Grundkurs Informatik

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1 Grundkurs Informatik

2 Hartmut Ernst Jochen Schmidt Gerd Beneken Grundkurs Informatik Grundlagen und Konzepte für die erfolgreiche IT-Praxis Eine umfassende, praxisorientierte Einführung 6. Auflage 2016

3 Hartmut Ernst Hochschule Rosenheim Rosenheim, Deutschland Jochen Schmidt Hochschule Rosenheim Rosenheim, Deutschland Gerd Beneken Hochschule Rosenheim Rosenheim, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 1999, 2000, 2003, 2008, 2015, 2016 Die 1. Auflage 1999 und die 2. Auflage 2000 erschienen unter dem Titel Grundlagen und Konzepte der Informatik Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

4 Vorwort Wer sich heute als Student oder als Praktiker im Beruf ernsthaft mit Informatik beschäftigt, dem ist die Frage nach der Standortbestimmung seines Fachgebiets vertraut: Was ist eigentlich Informatik? Es gibt wenige Arbeitsfelder, die so interdisziplinär angelegt sind wie gerade die Informatik. Wer beispielsweise die Darstellung des Stoffes in Lehrbüchern über Wirtschaftsinformatik betrachtet, wird ganz erhebliche Unterschiede im Vergleich mit diesem Buch bemerken. Ebenso wird der Datenbank-Profi oder der mehr an der Hardware orientierte Entwickler manches Detail vermissen. Dennoch, die grundlegenden Konzepte, auf die es wirklich ankommt, sind für die verschiedenen Richtungen dieselben. Es wurde daher mit diesem Buch der Versuch unternommen, einen möglichst umfassenden Überblick und Einblick in die wesentlichen Grundlagen und Konzepte der Informatik zu vermitteln. Dabei geht es nicht nur um die Darstellung von Sachverhalten, sondern auch darum, Zusammenhänge verständlich zu machen und zu vertiefen. Ferner sollte der Zugang zu weiterführenden Büchern und Originalliteratur erleichtert werden. Ziel war nicht ein weiteres Programmierlehrbuch zu schreiben, sondern eine umfassende Einführung in die Informatik. Als roter Faden wird die Betonung des algorithmischen Ansatzes verfolgt, denn gerade Algorithmen und deren effiziente Implementierung in Software und Hardware bilden ein zentrales Thema der Informatik. Die Stoffauswahl ist außerdem an Themen orientiert, die über längere Zeit relevant bleiben dürften. Dieses Lehrbuch versteht sich als praxisnah und anwendungsbezogen, wenn auch nicht in einem an Produkten und kommerziellen Softwaresystemen orientierten Sinne der angewandten Informatik. Vielmehr wurden die Autoren von der Überzeugung geleitet, dass Innovationen in der Praxis nur der leisten kann, der kreativ auf der Basis von first principles zu denken gelernt hat. Der Stellenwert der Theorie auch für den Praktiker wird damit betont. Auf der anderen Seite erfordert die hier angestrebte Orientierung an der Praxis nicht, dass jeder Satz im mathematischen Sinne streng bewiesen werden müsste. Es ist ja gerade der überbetonte Formalismus mancher Theorie, der auf den Praktiker abschreckend wirkt. Für den Theorie-Nutzer genügt es oft, die Formulierung eines Satzes zu verstehen, seinen Anwendungsbereich und seine Grenzen zu begreifen sowie Einsicht in seine Gültigkeit zu gewinnen. Dazu ist aus didaktischer Sicht an Stelle eines trockenen Beweises ein erhellendes Beispiel oft dienlicher. Man kann die Informatik in manchen Aspekten mit einem voll im Leben stehenden Baum vergleichen. Weithin sichtbar ist vor allem seine Krone mit grünen Blättern und bunten Früchten, entsprechend den vielfältigen kommerziellen Anwendungen der Informatik. Und das ist es auch, was der praxisorientierte Informatikanwender von dem breiten Spektrum, das unter dem Begriff Informatik subsumiert wird, aus der Distanz in erster Linie wahrnimmt: Computer-Aided Anything, die anwendungsbetonte Informatik, die Lösungen für konkrete Probleme verkauft. Dort arbeitet die Mehrzahl der Informatiker, dort wird gutes Geld verdient.

