Propädeutikum zur Programmierung
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- Friedrich Gerstle
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1 Propädeutikum zur Programmierung Andreas Bollin Institute für Informatik Systeme Universität Klagenfurt Tel: 0463 / Organisatorisches (1/6) Propädeutik = in ein Studienfach einführendes Werk Ziel der LV: Grundlage für SW1 und SW2 Inhalt der Lehrveranstaltung: Einführung in die Übungsumgebung Abstraktion und Algorithmen, Kontrollstrukturen Einfache Java Programme lesen/verstehen Datentypen, Anweisungen Methoden und Objekte Arrays Methoden und Rückgabewerte ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 2 von 52 1
2 Organisatorisches (2/6) Block-Lehrveranstaltung ( , Bollin) 1er Block Anfang Oktober: 3.10 (Mi) 8-10, HS C 3.10 (Mi) 12-16, HS C 4.10 (Do) 10-13, HS (Fr) 8-15, HS 10 Klausur: 12. Oktober, 8-10, HS 4 2er Block Mitte/Ende November (Mi) 18-20, HS 10 (Fragestunde) (Mi) 18-20, HS 10 (s.t. pünktlich) (Do) 18-20, HS B (s.t. pünktlich) ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 3 von 52 Organisatorisches (3/6) Block-Lehrveranstaltung ( , Bollin) 1er Block Anfang Oktober: 3.10 (Mi) 18-20, HS (Do) 18-20, HS B 5.10 (Fr) 16-20, HS (Sa) 9-17, HS 10 Klausur: 12. Oktober, 8-10, HS 4 2er Block Mitte/Ende November (Do) 18-20, HS 7 (Fragestunde) (Fr) 13-17, HS 10 (s.t. pünktlich) ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 4 von 52 2
3 Organisatorisches (4/6) Beurteilungskriterien Anwesenheitspflicht Mitarbeit (Aufgaben während der LV) Klausur (100 Punkte, mind. 40 Punkte) Erklären eines Java Programms Blockdiagramme, einfache Algorithmen Fragen/Probleme? DI Andreas Bollin Sprechstunde: Di, 11:00 12:00, E.2.77 Tel.: 0463 / ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 5 von 52 Organisatorisches (5/6) Sondergruppen (SW1,SW2,...) Keine Anwesenheitspflicht 1er+2er Block Übungsklausur (Ab Samstag 6.10, 9 Uhr) Klausur Ausarbeiten von 2 Themengebieten (siehe WWW) Abgabe der (schriftlichen) Lösungen im Sekretariat Übungsklausur bis Dienstag, 9.10, 12 Uhr Thema (1) bis Freitag, 12.10, 12 Uhr Thema (2) bis Montag, 5.11, 12 Uhr Themen: je 3 Seiten, Richtlinien siehe WWW ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 6 von 52 3
4 Organisatorisches (6/6) Themengruppe 1: 1A: Geschichte der Programmierung 1B: (Teil-)Gebiete der Informatik, Begriffe und Unterschiede anhand von Beispielen 1C: Geschichte der Programmiersprachen 1D: Was sind Datentypen? Eine Einführung Themengruppe 2: 2A: Arrays, Hintergründe und einfache Beispiele 2B: Ein/Ausgabe, Idee und einige kurze Beispiele 2C: Blockdiagramme, Hintergründe und einfache Beispiele 2D: Klassen Methoden und Objekte, Idee und Einführung anhand kurzer Beispiele ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 7 von 52 Programmierung (1/5) Programmieren = Plan zur Lösung eines Problems entwerfen. Geschichtliches zur Einführung: Vor 1900: mechanische Geräte. Abakus aus Babylonien um 3000 v.chr., Antikythera aus Griechenland um 80 v. Chr. Erste Idee der Programmierung: Charles Babbage ( ) Addition von Dezimalzahlen : Aufstieg der Mathematiker Hilbert ( ), Gödl ( ) und Alan Turing ( ) : Der Krieg als treibende Kraft Ver/Entschlüsselung (Colossus gegen Enigma). ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 8 von 52 4
5 Programmierung (2/5) Die Wende: 1947: Erfindung des Transistors Durchbruch. 1950er Jahre: Bedarf an höheren Notationen. (Erste Compiler und Programmiersprachen) 1951 Grace Murray Hopper, erster Compiler FORTRAN Compiler, John Backus et.al LISP, John McCarthy Algol, Alan Perlis, John Backus, Peter Naur et.al. Ab 1962: Computer Science wird eigenständige Wissenschaft. Algol-60, N. Wirth, formale Syntax, allgemeine Ausdrücke, Mathematik-ähnliche Notation, Block Struktur, Rekursion Simula-67, Dahl und Nygaard, erste OO-Sprache ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 9 von 52 Programmierung (3/5) 1970er Jahre: Bedarf an sicheren Sprachen Pascal, N. Wirth, strikte Typenkontrolle C, D. Ritchie 1980er Jahre: Modularisierung, Objektorientierung Modula-2, N. Wirth Smalltalk 80, Goldmann, Xerox PARC Ada, Ichbiah aber auch C++, Stroustrup 1990er Jahre: Reifeprozeß der OO C++, Modula-3, Java Folgende Jahre? Java, C, C++, C# Fortran und Cobol leben noch immer! Programmierung ist Teil der Informatik. ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 10 von 52 5
