Die Auswahl ist sehr umfangreich und verschafft einen guten Überblick. Alle wesentlichen Teilgebiete der Informatik werden vorgestellt.

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1 Aus Besprechungen zur 2. Auflage: "Die Auswahl ist sehr umfangreich und verschafft einen guten Überblick. Alle wesentlichen Teilgebiete der Informatik werden vorgestellt." Prof. Dr. Friedrich Wahl, Institut für Robotik Braunschweig "Eine Mischung von Theorie und Praxisanwendungen, die es so noch nicht gab." Prof. Karl Lesshafft, FH Nordostniedersachsen "Die didaktische Darstellung des Stoffes ist für mich sehr gelungen. Selbst komplexe Themengebiete sind geschickt in viele, einfach zu verstehende Bereiche aufgeteilt worden. Fast immer finden sich hilfreiche Grafiken, die den Inhalt erläutern. An vielen Stellen gibt es außerdem begleitende Programmierbeispiele in C." Prof. Dr. j. Willms, FH Südwestfalen:

2 OhneCzuC++ von Peter P. Bothner und Michael Kähler Grundkurs JAVA von Dietmar Abts Vlsual Basic Essentials von Ekkehard Kaier Deiphi Essentials von Ekkehard Kaier Aufbaukurs WIrtschaftsinformatik von Dietmar Abts und Wilhelm Mülder Kompaktkurs Mlkrocontroner von Silvia Limbach Von Pascal zu Assembler von Peter Kammerer Das PC Wissen für IT-Berufe: Hardware, Betriebssysteme, Netzwerktechnik von Rainer Egewardt Datenbank-Engineering von Alfred Moos und Gerhard Daues Excel für Betriebswirte von Robert Horvat und Kambiz Koochaki Excel für Techniker und Ingenieure von Hans Jürgen Holland und Uwe Bernhardt Praktische Systemprogrammierung von Helmut Weber Onllne-Publlshlng für Studenten und Wissenschaftler von Michael Beißwenger Visual Basic für technische Anwendungen von Jürgen Radel Effektiv Programmieren In C und C++ von Dietmar Herrmann SQL mit Oracle von Wolf-Michael Kähler Module, Klassen, Verträge von Karlheinz Hug Grundkurs Betriebswirtschaftslehre von Notger Carl, Rudolf Fiedler, William J6rasz und Manfred Kiesel Relationales und objektrelationales SQL von Wolf-Michael Kähler Lern- und Arbeitsbuch SAP R/3 von Andre Maassen und Markus Schoenen Kostenstenenrechnun, mit SAP R/3 von Franz Klenger und Ellen Falk-Kalms Management von Geschiftsprozessen von Andreas Gadatsch Grundkurs Alprlthmen und DatenstrukturenlnjAVA von Andreas Solymosi und Ulrich Grude Grundkurs WIrtschaftsinformatik von Dietmar Abts und Wilhelm Mülder Prozessmodelllerun, mit ARIS von Heinrich Seidimeier Objektorientierte Procrammlerun,ln JAVA von Otto Rauh AnwendunporIentierte WIrtschaftsinformatik von Paul Alpar, Heinz Lothar Grob, Peter Weimann und Robert Winter. RechnerarchItektur von Paul Herrmann Controllln, mit SAP R/3 von Gunther Friedl, Christian Hilz und Burkhard Pedell Grundkurs Relationale Datenbanken von Rene Steiner Grundkurs UNIX/Unux von Wilhelm Schaffrath Grundkurs MySQL und PHP von Martin Pollakowski Pascal von Doug Cooper und Michael Clancy Aufbaukurs JAVA von Dietmar Abts Grundkurs Informatik von Hartmut Ernst

3 Hartmut Ernst Grundkurs Informatik Grundlagen und Konzepte für die erfolgreiche IT-Praxis - Eine umfassende, praxisorientierte Einführung 3., überarbeitete und verbesserte Auflage

