Einführung in die Softwareentwicklung am Beispiel von Java und C++ Vom Programmieren zur erfolgreichen Software-Projektarbeit

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1 Hartmut Helmke, Frank Höppner, Rolf Isernhagen Einführung in die Softwareentwicklung am Beispiel von Java und C++ Vom Programmieren zur erfolgreichen Software-Projektarbeit ISBN-10: ISBN-13: Vorwort Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

2 Vorwort Den ersten Schein in einer Vorlesung zur Einführung in die (prozedurale) Programmierung erfolgreich absolviert zu haben, ist das eine, im Team an einem größeren Projekt zu arbeiten, etwas völlig anderes. Dieses Buch führt den Leser von der prozeduralen Programmierung im Kleinen zur objektorientierten Programmierung im Größeren, um eine Projekt-Mitwirkung unter realen Bedingungen zu erleichtern. Wie versuchen wir das zu erreichen? Wir beginnen mit einer typischen (prozeduralen) Anfängerlösung für ein Problem, die so genannte Netz- oder Vorgangsplanung, die wir als durchgehendes Beispiel schrittweise ausbauen. In größeren Projekten werden Aspekte der Lesbarkeit, Wiederverwendbarkeit und Erweiterbarkeit zunehmend wichtiger, daher betrachten wir unsere (jeweils) aktuelle Lösung kritisch aus diesem Blickwinkel. Wir diskutieren, wie die identifizierten Schwächen abgestellt werden können, und entwickeln eine qualitativ hochwertigere Lösung. Auf diesem Weg perfektionieren wir die prozedurale Anfangslösung 1 zu einer objektorientierten Lösung auch ohne dabei objektorientierte Sprachelemente zu benutzen. Wenn wir auf diese Weise Verständnis und Motivation der objektorientierten Konzepte vermittelt haben, widmen wir uns dann den objektorientierten Sprachelementen. Wir werden sehen, wie sich dadurch die Einhaltung und Durchführung derselben Ideen vereinfachen. Ohne zuvor ein tieferes Verständnis für die Konzepte entwickelt zu haben, bleibt der Anfänger leicht im prozeduralen Paradigma hängen und kann trotz der Nutzung einer objektorientierten Sprache ihre Vorteile nicht ausspielen. Unser Hauptanliegen ist die richtige Programmierung im Großen und nicht das Erlernen von C++ oder Java. Da es aber ohne eine konkrete Programmiersprache nicht geht, stellen wir die am weitesten verbreiteten objektorientierten Sprachen parallel dar: Fast alle Beispiele in diesem Buch sind zweispaltig: links C++ und rechts Java. Diese Vorgehensweise ermöglicht den direkten Vergleich beider Sprachen und erleichtert den Wechsel zwischen ihnen. Neben einer großen gemeinsamen Basis haben beide Sprachen ihre Stärken und Schwächen; das Verstehen der Schwächen der einen Sprache ermöglicht es, die Stärken der anderen bzw. die unterschiedlichen Philosophien oder Ausrichtungen der Sprachen zu erkennen und die jeweilige Stärke erfolgreich einzusetzen. Um die ganze Argumentationskette in beiden Sprachen nachvollziehen 1 Wir werden uns im ersten Teil des Buches auf die prozeduralen Elemente konzentrieren, bzgl. C++ weitgehend auf die Schnittmenge von C und C++, das so genannte Clean-C. Sofern wir ausnahmsweise davon schon hier zu Gunsten von C++ abweichen, wollen wir Ihnen ein Umlernen im zweiten Teil des Buches ersparen, d.h. wir greifen gleich auf die bessere Lösung von C++ zurück.