6 Programmierung (4/5) Informatik? Theoretische Informatik (Algorithmen,...) Technische Informatik- Hardwarenahe Gebiete (Schaltkreise, Kommunikationstechnik,...) Praktische Informatik (Compilerbau, Datenbanken, Betriebssysteme,...) Angewandte Informatik Anwendungsgebiet (Medizinische Informatik, Maschinenbau-Informatik) Vorgangsweise bei Computer-Anwendungen? Prüfen, ob Algorithmisierung möglich ist Entwurf der Algorithmen als automatisierbare Teilprozesse und Bewertung der Komplexität Implementierung der (Teil-)Algorithmen mittels einer Programmiersprache ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 11 von 52 Programmierung (5/5) Entstehungsschritte eines Programms: Um und Auf sind Algorithmen Schrittweise, präzises Verfahren zur Lösung eines Problems Algorithmen sind KEINE Programme Programm ist die Beschreibung eines Algorithmus in einer bestimmten Programmiersprache ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 12 von 52 6
7 Java (1/2) Idee 1990 (Sun) geboren: James Goslin, Patrick Naughton, Mike Sheridan Codename: Prototyp Oak, später (1995) Java (T-Shirt: its a jungle out there, so drink your Java ) Merkmale: Objektorientiert Sicher Portabel Plattformenabhängig Interpretiert ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 13 von 52 Java (2/2) Wie führe ich ein Java Programm aus? ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 14 von 52 7
8 Übungsumgebung (1/2) Man braucht somit: Texteditor, javac, java Es gibt eine Vielzahl an Arbeitsumgebungen Visual Café für Windows, Borland JBuilder, IBM Visual Age,... Java Development Kit (Sun Microsystems) Wir verwenden JDK 1.3 SE (einfach, frei) Übungsräume an der Universität ZID Übungsplätze (ZID PC-Ganz) PC-Gang. Raum E Benutzerkarte! ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 15 von 52 Übungsumgebung (2/2) Üben auch zuhause (Linux, Windows,...) Software CD von den Übungsleitern aus SW1 JDK 1.3 SE für Windows und Linux Java Online Dokumentation Emacs Texteditor (mit Java Mode) Ftp-Server des Institutes für Informatik ftp://ftp-itec.uni-klu.ac.at/ Username: infocd Passwort: infocd01 Installation von JDK 1.3 Siehe Online Demonstration Installation von Emacs und Emacs Java-Mode Siehe Online Demonstration ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 16 von 52 8
9 Algorithmen (1/25) Und wieder etwas Geschichte: 300 v.chr.: Euklids Algorithmus (Größter gemeinsamer Teiler) im 7. Buch der Elemente 800: Mohammed ibn Musa abu Djafar alchoresmi (Vorgehensweise für Testamentsvollstreckung) alchoresmi + arithmo (gr., Zahl) = Algorithmus 1571: erste Rechenbuch von Adam Ries 1614: erste Logarithmentafel (30 Jahre Arbeit!) 1703: binäres Zahlensystem von Leibnitz Ab 1936 Algorithmentheorie ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 17 von 52 Algorithmen (2/25) Was beschreibt ein Algorithmus? Drei wesentliche Teile: Folge von Einzelschritten Namen Häufig: Eingangs- und Ausgangswerte z.b. Addition von Zahlen, Test ob Primzahl,... ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 18 von 52 9
10 Algorithmen (3/25) 3 wesentliche Begriffe: Ein Algorithmus heißt terminierend, wenn er (bei jeder erlaubten Eingabe von Parametern) nach endlich vielen Schritten abbricht/endet. Ein Algorithmus hat einen deterministischen Ablauf, wenn er eine eindeutige Schrittfolge besitzt. (Determinismus) Ein Algorithmus liefert ein determiniertes Ergebnis, wenn jeder Eingabe stets EINE Ausgabe zugeordnet wird. (Determiniertheit) Deterministische, terminierende Algorithmen definieren im Allgemeinen Ein-Ausgabe Funktionen der Form: f: Eingabewerte Ausgabewerte ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 19 von 52 Algorithmen (4/25) Beispiel 1: Stellt folgende Anleitung einen Algorithmus dar? 1. Lies eine ganze Zahl ein 2. Wenn x <= 1, beende das Verfahren 3. Wenn x ungerade ist, dann gehe zu 5 oder 6 4. Setze x auf x/2; gehe zu Setze x auf 3*x + 1 und gehe zu 7 6. Setze x auf 5*x Gib x aus und gehe zu 2 ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 20 von 52 10
