CS1005 Objektorientierte Programmierung

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1 CS1005 Objektorientierte Programmierung Bachelor of Science (Informatik) Algorithmen und Programme Seite 1 Th Letschert

2 I want You for Java! Seite 2

3 Allgemeines Lernziel / Inhalt Einführung in die objektorientierte Programmierung Java Grundbegriffe der Softwaretechnik Literatur Folien / Skript / Anleitungen [Kurs A, B: Moodle-Kurse, werden eingerichtet ] Jedes beliebige neuere Java Buch Oracle Dokumentation [ ] Software Java SE 7 JDK! [ ] Entwicklungsumgebung Eclipse Eclipse IDE for Java Developers [ Seite 3

4 Organisation Kursaufteilung von OOP 9 Kurse Gleicher Lehrinhalt Gleiche Anforderungen Unterschiedliche Dozenten Kurse A-J Wahlfreiheit bei der Kurswahl außer: Medizin-informatik ~> Kurs H oder I (Dozenten Lidwin / Schwarz) Reserviert für MI Bio-Informatik ~> Kurs K oder J (Dozent Schölzel) BI-Studierende werden bei der Platzvergabe hier bevorzugt bevorzugt, ansonsten benachteiligt. Studierende dieser Studiengänge besuchen die entsprechenden Kurse Alle anderen können einen Kurs frei wählen Das bedeutet aber nicht, dass sie einen Platz in einem Kurs ihrer Wahl garantiert bekommen. Feste Kurseinteilung erfolgt in der zweiten regulären Vorlesungswoche. ~> Weiteres zur Orgsanisation: Herr Schölzel Seite 4

5 OOP Algorithmen und Programme Seite 5

6 Algorithmen und Programme Informatik zentrale Idee Trenne Maschinen auf in Hardware und Software: Hardware: Ausführende Maschinerie Software: Handlungsvorschrift ENIAC: erster elektronischer Computer (1946) mit Programm (Patch-Kabel und ca Schalter in bestimmter Konstellation), Programmierer (damals Computer genannt) und Hardware (27 Tonnen Elektronik) Hardware Programm Seite 6 Programmierer

7 Algorithmen und Programme Algorithmus Definition Ein Algorithmus ist eine detaillierte und explizite Vorschrift zur schrittweisen Lösung eines Problems, d. h. eine Vorschrift zur Lösung einer Aufgabe, die präzise formuliert, in endlicher Form dargestellt und effektiv ausführbar ist. Beispiel: Euklidscher Algorithmus Lies zwei ganze Zahlen in die Variablen x und y ein Solange der Wert von x größer 0 ist wiederhole: Wenn x < y dann vertausche die Inhalte von x und y Setze x auf die Differenz x-y Gib den Wert von y (ist der gesuchte ggt) aus Seite 7 Eingabe Rechenaktionen Ausgabe

8 Algorithmen und Programme Euklidscher Algorithmus zur Berechnung des GGT von 9 und 12 x sei 9 und y und y sei 12 Solange der Wert von x größer 0 ist wiederhole: Wenn x < y dann vertausche die Inhalte von x und y Setze x auf die Differenz x-y y ist der gesuchte ggt Programm Ein Programm ist ein Algorithmus, der in einer exakt festgelegten, maschinell ausführbaren Programmiersprache notiert wurde. Beispiel: Programm zur Berechnung des GGT von 9 und 12: int x int y while if = 9; = 12; (x > 0) { (x<y) { int t = y; y = x; x = t; Programmiersprache C (sehr ähnlich so auch in: C++, C#, Java,... ) x = x-y; Programm und Algorithmus werden heute i.a. nicht mehr streng unterschieden. Seite 8

9 Algorithmen und Programme Programm zur Berechnung des GGT von eingegebenen Zahlen in Java package ggt; import javax.swing.joptionpane; public class Euklid { public static void main(string[] args) { String xs = JOptionPane.showInputDialog("Bitte 1-te Zahl eingeben"); String ys = JOptionPane.showInputDialog("Bitte 2-te Zahl eingeben"); int x = Integer.parseInt(xS); int y = Integer.parseInt(yS); while (x > 0) { if (y > x) { int t = x; x = y; y = t; x = x-y; JOptionPane.showMessageDialog(null, "GGT: " + y); Seite 9