3 XIV Vorwort zu können, beginnen wir mit einer prozeduralen Java-Programmierung in den ersten Kapiteln. Damit gehen wir bewusst einen anderen Weg als viele andere Bücher zu dieser Thematik, die gleich mit der Objektorientierung beginnen. Wir folgen eher dem Historiker-Ansatz (Man kann die Gegenwart nur verstehen, wenn man die Vergangenheit kennt) und wollen aus der Vergangenheit (prozedural) für die Gegenwart (objektorientiert) lernen. Konventionen: Quellcode im Fließtext ist zur besseren Unterscheidung in einer anderen Schrift gesetzt. Der abgedruckte Quellcode ist oft in Auszügen gedruckt, als Ganzes aber auf unserer Webseite zu beziehen. Unter den Listings finden sich Pfadangaben, die Sie direkt zu der beschriebenen Datei führen. Neben den üblichen Endungen für Dateinamen (.java für Java und.h und.cpp für C++) findet sich manchmal die Endung.sht: bei diesen Dateien handelt es sich um nicht lauffähige Artefakte, die zur besseren Darstellung teils massiv gekürzt wurden. Zur besseren Unterscheidbarkeit sind alle Java-Listings dunkelgrau und alle C++-Listings hellgrau unterlegt. Besonders wichtige Aspekte werden in umrahmten Textboxen noch einmal deutlich hervorgehoben und zusammengefasst. Kleine Boxen am Seitenrand wie WWW oder Tipp deuten auf Inhalte im Internet oder besonders nützliche Hinweise hin. An einigen wenigen Stellen kommen wir nicht umhin, sehr sprachspezifische Aspekte zu behandeln, die ein Leser, der sich nur für eine der Sprachen C++ und Java interessiert, auch überspringen kann. Diese Abschnitte sind dann am Rand mit C++ bzw. Java markiert. Die in diesem Buch verwendeten Programmdateien (C, C++, Java) sowie die Musterlösungen zu den Übungen sind auf unserer Homepage bzw. beim Hanser Verlag unter in der jeweils aktuellen Version verfügbar und laden zum praktischen Experimentieren ein. Für viele klärende Gespräche zu Themen dieses Buches sowie für Verbesserungsvorschläge und für Hinweise auf Fehler danken wir Holger Helmke, Peter Hilpert und vielen anderen. Für die Wiedergabe der vielen Programmbeispiele haben wir das L A TEX-package listings von Carsten Heinz verwendet. Für die sehr konstruktive Zusammenarbeit mit dem Hanser-Verlag danken wir Margarete Metzger und Irene Weilhart. Hartmut Helmke, Braunschweig, Frank Höppner, Braunschweig, Rolf Isernhagen, Wolfenbüttel, im März 2007

4 Aufbau des Buches Wir werden in diesem Buch wesentliche Konzepte der Software-Entwicklung behandeln, die wir an einer durchgehenden Beispielanwendung aus dem Bereich der Netzplantechnik diskutieren. Bild 1 gibt einen Überblick über die Kapitel dieses Buchs und stellt deren Abhängigkeiten untereinander grafisch dar. Die Pfeile zeigen jeweils in Richtung der inhaltlichen Abhängigkeit; so ist z.b. zum Verständnis von Kap. 4 der Stoff von Kap. 2 erforderlich. 1. Von der Idee zum Algorithmus 2. Funktionen & Datenstrukturen 4. Werte und Referenzsemantik 3. Organisation des Quellcodes 5. Entwurf von Algorithmen 6. Fehlersuche und behandlung 7. Entwicklung im Team 8. Abstrakte Datentypen 9. Vielgestaltigkeit 10. Entwurfsprinzipien Bild 1: Grafische Darstellung der Kapitel-Abhängigkeiten Als Startpunkt werden wir in Kapitel 1 zunächst die Problematik motivieren und eine Anfängerlösung vorstellen, die man als typische Lösung für die Programmierung im Kleinen ansehen kann. Der erste Schritt zur Strukturierung von Software ist die Zusammenfassung von Daten zu Datenstrukturen und Anweisungen zu Funktionen. Während wir die Kenntnis der grundlegenden Anweisungen (if, for, while etc.) voraussetzen (Zusammenfassung in Anhang B), wollen wir diese Strukturierungsmittel in Kapitel 2 noch einmal diskutieren bzw. wiederholen. Dabei liegt