11 Algorithmen (5/25) Algorithmenbausteine: Elementare Operationen Sequentielle Ausführung (dann, danach) Parallele Ausführung Bedingte Ausführung (wenn dann) Schleife (solange bis) Unterprogramme (Teilalgorithmus) Rekursion Es gibt etliche Darstellungsformen Kombinieren (leimen) die Bausteine zusammen Pseudocode, Flussdiagramm, Blockdiagramm, Java (Pascal, C,...) Programm Code ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 21 von 52 Algorithmen (6/25) Beispiel 2: Auszugeben ist die Summe derjenigen von N einzulesenden Zahlen, die zwischen den vorzugebenden Werten L und R liegen. Lösung Beispiel 2: (ein erster Anfang) Biete die Möglichkeit, N Zahlen einzugeben und merke dir die Zahlen. Summiere die Zahlen und merke dir das Ergebnis. Gib das Ergebnis aus. ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 22 von 52 11
12 Algorithmen (7/25) Probleme: Noch zu ungenau. Woher kommen R,L,N? Wir brauchen Behälter (leeren/füllen?). Wir müssen die Reihenfolge der Aktionen festlegen. Idee: Einführen von Variablen = Behälter für EINEN Wert. Variable: Summe. Verwenden EINHEITLICHER Anweisungen. Wertzuweisungen. Folge, Verzweigung, Schleife. Verwenden EINHEITLICHER Notation (Diagramme). ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 23 von 52 Algorithmen (8/25) Variablen haben einen Wert und einen Datentyp Datentyp = Menge jener Werte, die eine Variable annehmen kann z.b.: Ganze Zahlen (Integerwerte), Wahrheitswerte (wahr/falsch), Buchstaben In eine Variable passen nur Werte desselben Typs ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 24 von 52 12
13 Algorithmen (9/25) Grafische Notation: Blockdiagramme Beliebige Schachtelung ist möglich ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 25 von 52 Algorithmen (10/25) Zum Aufwärmen Beispiel 3: Ges.: Arithmetische Mittel 2er Zahlen ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 26 von 52 13
14 Algorithmen (11/25) Und nun zur Lösung von Beispiel 2 Summe ( N, L, R, Summe) ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 27 von 52 Algorithmen (12/25) Beispiel 4: Ges.: Das Maximum von 3 ganzen Zahlen. ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 28 von 52 14
15 Algorithmen (13/25) Beispiel 5: Was tut folgender Algorithmus? Summiert x ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 29 von 52 Algorithmen (14/25) Beispiel 6: Was tut folgender Algorithmus? Ganzzahliger Logarithmus dualis (ld x) ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 30 von 52 15
16 Algorithmen (15/25) Beispiel 7: Was tut folgender Algorithmus? Endlosschleife: d.h. Achtung!, Zähler auch erhöhen! ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 31 von 52 Algorithmen (16/25) Beispiel 8: Ges.: Algorithmus, der die Quadratwurzel einer positiven ganzen Zahl (nach einem Näherungsverfahren, Genauigkeit 8 Kommastellen) berechnet. Verfahren: Es sei die Zahl x gegeben. Erste Annahme, Wurzel w sei gleich x/2 (Näherungswert). Wir berechnen die Zahl a = x / w. Ist w die Wurzel, so wäre a = w. Neuer Versuche für Näherungswert: w = (w+a)/2 Somit ist a ist nun wieder a = x / w und liegt näher am tatsächlichen Wert ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 32 von 52 16
17 Algorithmen (17/25) Beispiel 8: Lösung ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 33 von 52 Algorithmen (18/25) Beispiel 9: Ges.: Algorithmus zur Berechnung der Fakultät ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 34 von 52 17
18 Algorithmen (19/25) Beispiel 10: Was tut folgender Algorithmus? Maximum der Funktion f(x) = x * (n-x) ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 35 von 52 Algorithmen (20/25) Beispiel 11: Ges.: Entwerfen Sie einen Algorithmus, der eine ganze Zahl k > 0 als Eingabe erhält und nacheinander folgende Werte ki+1 für i=0,1,2,... ausgibt. ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 36 von 52 18
19 Algorithmen (21/25) Beispiel 11: Lösung ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 37 von 52 Algorithmen (22/25) Beispiel 12: Ges.: ggt von 2 Zahlen Idee Algorithmus von Euklid (300 v. Chr.): Man berechnet den Rest der Division der beiden Zahlen x und y. Ist der Rest Null, so ist y bereits der Teiler. Ist der Rest nicht null, so ersetzt man x durch y, und y durch den Rest. Anschließend berechnet man erneut den Rest der Division von x durch y. Beweis des Algorithmus? ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 38 von 52 19
