Cornelia Heinisch, Frank Müller-Hofmann, Joachim Goll. Java als erste Programmiersprache

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1 Cornelia Heinisch, Frank Müller-Hofmann, Joachim Goll Java als erste Programmiersprache

2 Cornelia Heinisch, Frank Müller-Hofmann, Joachim Goll Java als erste Programmiersprache Vom Einsteiger zum Profi 5., überarbeitete und erweiterte Auflage

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Dr. Cornelia Heinisch, geb. Weiß, Jahrgang 1976, studierte Softwaretechnik an der Hochschule Esslingen. Seit ihrem Diplom im Jahre 1999 ist sie Lehrbeauftragte für Objektorientierte Modellierung an der Hochschule Esslingen. Cornelia Heinisch arbeitet bei der Firma IT-Designers GmbH als System-Designerin für Verteilte Objekt - orientierte Systeme. Frank Müller-Hofmann, MSc, Jahrgang 1969, studierte Softwaretechnik an der Hochschule Esslingen nach Lehre und Beruf. Herr Müller-Hofmann arbeitet als System-Designer für Verteilte Objektorientierte Systeme bei IT-Designers. Er ist Lehrbeauftragter für Internettechnologien an der Hochschule Esslingen und für Kommunikation in Verteilten Systemen an der Brunel University of West-London. Prof. Dr. Joachim Goll, Jahrgang 1947, unterrichtet seit 1991 im Fachbereich Informationstechnik der Hochschule Esslingen Programmiersprachen, Betriebssysteme, Software Engineering, Objektorientierte Modellierung und Sichere Systeme. Während seiner beruflichen Tätigkeit in der Industrie befasste er sich vor allem mit dem Entwurf von Verteilten Informationssystemen. Prof. Goll ist Leiter des Steinbeis- Transferzentrums Softwaretechnik Esslingen. 1. Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage März 2007 Alle Rechte vorbehalten B. G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007 Lektorat: Ulrich Sandten / Kerstin Hoffmann Der B. G. Teubner Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts gesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzun gen, Mikro ver filmungen und die Ein speiche rung und Verarbeitung in elek tro nischen Sys temen. 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 Waren- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Druck und buchbinderische Verarbeitung: Strauss Offsetdruck, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 Vorwort Die Sprache Java ist durch ihre Betriebssystem-Unabhängigkeit ideal für die Realisierung verteilter Systeme, die aus verschiedenartigsten Rechnern vom Handy bis zum Großrechner aufgebaut sein können. Java wird heute bereits im Informatik- Unterricht an den Gymnasien unterrichtet und ist fester Bestandteil des Studiums von Ingenieuren und Betriebswirten geworden. Java stellt im Grunde genommen eine einfache Sprache dar. Darüber hinaus werden jedoch in umfangreichen Klassenbibliotheken wertvolle und weitreichende Hilfsmittel zur Verfügung gestellt, die den Bau verteilter Systeme mit Parallelität, Oberflächen, Kommunikationsprotokollen und Datenbanken in erheblichem Maße unterstützen. Dieses Buch wendet sich an Studierende, Umsteiger und Schüler, welche das Interesse haben, die Grundlagen von Java fundiert zu erlernen. Es erlaubt, Java ohne Vorkenntnisse anderer Programmiersprachen zu erlernen. Daher der Titel Java als erste Programmiersprache. Dazu ist aber erforderlich, dass die Übungsaufgaben am Ende eines Kapitels bearbeitet werden. Wer das Buch nur lesen möchte, sollte bereits über die Kenntnisse einer anderen Programmiersprache verfügen. Dieses Buch hat das ehrgeizige Ziel, dem Neuling die Sprachkonzepte von Java, die Grundkonzepte der objektorientierten Programmierung und wichtige Teile der Klassenbibliothek so präzise wie möglich und dennoch in leicht verständlicher Weise vorzustellen. Aber unterschätzen Sie dennoch den Lernaufwand nicht. Der Buchumfang ist nicht in einer einzigen Vorlesung zu schaffen. Vorlesungen über das Programmieren verteilter Systeme mit Java oder über Grafische Oberflächen mit Java machen erst dann Sinn, wenn die Grundlagen des Programmierens erlernt sind. Die Kapitel 1 bis einschließlich 21 enthalten Übungsaufgaben, die zum selbstständigen Programmieren herausfordern. Dasselbe Ziel hat das Flughafen-Projekt, welches begleitend zu den einzelnen Kapiteln durchgeführt werden kann und zu einem System führt, das die Fluglotsen bei Start und Landung von Flugzeugen unterstützt. Unser besonderer Dank bei dieser Auflage gilt Herrn Mathias Altmeyer, der in monatelanger Arbeit viele Kapitel wesentlich überarbeitet hat. Herrn Daniel Frank danken wir für die Überarbeitung der Kapitels Servlets und JavaServer Pages, Herrn Daniel Förster für die Erstellung der Anhänge Annotations und JNDI und Herrn Marco Hentschel für Rat und Tat beim Kapitel Swing. Herr Carsten Timm und Herr Norman Walter waren uns bei der Erstellung von Bildern und der CD eine große Hilfe. Esslingen, im Februar 2007 C. Heinisch / F. Müller-Hofmann / J. Goll