5 XVI Aufbau des Buches unser Augenmerk auf Wartbarkeit, Lesbarkeit und vor allem auf der Testbarkeit eines Programms. Große Programme werden im Allgemeinen von mehreren Entwicklern oder Entwicklerteams gleichzeitig erstellt. Deshalb wird das große Programm in kleinere Einheiten mit definierten Schnittstellen unterteilt. Wie man bei einer wachsenden Zahl von Dateien nicht die Übersicht bzgl. der Abhängigkeiten zwischen den Dateien verliert, wird in Kapitel 3 behandelt. Wenn die Aufgaben größer werden, kommen wir um eine dynamische, flexible Organisation der Daten im Speicher nicht herum. In Kapitel 4 klären wir, wie Variablen im Arbeitsspeicher des Computers repräsentiert werden. Dieses Wissen ist Voraussetzung, um dynamische Datenstrukturen aufzubauen und um damit z.b. die Größe von strukturierten Datentypen noch zur Laufzeit zu verändern. In Kapitel 5 werden wir erprobte Ansätze diskutieren (best practices), wie man von einer Idee zum ablauffähigen Programm kommt. Im Vordergrund stehen wieder die Nachvollziehbarkeit und das einfache Verständnis der gefundenen Lösung. Wie wir Fehler aufspüren und geeignet behandeln, diskutiert Kapitel 6. Das Kapitel 7 ist ganz der erfolgreichen Entwicklung von Software im Team gewidmet. Der Entwickler muss sich tagtäglich Änderungen stellen. Das Design kann sich ändern, die Implementierung kann sich ändern, Fehler werden behoben, neue kommen aber auch hinzu und ganz wichtig: Die Anforderungen des Kunden können und werden sich ändern. Lange Jahre wurde eine hohe Änderungsrate als Indiz dafür betrachtet, dass die Vorarbeiten nicht sorgfältig genug durchgeführt wurden. Erst in den letzten Jahren hat sich die Sichtweise geändert. Häufige Änderungen werden akzeptiert und der Entwicklungsprozess darauf ausgerichtet. Kapitel 8 zeigt dann Verbesserungen, die sich durch Einführung der so genannten objektorientieren Programmiersprachen ergeben, nämlich die Zusammenfassung von Daten und den darauf arbeitenden Funktionen mit Mitteln der Sprache (abstrakte Datentypen). Motivation für deren Einführung ist das Bedürfnis, dass Änderungen interner Datenstrukturen des einen Teammitglieds möglichst keine Nebenwirkungen auf Programmteile anderer Teammitglieder haben sollten. In Anwendungen kann es durchaus vorkommen, dass in verschiedenen Kontexten andere Implementierungen desselben Datentyps vorteilhaft sind, z.b. Fenster mit und ohne Scrollbars. Wir werden im Kapitel 9 zeigen, dass es möglich ist, verschiedene Implementierungen des gleichen Datentyps in einem Programm zu haben und mehr noch: Wir werden sehen, dass es möglich ist, erst zur Laufzeit festzulegen, mit welchem Datentyp ein Algorithmus tatsächlich ausgeführt wird. Hiermit haben wir das Kernkonzept der objektorientierten Programmierung verstanden. In Kapitel 10 betrachten wir schließlich das Vorgehen bei der Entwicklung objektorientierter Anwendungen. Die schrittweise in den vorangegangenen Kapiteln vorgestellten Elemente der Modellierungssprache UML werden im Beispiel angewendet. Auch hier stellen wir keine perfekte Lösung vor, sondern beginnen mit einer typischen Anfängerlösung, die schrittweise verfeinert und verbessert wird. Wir werden sehen, dass einige dieser Verbesserungen immer wieder zum Einsatz kommen, sodass man von Mustern (im Sinne von Musterlösung) spricht.

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