4 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < jdnb.ddb.de> abrufbar. Das in diesem Werk enthaltene Programm-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Der Autor übernimmt infolgedessen keine Verantwortung und wird keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm Materials oder Teilen davon entsteht. 1. Auflage Auflage 2000 Diese Auflagen erschienen unter dem Titel "Grundlagen und Konzepte der Informatik" 3., überarbeitete und verbesserte Auflage März 2003 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweigjWiesbaden, 2003 Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 Inhaltsverzeichnis v Kurze Inhaltsübersicht Verzeichnis der Programme Vorwort XIV XVI 1 Einführung 1.1 Was ist eigentlich Informatik? Zur Geschichte der Informatik Prinzipieller Aufbau von digitalen Rechenanlagen Zahlensysteme und binäre Arithmetik 16 2 Nachricht und Information Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information Biologische Aspekte Diskretisierung von Nachrichten Wahrscheinlichkeit und Kombinatorik Information und Wahrscheinlichkeit 54 3 Codierung Grundbegriffe Code-Erzeugung Code-Sicherung Datenkompression Verschlüsselung Schaltalgebra und digitale Grundschaltungen Aussagenlogik Boole'sche Algebra Schaltnetze Schaltwerke und digitale Grundschaltungen Analog- und Hybridrechner Rechnerarchitekturen und Betriebssysteme Grundprinzipien und Klassifikationen Die Von-Neumann-Architektur Betriebssysteme Parallel-Strukturen Maschinenorientierte Programmiersprachen Die interne Organisation eines Mikroprozessors Befehlsformate und Befehlsausführung Adressierungsarten Der Befehlssatz des M Höhere Programmiersprachen Zur Struktur höherer Programmiersprachen Methoden der Syntaxbeschreibung Die Programmiersprache C Die objektorientierte Erweiterung von C: C++ 293

6 VI Inhaltsverzeichnis 8 Methodik der Software-Entwicklung und DV-Organisation Überblick über Software-Engineering Methoden Hilfsmittel für den Entwurf von Algorithmen Datenverarbeitungs-Organisation Aufgaben und Aufbau von Rechenzentren Datenschutz und Datensicherheit Automatentheorie und formale Sprachen Grundbegriffe der Automatentheorie Turing-Maschinen Einführung in die Theorie der formalen Sprachen Compiler Algorithmen Berechenbarkeit Komplexität Optimierung von Algorithmen Genetische Algorithmen Probabilistische Algorithmen Rekursion Elementare und sequentielle Datenstrukturen Skalare Datenstrukturen Strukturierte Standard-Datentypen Sequentielle Datenstrukturen Suchen und Sortieren Einfache Suchverfahren Gestreute Speicherung (Hashing) Direkte Sortierverfahren Höhere Sortierverfahren Sortieren externer Files Bäume und Graphen Binärbäume Vielwegbäume Graphen Kommunikations- und Informationstechnik Informationsübertragung und Datenkommunikation Datenbanken Multimedia-Anwendungen Internet-Technologie Das Internet Programmierung von Web-Seiten Script-Sprachen Die Programmiersprache Java 780 Literaturverzeichnis 822 Sachwortverzeichnis 835

7 Inhaltsverzeichnis VII Ausführliches Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Programme Vorwort 1B~~~ Was ist eigentlich Informatik? Zur Geschichte der Informatik Frühe Zähl- und Rechensysteme Die Entwicklung von Rechenmaschinen Die Computer-Generationen Prinzipieller Aufbau von digitalen Rechenanlagen Das EVA-Prinzip Zentraleinheit und Busstruktur System-Komponenten Zahlensysteme und binäre Arithmetik Darstellung von Zahlen Umwandlung von Zahlen in verschiedene Darstellungssysteme Binäre Arithmetik 22 2 Nachricht und Information Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information Biologische Aspekte Sinnesorgane Datenverarbeitung im Gehirn Der genetische Code Diskretisierung von Nachrichten Rasterung Quantelung 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 59 3 Codierung Grundbegriffe Definition des Begriffs Codierung Mittlere Wortlänge und Code-Redundanz Beispiele für Codes Code-Erzeugung Code-Bäume Der Huffman-Algorithmus 69 XIV XVI