5 vi Vorwort Doch so wie die Krone eines Baumes im Wechsel der Jahreszeiten ihr Aussehen ändert, so ist auch dieser Teil der Informatik von kurzen Produktzyklen und in stetem Wandel begriffenen Systemumgebungen geprägt. Hier trägt die Informatik zwar ihre Früchte, doch sind diese oft leicht verderbliche Ware mit einem kurzfristigen Verfallsdatum. Für ein tiefer gehendes Informatikverständnis genügt eine hauptsächlich an Produkten orientierte Sichtweise daher definitiv nicht. Ohne profundes Hintergrundwissen ist es unmöglich, nachhaltige Entwicklungen von Sackgassen und Modeströmungen zu unterscheiden. Es mag ja sehr verlockend sein, Bill Gates nachzueifern und gleich in der obersten Etage der Informatikbranche einzusteigen. Doch an dieser Stelle muss man sich klar machen, dass es der Stamm ist, der die Krone trägt. In diesem Sinne ruht auch die anwendungsorientierte Informatik auf einem stabilen Unterbau, der Kerninformatik. Diese unterliegt einem vergleichsweise langsamen Wandel und sie gründet ihrerseits in tiefen Wurzeln auf einem zeitlosen mathematisch-naturwissenschaftlichen Fundament. Um den Stamm des Informatikbaumes, die Kerninformatik, geht es in diesem Buch. Wer sich auf diesem Terrain sicher zu bewegen weiß, der wird keine Schwierigkeiten haben, auf einem tragfähigen Grundlagenwissen professionell die höchsten Äste der Baumkrone zu erklimmen oder auch tiefer zu schürfen, um die wissenschaftliche Basis zu ergründen. Zur Erleichterung des Einstiegs in die Lektüre werden im Folgenden die Themen der einzelnen Kapitel kurz charakterisiert. In Kapitel 1 wird nach einer geschichtlichen Einführung und einem kurzen Überblick über den prinzipiellen Aufbau von Rechnern die binäre Arithmetik behandelt. Kapitel 2 beschäftigt sich ausführlich mit den begrifflichen und mathematischen Konzepten der fundamentalen Begriffe Nachricht und Information. Jeder, der sich ernsthaft mit der Informatik befasst, sollte mit diesen Grundlagen gut vertraut sein, da so das Verständnis der folgenden Kapitel erleichtert wird. Da Information und Wahrscheinlichkeit in enger Beziehung zueinander stehen, werden auch die erforderlichen mathematischen Methoden erläutert. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels geht es dann um einen zentralen Begriff der Informatik, die Entropie. In Kapitel 3 werden aufbauend auf Kap. 2 zunächst die grundlegenden Begriffe Redundanz, Codeerzeugung und Codesicherung erläutert. Dazu gehört auch eine detaillierte Erläuterung der wichtigsten einschlägigen Algorithmen. Anschließend wird auf den in der Praxis besonders wichtigen Aspekt der Codierungstheorie eingegangen, nämlich auf Methoden zur Datenkompression. Kapitel 4 behandelt die Verschlüsselung von Daten. Es wird sowohl auf klassische Verfahren eingegangen als auch auf moderne Methoden zur symmetrischen und asymmetrischen Verschlüsselung. Zusammen mit den Kapiteln 2 und 3 umfasst und vertieft der Stoff den Inhalt entsprechender Grundvorlesungen. Kapitel 5 gibt einen Überblick über die Grundlagen der Computerhardware. Nach einer knappen Einführung in die Aussagenlogik und die boolesche Algebra wird auf Schaltnetze und Schaltwerke eingegangen. Am Schluss des Kapitels steht ein Abschnitt über Maschinensprache und Assembler. In Kapitel 6 geht es dann um Rechnerarchitekturen. Nach Einführung der üblichen Klassifikationsschemata folgt eine Erläuterung der für die Mehrzahl der Rechner noch immer maßgeblichen von-neumann-architektur sowie eine Einführung in die Konzepte der Parallelverarbeitung. Kapitel 7 beschreibt den Aufbau von Rechnernetzen. Zentral ist hier das OSI-Schichtenmodell. Die im Internet verwendeten Übertragungsprotokolle werden erläutert. Kapitel 8 beschreibt Architekturen und die wichtigsten Aufgaben von Betriebssystemen. Am Ende wird auch auf die immer wichtiger werdende Virtualisierung eingegangen. Kapitel 9 bietet einen Überblick über Datenbankkonzepte, mit dem Fokus auf relationalen Datenbanken, der Datenbankabfragesprache SQL sowie XML. Auch Data Warehousing und Data

