System Modell Programm

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1 Wolfgang P. Kowalk System Modell Programm Vom GOTO zur objektorientierten Programmierung Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin Oxford

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 3 Inhaltsverzeichnis 5 1 Einleitung Wissenschaft und ihre Sprache Aufgaben der Informatik Das Strukturierungsproblem der Informatik Die Programmiersprache FirstStep Zum Aufbau dieses Buches 25 Teil I Konzepte zur Modellierung 2 Modell und Information System und Modell Grundbegriffe zur Modellierung Die Güte eines Modells Grenzen der Modellierbarkeit Informatik und Mathematik Information Informationstheorie Darstellung von Information Informatik und Information Speicherung von Information Yerarbeitung von Information Übertragung von Information Gebiete der Informatik 55

3 Inhaltsverzeichnis 2.7 Zusammenfassung 56 3 Algorithmen und Maschinen Algorithmus und Berechenbarkeit Algorithmen Berechenbarkeit Mathematische Berechnungsmodelle Der endliche deterministische Automat Die Turingmaschine Operationale Maschinenmodelle und Compiler Ein operationales Maschinenmodell Funktionalität eines Compilers Konkrete Rechnerarchitekturen Die Von-Neumann-Architektur Der Von-Neumann-Flaschenhals Entwicklungstendenzen in modernen Rechensystemen Zusammenfassung 87 Teil II Programmiersprachenkonzepte 4 Werte und Ausdrücke Strukturierungskonzepte in Programmiersprachen Beschreibung der Syntax von Ausdrücken Darstellung und Bedeutung von Werten Darstellung und Bedeutung von Zahlenwerten Zuweisung von Zahlenwerten Konstante und Aufzählungen Logische Werte Zeichen und Texte Zeiger Felder Datensätze Mengen und Bitfelder Listen Strukturierung durch Ausdrücke Darstellung und Bedeutung von Ausdrücken und Wertzuweisungen Darstellung und Bedeutung arithmetischer Ausdrücke Ausdrücke für Wahrheitswerte und Mengen Ausdrücke für Zeichen und Texte Bedingte Ausdrücke Ausdrücke für die indizierte Berechnung Zusammenfassung 142

4 Inhaltsverzeichnis 7 5 Anweisungen und Anweisungsfolgen Im Anfang war das Goto Wertzuweisungen und Anweisungsblöcke Wertzuweisungen Anweisungsblöcke Bedingte und alternative Abläufe Unbedingte Sprunganweisungen Bedingte Anweisungen, die keinen Wert ergeben Bedingte Anweisungen, die einen Wert ergeben Wiederholte Abläufe Mehrfache Operationen Ausnahmebehandlung Zusammenfassung Datentypen und Einheiten Allgemeines zu Datentypen Die Entwicklung der Datentypen Anforderungen an einen Datentyp Darstellungsebenen von Werten und Deklaration von Objekten Datentypumwandlung Typüberprüfung Überladung Polymorphie Typstrukturen von Programmiersprachen Einfache Typen Zeigertypen Komplexe Operationen auf zusammengesetzten Datentypen Abstrakte Datentypen Definition des abstrakten Datentyps Abstrakte Datentypen in Programmiersprachen Maßeinheiten Der Begriff der Maßeinheit Weitere Anwendungen von Maßeinheiten Zusammenfassung Prozeduren und Funktionen Anwendungen von Prozeduren Blöcke und Gültigkeitsbereiche Die Bindung von Namen an Objekte Blöcke und Umgebungen 213

5 Inhaltsverzeichnis Definition von Prozeduren in Blöcken Variable Umgebungen von Blöcken Lebensdauer und Sichtbarkeit von Namen Dynamische Objekte und Garbage Definition von Prozeduren und Parametern Allgemeines zur Definition von Prozeduren Die Parameterliste Ergebnisübergabe Typen von Parametern Aufruf von Prozeduren und Funktionen Umgebung einer Prozedur Die statische Speicherverwaltung Die stackbasierte Speicherverwaltung Die allgemeine Speicherverwaltung Vergleich von statischer und dynamischer Programmumgebung Rekursion Ein- und Ausgabe Zusammenfassung Module und Klassen Module Kontrollierte Objekte Schnittstelle und Implementierung Abstrakte Datentypen in Modulen Weitere Kritikpunkte am Modulkonzept Klassen Anforderungen an Strukturierungsmechanismen Klassifizierung von Objekten Vererbung Mehrfachvererbung Virtuelle Spezifikationen Zusammenhang mit anderen Konzepten Terminologie Separate Compilierung Generische Programmeinheiten Zusammenfassung Parallele Programmierung Prozesse Interferenz paralleler Prozesse Zuteilung von Prozessen 304