8 VIII Inhaltsverzeichnis Der Fano-Algorithmus 3.3 Code-Sicherung Stellendistanz und Hamming-Distanz m-aus-n-codes Codes mit Paritäts-Bits Fehlertolerante Codes Definition linearer Codes Lineare Hamming-Codes Zyklische Codes und Code-Polynome 3.4 Datenkompression Vorbemerkungen und statistische Datenkompression Lauflängen-Codierung Differenz-Codierung Arithmetische Codierung Der LZW-Algorithmus Datenreduktion durch unitäre Transformationen (JPEG) 3.5 Verschlüsselung Vorbemerkungen Substitutions-Chiffren Transpositions-Chiffren und Enigma Der Data Encryption Standard (DES) Public-Key Verschlüsselung Digitale Unterschrift 4 Schaltalgebra und digitale Grundschaltungen 4.1 Aussagenlogik Der Wahrheitswert von Aussagen Verknüpfungen von Aussagen Die Axiome der Aussagenlogik 4.2 Boole'sche Algebra Der Boole'sche Verband Schaltfunktionen Das Boole'sche Normalform-Theorem Vereinfachen Boole'scher Ausdrücke 4.3 Schaltnetze Logische Gatter Beispiele tür Schaltnetze 4.4 Schaltwerke und digitale Grundschaltungen Verzögerung und Rückkopplung Addierwerke Flip-Flops 4.5 Analog- und Hybridrechner Grundkonzepte und Anwendungsgebiete Komponenten von Analogrechnern 5 Rechnerarchitekturen und Betriebssysteme 5.1 Grundprinzipien und Klassifikationen Rechnertypen Ordnungsschemata Die Klassifikation nach Flynn 5.2 Die Von-Neumann-Architektur

9 Inhaltsverzeichnis IX Hardware-Struktur Operationsprinzip 5.3 Betriebssysteme Grundfunktionen von Betriebssystemen Klassifizierung von Betriebssystemen MS-DOS als Beispiel für ein einfaches Betriebssystem Das Multitasking-Konzept MS-Windows UNIX 5.4 Parallel-Strukturen Motivation Verbindungsstrukturen Multitasking und Parallelverarbeitung Vektorrechner und Pipelines Feldrechner Betriebssysteme für Parallel-Rechner 6 Maschinenorientierte Programmiersprachen 6.1 Die interne Organisation eines Mikroprozessors Maschinensprache und Assemblersprache Der Aufbau einer CPU am Beispiel des M Der Stapelspeicher Das Status-Register User-Mode und Supervisor-Mode Funktions-Code Asynchrone Bussteuerung Synchrone Bussteuerung Unterbrechungen (Interrupts) Direct Memory Access (DMA) Starten, Halten und Busfehler 6.2 Befehlsformate und Befehlsausführung Befehlsformate Befehlsausführung 6.3 Adressierungsarten Prinzipielle Adressierungsmäglichkeiten Die Adressierungsarten des M Der Befehlssatz des M Datenübertragungsbefehle Arithmetische Operationen Schiebe- und Rotierbefehle Bit-Manipulationsbefehle BCD-Arithmetik Logische Befehle Steuerbefehle Programmbeispiele 7 Höhere Programmiersprachen 7.1 Zur Struktur höherer Programmiersprachen Überblick über einige höhere Programmiersprachen Die Ebenen des I nformationsbegriffs in der Sprache Systeme und Strukturen

10 X Inhaltsverzeichnis 7.2 Methoden der Syntaxbeschreibung Die Backus-Naur-Form Syntax-Graphen Eine einfache Sprache als Beispiel: C Die Programmiersprache C Einführung Überblick über den Aufbau eines C-Programms Datentypen Operatoren und Ausdrücke Anweisungen Funktionen Speicherklassen und Module Ein/Ausgabe-Funktionen Verarbeitung von Zeichenketten Das Zeigerkonzept in C Die objektorientierte Erweiterung von C: C Das Konzept der objektorientierten Programmierung Einfache Spracherweiterungen Klassen und Objekte Vererbung Polymorphismus und Überladen Methodik der Software-Entwicklung und DV-Organisation Überblick über Software-Engineering Methoden Software-Klassifikation Phasen der Software-Entwicklung Software-Testmethoden Vorgehensmodelle bei der Software-Entwicklung Die ModelIierung von IT-Systemen mit UML Hilfsmittel für den Entwurf von Algorithmen Pseudo-Code Ablauf- oder Flussdiagramme Struktogramme nach Nassi-Shneiderman Entscheidungstabellen Datenverarbeitungs-Organisation Definition des Begriffs Organisation Organisation und Systemtheorie Die Einbindung der DV in die betriebliche Organisation Organisation von DV-Projekten in Projektgruppen Der Ablauf von DV-Projekten Planung und Kontrolle der Organisationsarbeit Aufgaben und Aufbau von Rechenzentren Geschichtliche Entwicklung von Rechenzentren Aufgaben und Arten von Rechenzentren Verteilung der Aufgaben in Rechenzentren Planung und Einrichtung von Rechenzentren Datenschutz und Datensicherheit Datenschutz Datensicherheit 375