6 Vorwort vii Mining werden gestreift. Kapitel 10 beschäftigt sich mit der Automatentheorie und der Theorie der formalen Sprachen, die in der theoretischen Informatik als Grundlage von Programmiersprachen und Compilern einen wichtigen Platz einnehmen. Auch das Konzept der Turing-Maschine, die als algebraische Beschreibung eines Computers aufgefasst werden kann, wird ausführlich erklärt. Dabei wird mehr Wert auf eine verständliche Darstellung der grundlegenden Konzepte gelegt, als auf mathematische Strenge. Am Ende des Kapitels wird ohne Vertiefung des Themas kurz auf Compiler eingegangen. Kapitel 11 baut unmittelbar auf Kap. 10 auf. Zunächst werden die Begriffe Berechenbarkeit und Komplexität erläutert und die Grenzen des mit Computern überhaupt Machbaren aufgezeigt. Es schließen sich Abschnitte über probabilistische Algorithmen und Rekursion an. Die Kapitel 10 und 11 entsprechen zusammen einem Grundkurs in theoretischer Informatik. In Kapitel 12 geht es im Detail um die in kommerzieller Software am häufigsten verwendeten Operationen, nämlich Suchen (einschließlich Hashing) und Sortieren. Kapitel 13 ist den wichtigen Datenstrukturen Binärbäume, Vielwegbäume und Graphen gewidmet. Die Kapitel 12, 13 und 14.4 decken den Stoff einschlägiger Vorlesungen über Algorithmen und Datenstrukturen ab. Kapitel 14 beginnt mit einer Diskussion der prinzipiellen Struktur höherer Programmiersprachen einschließlich Backus-Naur-Form und Syntaxgraphen. Es folgt ein Überblick über die weit verbreitete Programmiersprache C, der aber keinesfalls speziell diesem Thema gewidmete Lehrbücher ersetzen kann. Die Beschreibung der C-Funktionsbibliothek beschränkt sich auf einige Beispiele. Der letzte Abschnitt befasst sich intensiv mit den Datenstrukturen lineare Listen, Stapel und Warteschlangen. Kapitel 15 bietet eine Einführung in das objektorientierte Paradigma. Exemplarisch wird auf die Sprache Java eingegangen. Kapitel 16 befasst sich mit der Anwendungsprogrammierung im Internet. Neben der Beschreibung grundlegender Technologien liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung von Webanwendungen mit JavaScript. Kapitel 17 gibt einen Überblick über Software-Engineering. Nach einer Beschreibung des Software-Lebenszyklus werden zwei in der Praxis häufig anzutreffende Vorgehensmodelle erläutert, nämlich das V-Modell und Scrum. Hilfsmittel für den Algorithmenentwurf werden vorgestellt. Nachdem die fünfte Auflage komplett überarbeitet und erweitert wurde, enthält die jetzt vorliegende sechste Auflage in erster Linie Korrekturen und Klarstellungen. Herzlichen Dank an unsere aufmerksamen Leser für die Hinweise. Ein Buch schreibt man nicht alleine; etliche Freunde und Kollegen haben uns dabei mit wertvollen Anregungen geholfen. Insbesondere bedanken wir uns bei den Kollegen Ludwig Frank, Helmut Oechslein und Theodor Tempelmeier, deren Hinweise und Sachverstand zur Qualität des Buches wesentlich beigetragen haben; außerdem bei Herrn Alexander Scholz für die tatkräftige Unterstützung bei der Neuerstellung der Zeichnungen. Besonderer Dank gilt unseren Frauen und unseren Familien für die ausgezeichnete Unterstützung während des Buch-Projektes. Rosenheim, Hartmut Ernst 18. Juni 2016 Jochen Schmidt Gerd Beneken

7 Hinweise zu den Übungsaufgaben An die meisten Kapitel schließen sich Übungsaufgaben an. Die Lösungen sind auf der das Buch ergänzenden Internetseite zu finden. Die Übungsaufgaben sind thematisch sowie nach ihrem Schwierigkeitsgrad klassifiziert: T M L P für Textaufgaben, für mathematisch orientierte Aufgaben, für Aufgaben, die logisches und kombinatorisches Denken erfordern, für Programmieraufgaben. 0 bedeutet sehr leicht. Diese Aufgaben können unmittelbar gelöst werden, ggf. mit etwas Blättern im Buch. 1 bedeutet leicht und kennzeichnet Aufgaben, die innerhalb von einigen Minuten mit wenig Aufwand zu lösen sind. 2 bedeutet mittel. Solche Aufgaben erfordern etwas geistige Transferleistung über den Buchinhalt hinaus und/oder einen größeren Arbeitsaufwand. 3 bedeutet schwer und ist für Aufgaben reserviert, die erheblichen Arbeitsaufwand mit kreativen Eigenleistungen erfordern. 4 kennzeichnet sehr schwere Aufgaben und aufwendige Projekte.