6 Inhaltsverzeichnis Parallele Prozesse zur Strukturierung von Programmen Effizienzsteigerung durch parallele Prozesse Zeitgetreue Simulation paralleler Prozesse Parallelität in Programmiersprachen Prozesse mit feiner Granularität Prozesse mit mittlerer Granularität Kommunikation zwischen parallelen Prozessen Prozesse mit grober Granularität Synchronisation von Prozessen Semaphore Monitore Zusammenfassung und Literatur 326 Teil III Konzepte der Programmierung 10 Programmierparadigmen Funktionales Programmieren Allgemeines zum funktionalen Programmieren Die funktionale Programmiersprache Scheme Typisierte funktionale Sprachen wie ML Logisches Programmieren Fakten und Regeln in Prolog Horn-Klauseln und Unifikation Ableitungsreihenfolge Probleme der logischen Programmierung Regelbasiertes Programmieren Imperatives regelbasiertes Programmieren Deklaratives regelbasiertes Programmieren Zusammenfassung und Literatur Semantik und Korrektheit Über den Begriff der Korrektheit Spezifikation von Modellen Semantik von Programmen Bereichssemantik Axiomatische Semantik Operationale Semantik Übersetzersemantik Denotationale Semantik Funktionale Semantik 391

7 Inhaltsverzeichnis Korrektheit von Programmen Ein Verifikationsschema Voraussetzungen für die Verifizierbarkeit eines Programms Zusammenfassung und Literatur Testen Fehlverhalten von Programmen Falsche Programmeingabe Mißverstandene Semantik der Programmiersprache Bereichsüberschreitungen Unterschiedliche Implementierung und Optimierung Mathematische Grenzwertaussagen Anmerkungen Zur Problematik des Testens Definition und Begriffe Operationales Testen Systemtechnische Programmunterstützung Vollständiges Testen Manueller Vergleich Rechnergestützter Vergleich Werkzeuge und Konzepte zur Testunterstützung Partielles Testen Psychologie des Testens Regeln des Testens Bestimmung geeigneter Testdaten Kontrollflußorientierte Tests Datenflußorientierte Tests...' Funktionale Tests Diversifizierende Tests Zufallstests Spezialwerttests Bereichstests und Grenzwertanalysen Vollständigkeitsäquivalentes Testen Zusammenfassung und Literatur Softwaretechnik Das Phasenmodell Die Softwarekrise Der Softwarelebenszyklus Die Problemanalyse Der Entwurf Die Implementierung Die Integration Die Installation 441

8 Inhaltsverzeichnis Wartung und Pflege Kritik am Phasenmodells Werkzeuge zur Softwareerstellung Dedizierte Werkzeuge der Softwaretechnik Case und Werkzeuge für Case Methoden zur Systemanalyse Strukturierte Analyse Objektorientierte Analyse Zusammenfassung und Literatur 453 Teil IV Beispiele zur Programmierung 14 Algorithmen für numerische Probleme Komplexität Allgemeine Definition der Komplexität NP-vollständige Probleme Algorithmen für ganzzahlige Probleme Bestimmung der ersten N Primzahl Der größte gemeinsame Teiler Ganzzahlige Nullstelle Umrechnung der Basen von Zahlendarstellungen Algorithmen für nichtganzzahlige Probleme Nullstellen eines Polynoms Extremwerte von Funktionen Werte für analytische Funktion Zufallszahlen Transformationen Spline-Interpolation Lineare Gleichungssysteme Lineare Optimierung Normalform der Aufgabenstellung Mathematische Lösung des Optimierungsproblems Effiziente Lösung des Optimierungsproblems Dynamische Regelung Zusammenfassung Sortieralgorithmen Grundlagen des Sortierens Grandbegriffe des Sortierens Einteilung der Sortierverfahren Langsamste und schnellste Sortierverfahren Direkte Algorithmen zum Sortieren Sortieren durch Auswählen 505