11 Inhaltsverzeichnis XI 9 Automatentheorie und formale Sprachen Grundbegriffe der Automatentheorie Definition von Automaten Darstellung von Automaten Der akzeptierte Sprachschatz eines Automaten Beispiele für Automaten Halbgruppen Die freie Halbgruppe Die induzierte Halbgruppe Kellerautomaten Turing-Maschinen Definition von Turing-Maschinen Beispiele für Turing-Maschinen Realisierung einer Turing-Maschine als C-Programm Einführung in die Theorie der formalen Sprachen Definition von formalen Sprachen Die Chomsky-Hierarchie Das Pumping-Theorem Die Analyse von Wörtern Compiler Einführung Beispiel: Simulation eines Taschenrechners Algorithmen Berechenbarkeit Algorithmen und ihre prinzipielle Ausführung Entscheidungsproblem und Church-Turing-These Das Halteproblem Primitiv rekursive Funktionen !-I-rekursive Funktionen und die Ackermann-Funktion Die bb-funktion Komplexität Einführung Polynomiale und exponentielle Algorithmen NP-Vollständigkeit Optimierung von Algorithmen Vereinfachen komplexer Operationen Teile und Herrsche Näherungsweise Problemlösung durch Greedy-Strategien Genetische Algorithmen Evolutionsstrategien Beispiel für einen genetischen Algorithmus Probabilistische Algorithmen Zufallszahlen Monte-Carlo-Methoden Probabilistischer Primzahltest Der heuristische Ansatz Rekursion Definition und einführende Beispiele Rekursive Programmierung und Iteration Backtracking 480

12 XII Inhaltsverzeichnis 11 Elementare und sequentielle Datenstrukturen Skalare Datenstrukturen Skalare Datentypen Strenge Typisierung Strukturierte Standard-Datentypen Klassifizierung Felder Verbunde (Records, Strukturen) Sequentielle Datenstrukturen Sequenzen und Files Strings und Texte Mustererkennung in Strings Verkettete lineare Listen Stapel und Schlangen Sequentielle Speicherorganisation Suchen und Sortieren Einfache Suchverfahren Sequentielle Suche Binäre Suche Interpolations-Suche Radix-Suche Gestreute Speicherung (Hashing) Hash-Funktionen Kollisionsbehandlung Komplexitätsberechnung Direkte Sortierverfahren Vorbemerkungen Sortieren durch direktes Einfügen Sortieren durch direktes Auswählen Sortieren durch direktes Austauschen (Bubble-Sort) Höhere Sortierverfahren Shell-Sort Quick-Sort Eine generische Sortierfunktion Vergleich der Sortierverfahren Sortieren externer Files Direktes Mischen Natürliches Mischen n-weg-mischen Bäume und Graphen Binärbäume Definitionen Operationen auf Binärbäumen Ausgleichen von Bäumen und AVL-Bäume Heaps Heap-Sort Vielwegbäume Rückführung auf Binärbäume Definition von (a,b)-bäumen und B-Bäumen 617

13 Inhaltsverzeichnis XIII Operationen auf B-Bäumen 13.3 Graphen Definitionen und einführende Beispiele Adjazenzmatrix und Erreichbarkeitsmatrix Verkettete Speicherung von Graphen Suchen, Einfügen und Löschen Durchsuchen von Graphen Halbordnung und topologisches Sortieren Minimal spannende Bäume Union-Find-Algorithmen 14 Kommunikations- und Informationstechnik 14.1 Informationsübertragung und Datenkommunikation Einführung Technische Grundlagen der Datenübertragung Strukturen und Operationsprinzipien von Netzen Das OS I-Schichtenmodell der Datenkommunikation Beispiele für Schnittstellen und Netze Lokale Rechnernetze 14.2 Datenbanken Einführung und Definitionen Relationale Datenbanksysteme Die Datenbanksprache SOL Objektorientierte Datenbanksysteme Data Mining 14.3 Multimedia-Anwendungen Einführung und Definitionen Licht und Farbe Die Bearbeitung digitaler Bilder Die Einbindung von Komponenten in ein Dokument 15 Internet-Technologie 15.1 Das Internet Überblick über das Internet Internet-Dienste 15.2 Programmierung von Web-Seiten Die Seitenbeschreibungssprache HTML Die Beschreibung von Dokumenten mit XML 15.3 Script-Sprachen Definition und Einsatzbereiche von Script-Sprachen Client-seitiges Scripting mit JavaScript Server-seitiges Scripting mit PHP 15.4 Die Programmiersprache Java Grundlagen Klassen Ein/Ausgabe-Funktionen Applets Threads ClientlServer-Anwendungen Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis

14 XIV Verzeichnis der Programme Verzeichnis der Programme ASSEMBLER-Programme Kopieren eines Datenblocks Berechnung einer Prüfziffer Arithmetisches Mittel von 16-Bit-Zahlen Berechnung der ganzzahligen Wurzel aus einer 16-Bit-Zahl C-Programme Arithmetische Kompression von Wörtern mit maximal 15 Stellen 98 Monte-Carlo-Berechnung von Pi für Einprozessor-System 191 Monte-Carlo-Berechnung von Pi für Parallel prozessor-system 191 Berechnung der Fakultät 274 Berechnung des Mittelwertes eines Datensatzes 279 Zählen von Zeichen einer Datei 280 Sonderzeichen in einer Datei markieren 282 Zeichenkette in einer Datei suchen und Häufigkeit des Auftretens bestimmen 283 Beispiel zur Verwendung von Zeigern 285 Konversion von Monatsnamen unter Verwendung von Feldern 288 Konversion von Monatsnamen unter Verwendung von Zeigern auf Felder 289 Beispiel zur Verwendung von Zeigern auf Funktionen 292 Beispiel zur objektorientierten Verarbeitung von Vektoren 301 Beispiel zum Überladen von Funktionen 306 Beispiel zum Überladen von Operatoren 308 Binäres Suchen in einer Kundendatei 340 Simulation einer Turing-Maschine 403 Simulation eines Taschenrechners 422 Ermittlung von Primzahlen mit dem Sieb des Eratosthenes 441 Greedy-Algorithmus für das Problem des Handlungsreisenden 452 Beispiel für einen genetischen Algorithmus 456 Pseudo-Zufallszahlen-Generator mit dem LCM-Algorithmus 463 Primfaktorzerlegung 467 Probabilistischer Primzahltest 471 ~~~~~~~~ ~ Die Türme von Hanoi (rekursive Version) 478 Beispiel für einen Backtracking-Algorithmus: das Springer-Problem 481 Gauß'scher Eliminationsalgorithmus mit Pivot-Suche 489 Gauß'scher Eliminationsalgorithmus, Variante mit dynamischen Zeiger-Feldern 492 Bestimmung der Länge eines Strings 504 Konkatenation zweier Strings 504 Zeilen-Editor 505 Sequentielle Suche einer Zeichenkette in einer Datei 509 Mustersuche mit Hilfe eines Automaten 511 Berechnung der Levenshtein-Distanz (Abstand zwischen Strings) 514 Löschen eines Elements aus einer linearen Liste 522

