1. Einführung Grundlagen der Programmierung 1 (Java)

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1 1. Einführung Grundlagen der Programmierung 1 (Java) Fachhochschule Darmstadt Haardtring 100 D Darmstadt Prof. Dr. Bernhard Humm FH Darmstadt, 27. September 2005

2 Agenda Agenda Übersicht und Organisation Vom Problem zum Programm Algorithmen Programmiersprachen Java Literatur , Seite 2

3 Übersicht und Organisation Gemeinsames Kennenlernen Was ist Ihr persönlicher und beruflicher Hintergrund? Welche Computererfahrungen haben Sie? Welche Programmiersprachen kennen Sie? Haben Sie schon in Java programmiert? , Seite 3

4 Übersicht und Organisation Organisation Vorlesung: Wöchentlich dienstags, 18:00 21:00, D14/004 Praktikum: Zweiwöchentlich mittwochs, 18.00h h, D15/102. Start am Ausgabe der Übungszettel in der Vorlesung Unterstützung bei der Lösung der Aufgaben in der Übung durch Ansgar Berhorn und Bernhard Humm Bearbeitung der Übungsaufgaben in 2er-Arbeitsgruppen zusätzliches Üben ist zwingend notwendig! Keine Vorlesungen / Praktika während der Schulferien in Hessen: Herbstferien: Weihnachtsferien: Osterferien: Ende der Lehrveranstaltungen: , Seite 4

5 Übersicht und Organisation Organisation Leistungsüberprüfung: Klausur am Semesterende (Termin: letzter Vorlesungstermin) Benotete Praktikumsaufgaben am Semesterende , Seite 5

6 Übersicht und Organisation Ein Zitat zu Beginn Vor der Wahl, ein theoretischer Physiker oder ein Programmierer zu werden, entschied ich mich für die intellektuell anspruchsvollere Aufgabe Edsger W. Dijkstra ( ) auf der sd&m-konferenz in Bonn, , Seite 6

7 Übersicht und Organisation Was ich gerne vermitteln möchte Grundlagen der Programmierung (Java) Konzepte Java Werkzeuge Systementwurf Programmiersprachen Objekt-Orientierung Algorithmen und Daten- Strukturen Berechenbarkeit, Korrektheit Syntax Semantik Muster Guter Programmierstil JDK 1.5 Eclipse JUnit Checkstyle Jalopy Subversion Praktikum, Diskussionen, Ausblicke zum Weiterdenken , Seite 7

8 Überblick über die Vorlesung Grundlagen der Programmierung 1 (Java) Übersicht und Organisation 1. Einführung 2. Einfache Programme 3. Kontrollstrukturen 4. Objekt-Orientierung I 5. Algorithmen und Datenstrukturen I 6. Interfaces 7. Rekursion 8. Pakete 10. Software-Qualität 11. Algorithmen und Datenstrukturen II 12. Objektorientierung II 13. Komponenten 14. Design 15. Die Java Klassenbibliothek I 16. Die Java Klassenbibliothek II 17. Software-Kategorien 9. Fehler und Ausnahmen , Seite 8

9 Ausblick auf die Vorlesung Grundlagen der Programmierung 2 (Java) Übersicht und Organisation GUI-Programmierung (nativ und Web) Kommunikation Multithreading DB-Zugriff File I/0 Enterprise Java Reflection , Seite 9

10 Agenda Agenda Übersicht und Organisation Vom Problem zum Programm Algorithmen Programmiersprachen Java Literatur , Seite 10

11 Vom Problem zum Programm Vom Problem zum Programm Problem komplex mehrdeutig Analyse Mensch Maschine Design Compilation Programmierung Laufzeitumgebung Deployment Ausführung Spezifikation Design / Algorithmus Programm Maschinenprogramm semi-formal nicht vollständig semi-formal nicht vollständig präzise meist normiert unabhängig vom Prozessor primitiv abhängig vom Prozessor auf konkretem Prozessor , Seite 11

12 Vom Problem zum Programm Programmieren ist ein Problem so exakt beschreiben, dass es ein Computer lösen kann kreative Tätigkeit Ingenieurtätigkeit Nur wenige Leute können gut programmieren , Seite 12

13 Agenda Agenda Übersicht und Organisation Vom Problem zum Programm Algorithmen Programmiersprachen Java Literatur , Seite 13

14 Algorithmus: schrittweises, präzises Verfahren zur Lösung eines Problems Algorithmen Name Parameter Variable Summiere Zahlen von 1 bis n ( n, sum) 1. sum 0 2. zahl 1 3. Wiederhole, solange zahl n 3.1 sum sum + zahl 3.2 zahl zahl + 1 Folge von Schritten Programm = Beschreibung eines Algorithmus in einer Programmiersprache , Seite 14

15 Algorithmen Mach den Schreibtischtest! ad Summiere Zahlen v on 1 bis n in: n sum <- 0 n Sum zahl zahl < zahl <= n? false out: sum true sum <- sum + zahl zahl <- zahl , Seite 15