10 Algorithmus und Programm Programm Wesentliche Bestandteile Variable Ablageplatz für Werte realisiert als Speicherstelle im Hauptspeicher Register in der CPU int a int i while if = 9; = 12; (x > 0) { (x<y) { int t = y; y = x; x = t; x = x-y; Zuweisung Transfer von Werten aus Variablen oder Ausdrücken in Variablen Verzweigung Programm-Fortsetzung abhängig von einer Bedingung Verzweigung Schleife Ausdruck Rechenvorschrift zu Bestimmung eines Wertes aus anderen Werten und/oder dem Inhalt von Variablen Variable Schleife Wiederholung (meist) abhängig von einer Bedingung Seite 10 Zuweisung Ausdruck

11 Programmbestandteile Variable x Algorithmus Variable Variablen werden nicht wie in der Mathematik als Namen von Werten verstanden sondern als Namen von Speicherplätzen Variablen enthalten in der Regel eine in der Zeit wechselnde Folge von Werten Die Werte werden oft mit indizierten mathematischen Variablen beschrieben. Die Indizes entsprechen Zeitpunkten im Ablauf (Beginn eines Schleifendurchlaufs sind übliche Zeitpunkte) int x = 12; int y = 18; int t = 0; while (x>0) { if (x<y) { t = x; x = y; y = t; x = x-y; x y t x y t x0 x1 x2 x3 y0 y1 y2 y3 t0 t1 t2 t3 Zeit Variablen und ihre Werte zu unterschiedlichen Zeiten im Programmablauf GGT-Algorithmus als Programm Seite 11 Zeit ~ Index Werte von Programm-Variablen werden oft mit mathematischen Variablen beschrieben. x hat am Anfang den Wert x0 x1 = y0-x0 falls y0 > x0 x1 = x0-y0 falls x0 y0

12 Programmbestandteile Wert Algorithmus Zuweisung und Ausdruck Variable Ausdruck Der Wert eines Ausdrucks wird mit den aktuellen Werten der Variablen berechnet Zuweisung Die Zuweisung überschreibt den Wert einer Variablen: Der Speicher ändert seinen Zustand 3 12 x = 9 x - y; x 12 x 3 y y 9 9 Speicher mit Variablenwerten vorher! Speicher mit Variablenwerten nachher! Seite 12

13 Programmbestandteile Algorithmus Verzweigung Verzweigung Die nächste(n) Aktion(en) wird/werden abhängig von einer Bedingung bestimmt Bedingung Ausdruck dessen Wert ein Wahrheitswert ist (wahr / falsch) Bedingung if (x>y) { t = x; x = y; y = t; Aktionen Nur wenn der aktuelle Wert der Variablen x größer ist als der aktuelle Wert der Variablen y dann führe die folgenden Aktionen aus. Seite 13

14 Programmbestandteile Algorithmus Schleife Schleife Die nächste(n) Aktion(en) wird/werden abhängig von einer Bedingung weiter ausgeführt. Bedingung Ausdruck dessen Wert ein Wahrheitswert ist (wahr / falsch). Er regelt die Fortsetzung der Schleife. Die Bedingung wird vor Eintritt und vor jedem Durchlauf geprüft. Bedingung while (x>0) { if (x<y) { t = x; x = y; y = t; x = x-y; Aktionen Nur wenn der aktuelle Wert der Variablen x größer als 0 ist, dreht sich die Schleife weiter. Seite 14

15 Datentypen Programm Datentyp Datentyp Im Speicher des Rechners werden alle Daten in Form von BitSequenzen (0/1-Folgen) abgelegt. Um die Daten verarbeiten zu können muss bekannt sein welchen Typ sie haben (wie lang / wie viele Bits welche Codierung). Die Information über Länge und Codierung einer Bit-Sequenz bzw. eines Bereichs im Speicher bezeichnet man als Datentyp oder kurz Typ. Seite 15

16 Datentypen Beispiel: Bedeutung des Datentyps Beginn Speicherbereich von Variable a Ohne Wissen über den (Daten-) Typ von a kann die Anweisung nicht ausgeführt werden! Wie viele Bits soll ich verarbeiten. Welche Codierung haben sie? a = a + 1; Anweisung Was ist der Wert der Variable a? - Ganze Zahl in einem Byte ~> Zahl im 2-er Komplement in zwei Byte ~> Zeichen in Windows-1252 Code (ein Byte) ~> Zeichen ' ' - Zeichen in ISO Code (ein Byte) ~> nicht definiert - Zeichen UTF-8 Codierung (zwei Byte) ~> Zeichen 蕉 - Seite 16