15 Verzeichnis der Programme XV Dateiverwaltung mit Hilfe linearer Listen 523 Verwaltung eines Ringpuffers 530 Sequentielle Suche 537 Binäre Suche 539 Sortieren durch direktes Einfügen 556 Sortieren durch binäres Einfügen 557 Sortieren durch direktes Auswählen 559 Sortieren durch direktes Austauschen (Bubble-Sort) 561 Shaker-Sort 562 Shell-Sort 565 Quick-Sort, rekursive Variante 566 Quick-Sort, iterative Variante 567 Bestimmung des k-größten Elements 570 Sortieren durch Einfügen, generische Version 571 Datumsvergleich 571 Sortieren eines Arrays mit Merge-Sort 577 Sortieren durch natürliches Mischen (Natural Merge) 581 Rekursives Durchsuchen von Bäumen 592 Aufbau eines Binärbaums und Ausgabe in Hauptreihenfolge 594 Sortieren eines Arrays durch Heap-Sort 612 Sortieren eines Arrays durch Reverse Heap-Sort 614 Suchen kürzester Wege in Graphen mit dem Algorithmus von Tremaux 640 Verwaltung von Graphen mit Adjazenzmatrix und Erreichbarkeitsmatrix 645 HTML, XML, JavaScript und PHP Das Beispiel,,virtuelle Hochschule" (HTML) Formular (HTML) Beschreibung eines Vereins (XML und XSL T) Taschenrechner und Laufschrift (JavaScript) Beispiele für Funktionen (PHP) Datenübergabe per HTML-Formular (PHP) Das Logo der FH-Rosenheim (Grafik mit PHP) Passwortschutz von Webseiten mit Cookies (PHP) Ein Zugriffszähler für Webseiten (PHP) Java-Programme Applikation "Morgen" mit Eingabe über die Kommandozeile Applikation "Morgen" mit interaktiver Eingabe über die Tastatur Klasse "Keyboard" zum Lesen gepufferter Tastatureingaben Applikation zur Berechnung von Mittelwert und Varianz Applikation zum Kopieren einer Datei Applet zur Visualisierung des binären Suchens Applet "Click" zur Demonstration von Threds Applet "Poker" mit zwei unabhängigen Threads Applikation zur Darstellung von Applets (Viewer) Applet für eine ClienUServer-Kommunikation

16 XVI Vorwort 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 ein Lehrbuch über Wirtschaftsinformatik zur Hand nimmt (das Literaturverzeichnis nennt einige), wird ganz erhebliche Unterschiede in Auswahl und Darstellung des Stoffes 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, die über den in einem Informatik-Grundstudium gebotenen Stoff hinausgehen. Ferner sollte der Zugang zu weiterführenden Büchern und Original-Literatur erleichtert werden. Dementsprechend handelt es sich hier nicht um ein weiteres Programmier-Lehrbuch, sondern um eine breit angelegte Einführung. 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. Daher wird auf Produkte und kommerzielle Software-Pakete kaum eingegangen, so wichtig und aktuell diese aus Anwendersicht auch sein mögen. Dennoch versteht sich dieses Lehrbuch durchaus als praxisnah und anwendungsbezogen, wenn auch nicht in einem an Produkten orientierten Sinne der angewandten Informatik; vielmehr wurde der Autor 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 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 Produkten und Anwendungen der Informatik. Und das ist es auch, was der praxisorientierte Informatik-Anwender von dem breiten Spektrum, das unter dem Sammelbegriff "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.

17 Vorwort XVII Doch so rasch 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 ihre Früchte, doch sind diese oft leicht verderbliche Ware mit einem kurzfristigen Verfallsdatum. mathematiscblnaturwissenscbaftlimes F\mdament Für ein tiefergehendes Verständnis der Informatik genügt eine hauptsächlich an den Produkten orientierte Sichtweise aber auf keinen Fall. Ohne profundes Hintergrundwissen ist es unmöglich, nachhaltige Entwicklungen von Sackgassen und Modeströmungen zu unterscheiden. Es mag ja sehr verlockend sein, gleich in der obersten Etage der Informatik-Branche 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 I naturwissenschaftlichen Fundament. Dieser Stamm des Informatik-Baumes, die Kerninformatik, ist das Thema des vorliegenden Buches. 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 fünfzehn 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 Kapitel 2 zunächst die grundlegenden Begriffe Redundanz, Code-Erzeugung und Code-Sicherung erläutert. Anschließend wird auf zwei besonders wichtige Aspekte der Codierungstheorie eingegangen, nämlich auf Methoden zur Datenkompression und zur Verschlüsselung. Dazu gehört auch eine