16 Algorithmen Für jedes Problem existieren mehrere Algorithmen Summiere Zahlen von 1 bis n ( n, sum) 1. sum n * (n+1) / 2 Welcher Algorithmus ist besser? Welcher ist leichter verständlich? Wie verhält sich die Laufzeit der beiden Algorithmen? , Seite 16

17 Algorithmen Variablen Sind benannte Behälter für Werte sum 3 n 4 können ihren Wert ändern sum sum Haben einen Datentyp = Menge erlaubter Werte Typ entspricht Form: Datentyp Zahl Zeichen In eine Zahlenvariable passen nur Zahlen 1 a In eine Zeichenvariable passen nur Zeichen Werte 2 3 b c , Seite 17

18 Algorithmen Anweisungen: Wertzuweisung, Anweisungsfolge Wertzuweisung: 1. Werte den Ausdruck aus 2. Weise das Ergebnis der Variablen zu sum sum + 1 Variable Ausduck ad Sw ap Anweisungsfolge (Sequenz) in: x, y führe Anweisungen sequenziell aus h <- x x <- y y <- h out: y, x , Seite 18

19 Algorithmen Auswahl (auch Verzweigung, Abfrage, Selektion) Auswertung der Bedingung ad Auswahl Ergebnis: Wahrheitswert (true, false) in: x, y Abhängig vom Ergebnis: Ausführung weiterer Anweisungen [true] x < y [false] min <- x min <- y out: min , Seite 19

20 Algorithmen Wiederholung (auch Schleife, Iteration) Anweisungen in der Schleife werden so lange ausgeführt, wie Bedingung wahr While-Schleife Andere Schleifentypen: Repeat-Schleife For-Schleife ad Exponentialfunktion x <- n y <- 1 x > 0 in: n [false] [true] out: y y <- 2 * y x <- x , Seite 20

21 Algorithmen Warum funktioniert der Algorithmus? ad Exponentialfunktion Schleifeninvariante: y * 2 x = 2 n in: n Schreibtischtest: x <- n y <- 1 x 2 x y x = 0 y = 2**n x > 0 [true] [false] out: y y <- 2 * y y * 2**x = 2**n x <- x , Seite 21

22 Algorithmen Beispiel: Euklid scher Algorithmus Warum funktioniert der Algorithmus? (ggt teilt x) & (ggt teilt y) ggt teilt (x - y) ggt teilt (x q*y) ggt teilt rest GGT(x, y) = GGT(y, rest) ad Euklid'scher Algorithmus in: x, y rest <- x mod y x y rest rest!= 0 [false] ggt <- y [true] x <- y out: ggt y <- rest rest <- x mod y , Seite 22

23 ad Exponentialfunktion Algorithmen in: n Algorithmenschreibweisen x <- n y <- 1 Grafische Notationen: UML Aktivitätsdiagramme (schon bekannt; ähnlich Ablaufdiagramme / Flussdiagramme) Struktogramme (Nassi- Shneiderman-Diagramme) Textuelle Notationen: Pseudocode Programmiersprachen x > 0 [true] y <- 2 * y x <- x - 1 [false] x = 0 y = 2**n out: y y * 2**x = 2**n Summiere Zahlen von 1 bis n ( n, sum) 1. sum 0 2. zahl 1 3. Wiederhole, solange zahl n 3.1 sum sum + zahl 3.2 zahl zahl , Seite 23

24 Agenda Agenda Übersicht und Organisation Vom Problem zum Programm Algorithmen Programmiersprachen Java Literatur , Seite 24

25 Programmiersprachen Beschreibung von Programmiersprachen Syntax Regeln, nach denen Sätze gebaut werden dürfen z.b.: Zuweisung = Variable "<-" Ausdruck. Semantik Bedeutung der Sätze z.b.: werte Ausdruck aus und weise ihn der Variablen Grammatik Menge von Syntaxregeln z.b. Grammatik der ganzen Zahlen Ziffer = "0" "1" "2" "3" "4" "5" "6" "7" "8" "9". Zahl = Ziffer {Ziffer}. Ziffer Zahl Ziffer , Seite 25

26 Programmiersprachen EBNF (Erweiterte Backus-Naur-Form) Metazeichen Bedeutung = trennt Regelseiten. schließt Regel ab trennt Alternativen ( ) klammert Alternativen [ ] wahlweises Vorkommen { } 0..n-maliges Vorkommen Beispiel x y (x y) z [x] y {x} y beschreibt x, y xz, yz xy, y y, xy, xxy, xxxy,... z.b. Grammatik der Gleitkommazahlen Zahl = Ziffer {Ziffer}. Gleitkommazahl = Zahl "." Zahl ["E" ["+" "-"] Zahl]. Grammatik der If-Anweisung IfAnweisung = "if" "(" Ausdruck ")" Anweisung ["else" Anweisung] , Seite 26

