== Beispiel 8: Berechnung von 8! =====
<WRAP center round tip 80%>
**Berechnung von Fakultäten** \\ \\ 
Die **Faktultät** einer Zahl $n \in \mathbb{N}$, kurz $n!$, ist folgendermaßen definiert:
$$n! = 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 4 \cdot \ldots  \cdot n$$
Es ist beispielsweise $5! = 1 \cdot 2 \cdot 3 \cdot 4 \cdot 5 = 120$.
</WRAP>

<HTML>

<div class="java-online" style="height: 300px; width: 100%" data-java-online="{'withBottomPanel': false, 'id': 'Wiederholung8'}">

<script type="text/plain" title="Main.java">
int zahl = 8;
int fakultät = 1;

for(int i = 1; i <= zahl; i++){
   fakultät *= i;
}

println(zahl + "! = " + fakultät);
</script>
</div>
</HTML>

Probiere das Programm wieder in Einzelschritten aus und schau' Dir die Belegung der Variablen nach jedem Schritt an! 
  * Du kannst die ''8'' in der ersten Zeile natürlich auch durch eine andere Zahl ersetzen!
  * Warum wird der Variablen ''fakultät'' in Zeile 2 der Startwert ''1'' zugeordnet und nicht ''0''? \\ (Falls Du nicht auf die Antwort kommst, probier' es aus, indem Du die ''1'' im Programm durch ''0'' ersetzt!)

==== Aufgaben zur for-Loop ====
[[.aufgabenfor:start|Hier geht's zu den Aufgaben.]]