18 XVIII Vorwort detaillierte Erläuterung der wichtigsten einschlägigen Algorithmen. Der Stoff umfasst und vertieft den Inhalt entsprechender Grundvorlesungen. Kapitel 4 gibt einen Überblick über die Grundlagen der Computer-Hardware. Nach einer knappen Einführung in die Aussagenlogik und die Boole'sche Algebra wird auf Schaltnetze und Schaltwerke eingegangen. Am Schluss des Kapitels steht ein kurzer Abschnitt über die Funktionsweise von Ana/ogrechnem. In Kapitel 5 geht es dann um Rechnerarchitekturen und Betriebssysteme. Zunächst werden die üblichen Klassifikationsschemata eingeführt. Es folgt eine Eriäuterung der für die Mehrzahl der Rechner maßgeblichen Von-Neumann-Architektur sowie eine Einführung in die Konzepte der Parallelverarbeitung. Zu dem wichtigen Thema Betriebssysteme wird in Kapitel 5 die Grundlage zum Verständnis weiterführender Literatur gelegt. Kapitel 6 ist einem heute bisweilen vernachlässigten Thema gewidmet: den maschinenorientierten Programmiersprachen und der internen Organisation von Mikroprozessoren. Einerseits ist die Kenntnis der internen Abläufe bei der Ausführung von Maschinenbefehlen wesentlich für ein vertieftes Verständnis von höheren Programmiersprachen und Compilern. Andererseits ist der Befehlssatz des hier als Beispiel gewählten M68000 Mikroprozessors ein guter Einstieg in die praktisch sehr bedeutsame Programmierung von Mikrocontrollern, die millionenfach in eingebetteten Systemen vom Fotoapparat bis zur Waschmaschine zum Einsatz kommen. Kapitel 7 beginnt mit einer Diskussion der prinzipiellen Struktur höherer Programmiersprachen. Sodann werden die wichtigsten Methoden zur Beschreibung der Syntax von Programmiersprachen eingeführt, nämlich die Backus-Naur-Form und Syntaxgraphen. Es schließt sich ein Überblick über die Grundlagen der weit verbreiteten Programmiersprache C an, der aber keinesfalls speziell diesem Thema gewidmete Lehrbücher ersetzen kann. Besonderer Wert wird auf das Zeigerkonzept gelegt, das in Kapitel 11 nochmals vertieft wird. Die Beschreibung der C-Funktions Bibliothek beschränkt sich dagegen auf einige Beispiele. Den letzten Abschnitt bildet eine kurze Einführung in das objektorientierte Paradigma am Beispiel von C++, das in Kapitel 15 im Zusammenhang mit Java nochmals aufgegriffen und vertieft wird. Kapitel 8 gibt einen einfach gehaltenen Überblick über die Methodik der Software Entwicklung (Software-Engineering) einschließlich der Unified Modeling Language (UML). Es handelt sich in weiten Teilen allerdings eher um eine Hinführung zum Thema, da ein detailliertes Eingehen auf Entwurfs-Methoden und -Werkzeuge den Rahmen dieses Buches sprengen würde. Danach wird kurz auf die Grundlagen der Datenverarbeitungs-Organisation eingegangen. Kapitel 8 enthält ferner einen Abschnitt über die Themen Datenschutz und Datensicherheit, wobei der Schwerpunkt auf dem Bundesdatenschutzgesetz liegt. Kapitel 9 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.

19 Vorwort XIX Am Ende des Kapitels wird ohne Vertiefung des Themas kurz auf Compiler eingegangen. Kapitel 10 baut unmittelbar auf Kapitel 9 auf. Zunächst werden die Begriffe Berechenbarkeit und Komplexität erläutert und die Grenzen des mit Computern überhaupt Machbaren aufgezeigt. Es schließen sich Abschnitte über das Optimieren von Algorithmen und über näherungsweise Lösungsverfahren an, wobei unter anderem auch genetische und probabilistische Algorithmen erläutert werden. Die Kapitel 9 und 10 entsprechen zusammen einem Grundkurs in theoretischer Informatik. Kapitel 11 ist dem Einstieg in das weite Feld der Datenstrukturen gewidmet. Nach einer allgemeinen Einführung werden die grundlegenden Datenstrukturen Felder, Strings, Verbunde, lineare Listen, Stapel und Schlangen vorgestellt. Dabei wird besonderer Wert auf die Algorithmen gelegt, die auf diesen Strukturen arbeiten. 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 sehr wichtigen Datenstrukturen Binärbäume, Vielwegbäume und Graphen gewidmet. Die Kapitel 11 bis 13 decken den Stoff einschlägiger Vorlesungen über Algorithmen und Datenstrukturen in höheren Semestern ab. Durch zahlreiche in C geschriebene Beispielprogramme wird die praktische Anwendbarkeit dieser drei Kapitel erhöht. In Kapitel 14 sind unter dem Titel Kommunikations- und Informationstechnik einige recht unterschiedliche Themen zusammengefasst. Den Anfang bildet eine Einführung in die Technik der Informationsübertragung und Kommunikation in Daten- und Rechnernetzen, wozu auch die Erläuterung des OSI-Schichtenmodells gehört. Es schließt sich ein Überblick über Datenbank-Konzepte an, mit einem Fokus auf relationale Datenbanken, aber auch Data-Mining wird gestreift. Breiterer Raum ist der Multimedia-Technik gewidmet, insbesondere der Bearbeitung von Bildern, die ja in der Regel den Hauptbestandteil multimedialer Dokumente ausmachen. Kapitel 15 bietet zunächst einen Überblick über die Grundlagen des Intemet. Im Anschluss werden dann einige dafür wesentliche Konzepte an Hand von HTML, XML, PHP, JavaScript und insbesondere Java vorgestellt. Der Abschnitt über Java vertieft nochmals den objektorientierten Ansatz und beinhaltet außerdem die Grundlagen der verteilten Verarbeitung. Diese dritte Auflage enthält etliche Berichtigungen sowie wesentliche Erweiterungen, die erheblich über den Umfang der zweiten Auflage hinausgehen. Über die Internet-Adresse stehen sämtliche im Buch beschriebenen Programme sowie viele weitere Informationen zur Verfügung. Ein Buch schreibt man nicht alleine; etliche Freunde und Kollegen haben mir dabei mit wertvollen Anregungen geholfen. Besonders wichtig war mir die Unterstützung meiner Familie. Dafür möchte ich mich herzlich bedanken. Rosenheim, 2003 Hartmut Ernst