27 Programmiersprachen Familien von Programmiersprachen ALGOL, AWK, BASIC, C, COBOL, FORTRAN, Pascal, PL/1, REXX, Cyclone 1 je Prozessortyp 6 5 Prozedurale Sprachen Assemblerund Maschinensprachen Programmiersprachen 2 Funktionale Sprachen 3 LISP, Logo, ML, Scheme, Haskell, OPAL, Miranda visuelle Programmierumgebungen (z.b. VisualBasic, Delphi), Datenbanksprachen (zum Beispiel SQL, dbase, Clipper) Sonstige Sprachen und Umgebungen 4 Logische und regelbsierte Sprachen Objektorientierte Sprachen Smalltalk, Eiffel, C++, Objective-C, Java, C#, Oberon, Python, Ruby Prolog OPS5, XSLT , Seite 27

28 Agenda Agenda Übersicht und Organisation Vom Problem zum Programm Algorithmen Programmiersprachen Java Literatur , Seite 28

29 Java 2000 Java im Kontext anderer Programmiersprachen Java C++ OO Turbo- PASCAL OBERON MODULA Ada Eiffel SMALLTALK80 COMMON LISP PROLOG C INTER LISP APL BCPL PL360 PL/1 COBOL PASCAL Basic ALGOL68 SIMULA LISP Fortran ALGOL 1950 Assemblersprachen Maschinensprachen , Seite 29

30 Java Java Historie 1991 im Green-Projekt (Sun Microsystems) als Sprache Oak entwickelt. Ziel: einfache, objekt-orientierte, plattformunabhängige Sprache zur Programmierung von Micro-Computern in Geräten der Konsumelektronik 1995 von Sun Microsystems ersmals als Sprache Java vorgestellt 1995 Netscape lizenziert mit dem Navigator 2.0 erstmals Java-Technologie von Sun - Java-Applets können über das Netz von einem zentralen Server geladen werden Freigabe des Java Developer Kit 1.0 JDK 1.0 und JDK 1.1, das ab April 1997 offiziell als Java One auf dem Markt ist 1998 JDK 1.2 enthält als Erweiterung insbesondere die Java Foundation Classes mit dem Swing Toolset zur Gestaltung graphischer Oberflächen (GUI). Ab der Version 1.2 werden die JDK-Versionen 1.x als Java 2 SDK bezeichnet (SDK=Software Development Kit) JDK 1.3, 1.4: Fehlerkorrekturen/Performance-Verbesserungen gegenüber Vorgängerversionen 2004 JDK 1.5 (Java 5): Umfangreiche Programmiersprachen-Erweiterungen, zum Beispiel Generics, Boxing / Unboxing , Seite 30

31 Java Compiler versus Interpreter main() { } C-Programm Xxxxx.c... E APL-Anweisungen übersetzt C-Compiler prozessorabhängiger... Maschinen- Code Xxxxx.exe a.out... führt aus CPU übersetzt einzelne APL-Anweisungen während der Laufzeit in Maschinencode, der von der CPU ausgeführt wird APL-Interpreter = = , Seite 31

32 Java Das Konzept der Virtual Machine in Java class Appl Java-Programm Xxxxx.java Bytecode Xxxxx.class übersetzt <Opcodes> iadd... entspricht Java-Compiler Aufruf: javac Xxxxx.java Java Virtual Machine implementiert führt aus Java-Interpreter Aufruf: java Xxxxx =6 Bei der Java Virtual Machine handelt es sich nicht um einen tatsächlich existierenden Prozessor, sondern nur um die Spezifikation eines solchen. Daher wird bei Java ein Programm gebraucht, das einen real existierenden Rechner in eine Java-Maschine verwandelt. Hierbei handelt es sich um den Java-Interpreter , Seite 32

33 Java Ein einfaches Java-Programm Der Programmtext muss in einer Datei namens Sample.java stehen class Sample { public static void main (String[] arg) { System.out.println("Virus detected!"); } } , Seite 33

34 Java JDK & Co. Übersetzen C:\> cd MySamples wechselt ins Verzeichnis mit der Quelldatei C:\MySamples> javac Sample.java erzeugt Datei Sample.class Ausführen C:\MySamples> java Sample ruft main-methode der Klasse Sample auf Virus detected! , Seite 34

35 Agenda Agenda Übersicht und Organisation Vom Problem zum Programm Algorithmen Programmiersprachen Java Literatur , Seite 35

36 Literatur Literatur Arnold K., Gosling J.: The Java Programming Language. Addison-Wesley, Krüger, Guido. Handbuch der Java-Programmierung. Addison-Wesley,2002, 3. Auflage oder kostenlos im Download als HTML-Version (Nachfolger von "Go To Java 2" und "Go To Java 2, 2. Auflage ) Mössenböck, H.: Sprechen Sie Java? Eine Einführung in das systematische Programmieren. 3. Auflage, dpunkt.verlag, 2005 Echtle K., Goedicke M.: Lehrbuch der Programmierung mit Java. dpunkt.verlag, Flanagan, David. Java in a Nutshell. Nutshell Handbooks. O'Reilly & Associates, Sebastopol, CA (Deutsche Ausgabe für ) Flanagan, David. Java Foundation Classes in a Nutshell. Nutshell Handbooks. O'Reilly & Associates, Sebastopol, CA WWW: - Java-Seiten von Sun "The Java Tutorial - A practical Guide for Programmers", - Sammlung von Java-Ressourcen - Online Java-Zeitschrift , Seite 36

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