9 12 Inhaltsverzeichnis Sortieren durch Einfügen Sortieren durch Vertauschen Schnelle Algorithmen zum Sortieren von Feldern Heapsort Quicksort Distribution Sort Algorithmen zum Mischen von Datenfolgen Topologisches Sortieren Zusammenfassung und Literatur Suchalgorithmen Algorithmen zum Suchen in Feldern Lineares Suchen Binäres Suchen Fibonacci-Suchen Suchen im Anfangsbereich eines Feldes Interpolationssuche Suchen von Teilfeldern Suchen auf Feldern durch Hashen Hashfunktion Hashverfahren mit externer Kollisionsbehandlung Hashverfahren mit interner Kollisionsbehandlung Dynamisches Hashen Bearbeitung von Texten Speicherrepräsentation von Texten Vergleich von Texten Verketten von Texten Suchen in Texten Direktes Suchen in Texten Suchen in Texten nach Knuth-Morris-Pratt Suchen in Texten nach Boyer-Moore Zusammenfassung und Literatur Algorithmen für dynamische Datenstrukturen Basisalgorithmen auf verketteten Datensätzen Basisalgorithmen auf linearen Listen Basisalgorithmen auf Bäumen Balancierte Binärbäume und AVL-Bäume Definition der AVL-Bäume Einfügen von Knoten in AVL-Bäume Löschen in AVL-Bäumen Organisation großer Datenmengen mit B-Bäumen Speicherhierarchien und Plattenspeicher 574

10 Inhaltsverzeichnis Struktur von B-Bäumen Suchen in B-Bäumen Das Einfügen in B-Bäume Löschen in B-Bäumen Eigenschaften von B-Bäumen Konstruktion optimaler Suchbäume Zusammenfassung und Literatur Objektorientierte Analyse und objektorientierter Entwurf Spezialisierung von Objekten Logische Beziehungen zwischen Objekten Teilebeziehungen zwischen Objekten Kommunikation zwischen Objekten Struktur der Objekte Objektorientierte Analyse Objektorientierter Entwurf Objektorientierte Analyse einer Gehaltsabrechnung Generelle Aufgabenstellung und Angaben Spezifikation von Objekten Objektorientierte Analyse eines Simulationssystems Generelle Aufgabenstellung und Angaben Klassen und Objekte Gen/Spec-Strukturen Ganze/Teile-Strukturen Die Subjektsicht des Simulationssystems Zusammenfassung und Literatur 618 Anhänge Anhang A Formale Logik 619 A.l Aussagenlogik 619 A.2 Quantorenlogik 621 A.3 Modale und temporale Logiken 622 A.4 Das Induktionsprinzip 625 Anhang В Literatur 627 AnhangC FirstStep Eine Ausbildungssprache 631 C.l Die Struktur von FirstStep 632

11 14 Inhaltsverzeichnis С.2 Link-Definitionen 633 C.3 Schreibweise 633 С.3.1 Syntaktische Notation 633 C.3.2 Bezeichner 634 C.3.3 Kommentare 634 C.4 Blöcke 634 C.5 Definitionen 635 C.6 Deklarationen 637 C.6.1 Allgemeines 637 C.6.2 Einfache Typen 637 C.6.3 Strukturierte Typen 638 C.6.4 Erweiterter Zugriff auf Objekte: disclose 641 С.7 Anweisungen 642 С.7.1 Zuweisungen und Dereferenzierung 643 C.7.2 Ausdrücke 644 C.7.3 Bedingte Anweisungen 645 C.7.4 Wiederholte Anweisungen 646 C.8 Funktionen und Prozeduren 648 C.8.1 Definition von Funktionen und Prozeduren 648 C.8.2 Funktions- und Prozedurvariable 650 C.9 Klassen 652 C.9.1 Allgemeine Konzepte in Klassen 652 C.9.2 Verwendung von Klassen 656 CIO Ein- und Ausgabe, Dateien und Verbindungen 659 СП Syntax 662 Anhang D Namen- und Sachregister 669