20 1 Einführung 1 1 Einführung 1.1 Was ist eigentlich Informatik? Im Jahre 1962 wurde der Begriff ninformatique" von dem französischen Ingenieur Philippe Dreyfus geprägt und vorgeschlagen von dem damaligen Bundesforschungsminister Gerhard Stoltenberg - als "Informatik" in die deutsche Sprache ü bernommen. Im englischen Sprachraum spricht man meist von ncomputer Science", also "Computer-Wissenschaft", wenngleich der Begriff Informatics ebenfalls bekannt ist. Das Wort Informatik vereinigt die Begriffe Information und Automation in sich, bedeutet also in etwa "automatische Informationsverarbeitung". Im "Informatik-Duden" heißt es: Inform!tik (computer science): Wissenschaft von der systematischen Verarbeitung von Infonnationen, besonders der automatischen Verarbeitung mit Hilfe von Digitalrechnern. Die Hilfsmittel einer solchen automatischen Informationsverarbeitung sind Rechenmaschinen (Computer) oder allgemeiner (elektronische) Datenverarbeitungsanlagen. Deren prinzipieller Aufbau wird in Kapitel 4 beschrieben, jedoch unter Verzicht auf technische Details. Was nun unter Information zu verstehen ist, davon hat jeder Mensch eine intuitive Vorstellung. Für wissenschaftliche und technische Anwendungen muss dieser Begriff aber noch präzisiert werden; dies geschieht ausführlich in Kapitel 2. Möchte man eine klarere Vorstellung vom Wesen der Informatik erlangen, so ist es sinnvoll, nach den Wurzeln zu fragen. Historisch gesehen ist die Informatik aus der Mathematik und dem Elektroingenieurwesen hervorgegangen. Eine wichtige Rolle hat anfangs bei der Konstruktion von Rechenmaschinen auch die Mechanik gespielt. Im Vergleich mit anderen Wissenschaften steht die Informatik der Mathematik auch heute noch am nächsten, ist jedoch im Unterschied zu den reinen Geisteswissenschaften in wesentlich höherem Maße praxisorientiert. Von den Naturwissenschaften ist die Informatik durch ihre Beschäftigung mit ideellen Sachverhalten und künstlichen Systemen abgegrenzt und von den Ingenieurwissenschaften durch ihren teilweise immateriellen Arbeitsgegenstand. Mit all diesen Nachbardisziplinen besteht aber eine starke Wechselbeziehung. Man könnte die Informatik am ehesten unter dem umfassenderen Begriff der Wissenschaft von Strukturen und Systemen einordnen. Schlagwortartig, aber in gewissem Sinne auf den Punkt gebracht, kann man Informatik als "Intelligenzformalisierungstechnik" einstufen [Bra96]. Einer weiteren Begriffsklärung und Abgrenzung mag die Unterteilung der Informatik in folgende Bereiche dienen: H. Ernst, Grundkurs Informatik Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden 2003