17 Datentypen Information über Datentypen Die Information über den Typ von Speicherstellen kann prinzipiell auf zwei Arten verwaltet werden: Explizite Speicherung des Typs Zu allen Daten wird eine Typ-Information in einem bestimmten verabredeten Code gespeichert. Implizite Informationen über den Typ Jeder Verarbeiter muss (irgend-woher) wissen welchen Typ die Bits im Speicher haben. Vorgehen bei (typisierten) Programmiersprachen Das Programm als Verarbeiter der Daten enthält die Informationen über die Typen: aus Informationen des Programmierers / der Programmiererin durch abgeleitetes (berechnetes) Wissen über die Typen Seite 17

18 Datentypen Information über Datentypen / Beispiel Programmierer: die Variable x habe den Typ int int x = 12; int y = 18; int t = 0; while (x>0) { if (x<y) { t = x; x = y; y = t; x = x-y; => Konventionen der verwendeten Programmiersprache: Ganze Zahl im 2er-Komplement in 4 Bytes Aha, x und y sind ints, also ist mit - die Subtraktion von 2 Werten im 2er-Komplement der Länge 4 Bytes gemeint! Programm Seite 18

19 Datentypen Datentypen im Programm Information über den Typ von Speicherstellen werden auf verschiedene Arten in Programmen eingesetzt. Wichtige Beispiele sind: Werte-Bezeichnungen (Literale) Notationen (Bezeichnungen) für Werte, sogenannte Literale, haben einen zugeordneten Typ. ein int-literal ein String-Literal 12 "12" Variablendefinitionen mit Typ Variablen werden mit einem bestimmten Typ im Programm definiert. int x = 12; Explizite Umrechnung Gelegentlich muss das Programm explizite Anweisungen enthalten mit denen von einer Codierung in die andere umgerechnet wird. Seite 19 int x = Integer.parseInt("12");

20 Datentypen Literale Wertebezeichnungen Für Werte verwendet man übliche Bezeichnungen Diesen ist implizit ein bestimmter Typ (Speicherformat, Codierung) zugeordnet. 12 Lieber Computer, ich meine die Zahl 12. Genau gesagt meine ich die Bitsequenz, die einer Ganzzahldarstellung im 2-er Komplement der Zahl 12 zugeordnet ist. Also die folgenden Bits im Speicher (Byte-weise gruppiert): "12" 1100 Lieber Computer, ich meine die Folge bestehend aus den Zeichen 1 und 2. Genau gesagt meine ich die Darstellung des Zeichens 1 in UTF-8 Code gefolgt von der Darstellung des Zeichens 2 in UTF-8 Code. Also ganz genau gesagt meine ich die folgenden Bits im Speicher (Byte-weise gruppiert): Seite 20 Th Letschert

21 Datentypen Variablendefinition Variablen werden mit einem bestimmten Typ im Programm definiert. Damit wird nicht der Speicherplatz markiert, sondern ein Hinweis gegeben für die Speicherung und Verarbeitung der dort abgelegten Daten. int x = 12; Lieber Computer, ich möchte in meinem Programm eine Speicherstelle mit dem Namen x verwenden. Bitte suche dir einen passenden Platz im Speicher dafür. Alle Daten die dort abgelegt werden sollen ganze Zahlen sein die Du in der passenden Form und Codierung dort speichern sollst. Speicher erst einem die Zahl 12 im 2-er Komplement dort. Wenn ich eine Rechenoperation aufschreibe in der x vorkommt, dann nimm die Bits die du an der Speicherstelle findest und und interpretiere sie als ganze Zahl in dieser Codierung. String s = "hugo"; Lieber Computer, ich möchte in meinem Programm eine Speicherstelle mit dem Namen s für Zeichenfolgen verwenden. Bitte veranlasse alles notwendige und speichere dort erst einmal die Zeichen h u g o in UTF-8 Codierung! Seite 21

22 Datentypen Explizite Umrechnung von einer Codierung in eine andere In der Regel wird zwischen verschiedenen Codierungen / Speicherformaten eines Wertes automatisch hin und her gewechselt. Gelegentlich muss der Programmierer / die Programmiererin mit expliziten Anweisungen dafür sorgen, dass von einer Darstellung / Codierung in die andere gewechselt wird. int x = Integer.parseInt("12"); 12 "12" Lieber Computer, ich weiß ja dass "12" keine Zahl sondern eine zwei-einelementige Zeichenfolge ist. Sie in einer int-variablen zu speichern ist Unsinn und das würdest Du auch nicht tun, sondern mir eine Fehlermeldung anzeigen. Wir Menschen können aber aus den beiden Zeichen 1 und 2 eine Zahl berechnen. (1*10 + 2) Ich weiß Du kannst das auch, tue es bitte! Speichere diese Zahl dann (im Format einer ganzen Zahl im 2er-Komplement) an der Stelle die Du Dir als Platz für die Werte der Variablen x ausgedacht hast. Seite 22 Th Letschert