8 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Was ist eigentlich Informatik? Zur Geschichte der Informatik Frühe Zähl- und Rechensysteme Die Entwicklung von Rechenmaschinen Die Computer-Generationen Prinzipieller Aufbau von Computern Analog- und Digitalrechner Das EVA-Prinzip Zentraleinheit und Busstruktur Systemkomponenten Zahlensysteme und binäre Arithmetik Darstellung von Zahlen Umwandlung von Zahlen in verschiedene Darstellungssysteme Binäre Arithmetik Gleitkommazahlen Literatur Nachricht und Information Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information Biologische Aspekte Sinnesorgane Datenverarbeitung im Gehirn Der genetische Code Diskretisierung von Nachrichten Abtastung Quantisierung Wahrscheinlichkeit und Kombinatorik Die relative Häufigkeit Die mathematische Wahrscheinlichkeit Totale Wahrscheinlichkeit und Bayes-Formel Statistische Kenngrößen Fakultät und Binomialkoeffizienten Kombinatorik Information und Wahrscheinlichkeit Der Informationsgehalt einer Nachricht Die Entropie einer Nachricht Zusammenhang mit der physikalischen Entropie Literatur... 68

9 x Inhaltsverzeichnis 3 Codierung Grundbegriffe Definition des Begriffs Codierung Mittlere Wortlänge und Code-Redundanz Beispiele für Codes Code-Erzeugung Codebäume Der Huffman-Algorithmus Der Fano-Algorithmus Codesicherung Stellendistanz und Hamming-Distanz m-aus-n-codes Codes mit Paritätsbits Fehlertolerante Gray-Codes Definition linearer Codes Lineare Hamming-Codes Zyklische Codes und Code-Polynome CRC-Codes Sicherung nicht-binärer Codes Reed-Solomon Codes Datenkompression Vorbemerkungen und statistische Datenkompression Arithmetische Codierung Lauflängen-Codierung Differenz-Codierung Der LZW-Algorithmus Datenreduktion durch unitäre Transformationen (JPEG) Literatur Verschlüsselung Klassische Verfahren Substitutions-Chiffren Transpositions-Chiffren und Enigma Moderne symmetrische Verfahren Der Data Encryption Standard (DES) Der Advanced Encryption Standard (AES) One-Time-Pads und Stromchiffren Moderne asymmetrische Verfahren Diffie-Hellman Schlüsselaustausch Der RSA-Algorithmus Digitale Unterschrift Literatur Computerhardware und Maschinensprache Digitale Grundschaltungen Stromkreise...169

10 Inhaltsverzeichnis xi Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise Logische Gatter Boolesche Algebra und Schaltfunktionen Aussagenlogik Der boolesche Verband Das boolesche Normalform-Theorem Vereinfachen boolescher Ausdrücke Schaltnetze und Schaltwerke Schaltnetze Spezielle Schaltnetze Schaltwerke Die Funktion einer CPU am Beispiel des M Die Anschlüsse der CPU M Der innere Aufbau der CPU M Befehlsformate und Befehlsausführung Adressierungsarten Maschinensprache und Assembler Einführung Der Befehlssatz des M Programmbeispiele Literatur Rechnerarchitektur Überblick Die von-neumann-architektur Komponenten eines von-neumann-rechners Operationsprinzip Befehlssatz Mikroprogramme und CISC Reduced Instruction Set Computer: RISC Abwärtskompatibilität Klassifikation nach Flynn Parallelität innerhalb einer Befehlssequenz Fließbandverarbeitung Optimierte Befehlsausführung Superskalare Mikroprozessoren VLIW Very Long Instruction Word Parallelität in Daten nutzen: Vektorprozessoren und Vektorrechner Parallele Ausführung mehrerer Befehlssequenzen Simultanes Multi-Threading innerhalb einer CPU Multi-Core-CPU Multiprozessor-Systeme Multicomputer-Systeme Speicherhierarchie Speichertechnologien: Register, Cache und Hauptspeicher Caching Memory Management Unit und virtueller Speicher...249