20 Algorithmen (23/25) Ein erster Beweis: (ggt teilt x) und (ggt teilt y) Das bedeutet: (x=i*ggt) und (y=j*ggt) Untersuchen wir einmal x-y: (x-y) = (i*ggt j*ggt) = (i-j)*ggt (d.h. ist Vielfaches!) D.h. wir können y mehrmals (q-mal) von x abziehen und das Ergebnis bleibt Vielfaches von ggt. ggt teilt (x q*y) (Ausdruck ist der Rest von x/y) ggt von x und y ist auch der ggt von y und dem Rest der Division x/y. ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 39 von 52 Algorithmen (24/25) Lösung als Blockdiagramm: ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 40 von 52 20
21 Algorithmen (25/25) Das dazu passende Java-Programmfragment: ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 41 von 52 Algorithmen in Java (1/7) Wie kann ich den Algorithmus ausführen? Entscheiden, welche Programmiersprache verwendet werden soll. Syntax und Semantik klären. Beliebiger Texteditor zum Schreiben des Algorithmus. Namen vergeben (z.b.: GCD). Das Programm übersetzen. Das Programm ausführen. ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 42 von 52 21
22 Algorithmen in Java (2/7) Obiges Java Fragment muss noch in einen passenden Container (der den Algorithmus, weitere Daten und meist einen speziellen Startpunkt enthält) eingefügt werden. Idee der Klasse (Basisklasse) class GCD{ // Inhalt der Klasse } ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 43 von 52 Algorithmen in Java (3/7) Algorithmen werden als Methoden in den Kontainer eingefügt. Es können beliebig viele Methoden in der Klasse vorhanden sein (eindeutiger Name!). Die Signatur ist jedoch entscheidend. Form: Rückgabewert Methodenname (Eingabewerte) { // Algorithmus } Rückgabewerte können z.b. ganze Zahlen (int) sein. ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 44 von 52 22
23 Algorithmen in Java (4/7) Jede ausführbare Java Klasse hat eine spezielle Methode: main Reihenfolge der Methoden nicht relevant. main dient als Anker, kennzeichnet den Programmbeginn. Form: static void main (String [] args) { // Hierher kommt der Programmcode } ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 45 von 52 Algorithmen in Java (5/7) Eine leere Java Klasse ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 46 von 52 23
24 Algorithmen in Java (6/7) Der ggt als ausführbares Java Programm ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 47 von 52 Algorithmen in Java (7/7) Etliche Fragen noch unbeantwortet: Welche Kontrollstrukturen bietet mir Java um (m)einen Algorithmus umzusetzen? Welche Grundsymbole gibt es? Wo und wie ist die Sprache Java definiert? Antwort im 2ten Block der LV: Formale Sprachen -> Siehe ESOP Anweisungen, Datentypen und Kontrollstrukturen ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 48 von 52 24
25 Aufgaben (1/2) Aufgabe 1: Ges.: Algorithmus (Blockdiagramm), der das Maximum und das Minimum von N einzugebenden Zahlen bestimmt. Lösung bitte bis zur kommenden Stunde ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 49 von 52 Aufgaben (2/2) Aufgabe 2: Ges.: Algorithmus (Blockdiagramm), der feststellt, ob eine eingegebene Zahl eine Primzahl ist. Einfache Lösung: Prüfen durch Division der Zahl von 2 bis Wurzel aus der Zahl Lösung bitte bis zur kommenden Stunde ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 50 von 52 25
26 Weitere Informationen (1/2) Literatur Sprechen Sie Java. Hanspeter Mössenböck. dpunkt.verlag, Java in a Nutshell. David Flanagan. O Reilly, Lehrbuch der Programmierung mit Java. Klaus Echtle, Michael Goedicke. dpunkt.verlag, Online-Dokumentation - Links java.sun.com/j2se/1.3/docs.html bscw-itec.uni-klu.ac.at ftp://ftp-itec.uni-klu.ac.at ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 51 von 52 Weitere Informationen (2/2) Weitere interessante Links forum.java.sun.com Entwicklerplatform Suchmaschine Objektorientierung, Linkssammlung SW1 Homepage Weitere interessante Lehrveranstaltungen ISYS (ab) Propädeutikum zur Programmierung Teil 1 Seite 52 von 52 26
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