23 Hilfsroutinen Hilfsroutinen Für viele Standard-Aktionen gibt es vorgefertigte Hilfsroutinen mit denen sie ausgeführt werden können. Beispielsweise kann das Einlesen oder die Ausgabe von Daten über ein Fenster mit einfachen Hilfsroutinen veranlasst werden: String xs = JOptionPane.showInputDialog("Bitte 1-te Zahl eingeben"); Lieber Computer. Öffne ein Dialogfenster in dem der Benutzer einen Text eintippen kann. Schreibe den Text Bitte 1-te Zahl eingeben hinein, damit der Benutzer eine Idee hat, was er tippen soll. Den eingegeben Text speichere bitte in der Variablen xs. Ich weiß dass Du die eingegebenen Zeichen dort im UTF-8 Format ablegen wirst und dass damit keine Rechnen möglich ist. Das stört mich aber nicht, denn ich kann Dich ja veranlassen aus den Zeichen die Zahl zu machen, die der Benutzer gemeint hat. JOptionPane.showMessageDialog(null, "GGT: " + y); Lieber Computer. Öffne ein Fenster und schreibe dort den aktuellen Wert der Variablen y hinein. Schreibe vor diesen Wert den Text GGT: hinein, damit der Benutzer eine Idee hat, was er da sieht. Seite 23 Th Letschert

24 Softwaretechnisches Gedöhns Paket-, und Import-Anweisungen sowie anderes Gedöhns Moderne Programmiersprachen enthalten ausgefeilte Konstrukte die der Entwicklung sehr großer Programms-Systeme dienen. Sie wirken unverständlich und sind nicht einfach zu erklären. Für den ersten Einstieg nimmt man sie am Besten erst einmal als vorgegeben Programmrahmen einfach hin. Paket-Anweisung Import-Anweisung package ggt; frei wählbare Namen import javax.swing.joptionpane; public class Euklid { public static void main(string[] args) { Programm-Anweisungen hier! vorgegebener Rahmen für Java-Programme Seite 24

25 Maschinen, real und gedacht Implementierung : Von der hypothetischen zur realen Maschine Hypothetische Maschine Programmierer schreiben Programme für eine hypothetische (gedachte) Maschine, die die Programme versteht und direkt ausführen kann. Um gute Programme schreiben zu können ist es nicht notwendig zu wissen, wie Programme tatsächlich ausgeführt werden. Es ist aber notwendig sehr genau über die hypothetische Maschine Bescheid zu wissen. Eingabedaten Ausgabedaten String xs = JOptionPane.showInputDialog("Bitte 1-te Zahl eingeben"); String ys = JOptionPane.showInputDialog("Bitte 2-te Zahl eingeben"); int x = Integer.parseInt(xS); int y = Integer.parseInt(yS); while (x > 0) { if (y > x) { int t = x; aktuelle Aktion x = y; y = t; x = x-y; JOptionPane.showMessageDialog(null, "GGT: " + y); Seite xs ys 3 5 y x main t

26 Maschinen, real und gedacht Implementierung : Von der hypothetischen zur realen Maschine Hypothetische Maschine Programmierer schreiben Programme für eine hypothetische (gedachte) Maschine, die die Programme versteht und direkt ausführen kann. Um gute Programme schreiben zu können ist es nicht notwendig zu wissen, wie Programme tatsächlich ausgeführt werden. Es ist aber notwendig sehr genau über die hypothetische Maschine Bescheid zu wissen. Ablauf auf einer realen Maschine Um Programme auf einer realen Maschine (Computer) zum Ablauf zu bringen werden viele teilweise sehr komplexe Verfahren eingesetzt. Professionelle Programmierer sollten mit deren Ablauf zumindest grob vertraut sein. Die Realisation der Programmausführung (Compiler, Interpreter, Betriebssysteme,...) ist etwas für Spezialisten in diesem Gebiet: für Informatiker. Seite 26