11 xii Inhaltsverzeichnis Festplatten Flash-Speicher und Solid State Disks Ein- und Ausgabe Unterbrechungen (Interrupts) Direct Memory Access Verbindungsstrukturen Gemeinsamer Bus Zugriffsprotokolle für Busse und gemeinsame Speicher Punkt-Zu-Punkt Verbindungen Weitere Verbindungsstrukturen Allgemeine topologische Verbindungsstrukturen Mikrocontroller und Spezialprozessoren Mikrocontroller Digitale Signalprozessoren Grafikprozessoren Literatur Rechnernetze Das OSI-Schichtenmodell der Datenkommunikation Bitübertragungsschicht Technologien der Sicherungsschicht Netze im Nahbereich (PAN) Lokale Netze: LAN und WLAN Vorgriff: Leitungs- und Paketvermittlung Datenfernübertragung und der Zugang zum Internet Die Behandlung von Übertragungsfehlern Netzwerk- und Transportschicht: TCP/IP und das Internet Überblick über das Internet IP: Internet Protocol TCP: Transmission Control Protocol UDP: User Datagram Protocol Anwendungsschicht: Von DNS bis HTTP und URIs DNS: Domain Name System IRC: Internet Relay Chat FTP: File Transfer Protocol SSH: secure shell und TELNET: teletype network HTTP: Hypertext Transfer Protocol URI: Uniform Resource Identifier Literatur Betriebssysteme Überblick Aufgaben Betriebsarten Betriebssystem-Architekturen...305

12 Inhaltsverzeichnis xiii 8.3 Aufgaben eines Betriebssystems im Detail Prozessverwaltung Synchronisation Interprozess-Kommunikation Speicherverwaltung und virtueller Speicher Geräteverwaltung und -treiber Dateiverwaltung Benutzerschnittstelle: Shell und GUI Kommandozeilen-Interpreter am Beispiel UNIX Besonderheiten am Beispiel der UNIX-Shell Grafische Benutzerschnittstelle Beispiele für Betriebssysteme Microsoft-Windows UNIX, LINUX und Android Betriebssystem-Virtualisierung Anwendungsbereiche Hypervisoren Virtuelle Maschinen Grundlegende Aktivitäten der Virtualisierung Literatur Datenbanken Einführung und Definition Relationale Datenbankmanagement-Systeme Relationen Schlüssel Beziehungen (Relationships) Relationale Algebra Die Datenbanksprache SQL SQL als deklarative Sprache Definition des Datenbankschemas Einfügen, Ändern und Löschen von Daten Suchen mit SELECT Programmiersprachen und SQL NoSQL Transaktionen, OLTP und ACID OLAP, Data Warehousing und Data-Mining Semi-Strukturierte Daten mit XML Der Aufbau von XML-Dokumenten Wohlgeformtheit und Validität XML-Schema XPath XSL: Extended Style Sheet Language Literatur...369

13 xiv Inhaltsverzeichnis 10 Automatentheorie und formale Sprachen Grundbegriffe der Automatentheorie Definition von Automaten Darstellung von Automaten Die akzeptierte Sprache von Automaten Kellerautomaten Turing-Maschinen Einführung in die Theorie der formalen Sprachen Definition von formalen Sprachen Die Chomsky-Hierarchie Das Pumping-Theorem Die Analyse von Wörtern Compiler Literatur Algorithmen Berechenbarkeit und Komplexität Berechenbarkeit Entscheidungsproblem und Church-Turing These Das Halteproblem Satz von Rice und weitere unentscheidbare Probleme LOOP-, WHILE- und GOTO-Berechenbarkeit Primitiv rekursive und μ-rekursive Funktionen Komplexität Die Ordnung der Komplexität: O-Notation Analyse von Algorithmen Die Komplexitätsklassen P und NP NP-vollständige Probleme Weitere Komplexitätsklassen Probabilistische Algorithmen Pseudo-Zufallszahlen Monte-Carlo-Methoden Probabilistischer Primzahltest Rekursion Definition und einführende Beispiele Rekursive Programmierung und Iteration Backtracking Literatur Suchen und Sortieren Einfache Suchverfahren Sequentielle Suche Binäre Suche Interpolationssuche Radix-Suche Suchen von Mustern in Zeichenketten Musterabgleich durch sequentielles Vergleichen...474

14 Inhaltsverzeichnis xv Musterabgleich durch Automaten Die Verfahren von Boyer-Moore und Knuth-Morris-Pratt Ähnlichkeit von Mustern und Levenshtein-Distanz Gestreute Speicherung (Hashing) Hash-Funktionen Kollisionsbehandlung Komplexitätsberechnung Direkte Sortierverfahren Vorbemerkungen Sortieren durch direktes Einfügen (Insertion Sort) Sortieren durch direktes Auswählen (Selection Sort) Sortieren durch direktes Austauschen (Bubblesort) Höhere Sortierverfahren Shellsort Quicksort Vergleich der Sortierverfahren Sortieren externer Dateien Grundprinzipien des sequentiellen Datenzugriffs Sequentielle Speicherorganisation Direktes Mischen (Direct Merge, Mergesort) Natürliches Mischen (Natural Merge) n-band-mischen Literatur Bäume und Graphen Binärbäume Definitionen Speichern und Durchsuchen von Binärbäumen Binäre Suchbäume Ausgleichen von Bäumen und AVL-Bäume Heaps und Heapsort Vielwegbäume Rückführung auf Binärbäume Definition von (a,b)-bäumen und B-Bäumen Operationen auf B-Bäumen Graphen Definitionen und einführende Beispiele Speicherung von Graphen Suchen, Einfügen und Löschen von Knoten und Kanten Durchsuchen von Graphen Halbordnung und topologisches Sortieren Minimal spannende Bäume Union-Find Algorithmen Literatur...595

15 xvi Inhaltsverzeichnis 14 Höhere Programmiersprachen und C Zur Struktur höherer Programmiersprachen Überblick über höhere Programmiersprachen Ebenen des Informationsbegriffs in Programmiersprachen Systeme und Strukturen Methoden der Syntaxbeschreibung Die Backus-Naur Form Syntaxgraphen Eine einfache Sprache als Beispiel: C Einführung in die Programmiersprache C Der Aufbau von C-Programmen Einfache Datentypen Strukturierte Standard-Datentypen Operatoren und Ausdrücke Anweisungen Funktionen Ein- und Ausgabefunktionen Verarbeitung von Zeichenketten Das Zeigerkonzept in C Sequentielle Datenstrukturen mit C Vorbemerkungen zu Algorithmen und Datenstrukturen Lineare Listen Stapel und Schlangen Literatur Objektorientierte Programmiersprachen und Java Entstehung objektorientierter Sprachen Einführung in die Programmiersprache Java Grundlegender Aufbau eines Java-Programms Syntax ähnlich wie in C Datentypen und Variablen: Statische Typisierung Klassen und Objekte Attribute und Methoden Statische Attribute und Methoden Pakete (Packages) Kapselung und Geheimnisprinzip Vererbung und Polymorphie Fortgeschrittene Java-Themen Generische Klassen, Behälter und Algorithmen Ausnahmen und Fehlerbehandlung Annotationen und Reflection Testgetriebene Entwicklung mit Java Threads, Streams und parallele Verarbeitung Lambda-Ausdrücke und funktionale Programmierung Das Java-Ökosystem Literatur...704

16 Inhaltsverzeichnis xvii 16 Anwendungsprogrammierung im Internet Client-Server-Systeme Grundlegende Technologien HTML DOM: Domain Object Model CSS: Cascading Style Sheets Webanwendungen HTML Formulare Auswertung von Formularen JavaScript Grundlegende Eigenschaften Funktionen Objekte und Prototypen JSON: JavaScript Object Notation JavaScript und DOM Ereignisgesteuerte Programmierung mit JavaScript AJAX: Asynchronous JavaScript And XML Serverseitige Skripte mit PHP Grundlegende Eigenschaften Arrays Funktionen Objektorientierte Programmierung in PHP Datenübergabe von HTML-Formularen an PHP-Skripte Sitzungsdaten: Session und Cookie Datei- und Datenbankzugriff mit PHP Literatur Software-Engineering Überblick Was ist Software? Was bedeutet Engineering? Warum ist Software-Engineering schwierig? Tätigkeiten im Software-Lebenszyklus Anforderungsanalyse und Spezifikation Architekturentwurf Implementierung Test und Integration Inbetriebnahme Wartung und Weiterentwicklung Querschnittsdisziplinen Projektmanagement Qualitätsmanagement Konfigurationsmanagement Vorgehensmodelle Basismodelle V-Modell XT als plangetriebenes Vorgehensmodell...761

17 xviii Inhaltsverzeichnis Scrum als agiles Vorgehensmodell (-Framework) Modelle im Software-Engineering Vom Problem zur Lösung Die Unified Modeling Language Ausgewählte Diagramme der UML im Detail Hilfsmittel für den Entwurf von Algorithmen Pseudocode Flussdiagramme Struktogramme nach Nassi-Shneiderman Entscheidungstabellen Literatur Index 785 Die Autoren 809