5 Wegweiser durch das Buch Lernkästchen, auf die grafisch durch eine kleine Glühlampe aufmerksam gemacht wird, stellen eine Zusammenfassung eines Kapitels dar. Sie erlauben eine rasche Wiederholung des Stoffes. Gerade als Anfänger in einer Programmiersprache macht man gerne den Fehler, sich beim Lesen an nicht ganz so wesentlichen Einzelheiten festzubeißen. Um zu erkennen, welche Information grundlegend für das weitere Vorankommen ist und welche Information nur ein Detailwissen darstellt und deshalb auch noch zu einem späteren Zeitpunkt vertieft werden kann weist dieses Buch Kapitel oder Kapitelteile, die beim ersten Lesen übersprungen werden können, mit dem Symbol aus. Generell ist es empfehlenswert, ein oder mehrere Kapitel zu überfliegen, um sich einen Überblick zu verschaffen, und dann erst mit der Feinarbeit zu beginnen und gründlicher zu lesen. Dennoch gilt: Eine Vorgehensweise, die sich für den einen Leser als optimal erweist, muss noch lange nicht für alle Leser das Allheilmittel darstellen. Wenn Sie zu den Lesern gehören, die es gewohnt sind, von Anfang an möglichst detailliert zu lesen, um möglichst viel sofort zu verstehen, so sollten Sie zumindest darauf achten, dass Sie in den Kapiteln mit dem Überspringe und komm zurück -Zeichen beim ersten Durchgang nicht zu lange verweilen. Bei all den guten Ratschlägen gilt: Programmieren hat man zu allen Zeiten durch Programmierversuche erlernt. Do it yourself heißt der rote Faden zum Erfolg. So wie ein Kleinkind beim Erlernen der Muttersprache einfach zu sprechen versucht, so sollten auch Sie möglichst früh versuchen, in der Programmiersprache zu sprechen das heißt, eigene Programme zu schreiben. Gestalten Sie den Lernvorgang abwechslungsreich lesen Sie einen Teil und versuchen Sie, das Erlernte im Programmieren gleich umzusetzen. Um die mühsame Tipparbeit am Anfang minimal zu halten, sind alle Beispielprogramme des Buches auf der CD zu finden. Die CD enthält auch die Bilder der einzelnen Kapitel, die Übungsaufgaben und Lösungen sowie das Flughafenprojekt. Die nachfolgende Tabelle soll es dem Leser erleichtern, einzuordnen, welche Kapitel zu den Grundlagen (Symbol ) zählen und auf jeden Fall verstanden werden sollten, welche Kapitel zuerst übersprungen werden können und dann bei Bedarf gelesen werden sollten (Symbol ), und welche Kapitel rein fortgeschrittene Themen (Symbol ) behandeln, die unabhängig voneinander gelesen werden können.

6 1 Grundbegriffe der Programmierung 2 Objektorientierte Konzepte 3 Einführung in die Programmiersprache Java 4 Einfache Beispielprogramme 5 Lexikalische Konventionen 6 Datentypen und Variablen 7 Ausdrücke und Operatoren 8 Kontrollstrukturen 9 Blöcke und Methoden 10 Klassen und Objekte 11 Vererbung und Polymorphie 12 Pakete 13 Ausnahmebehandlung 14 Schnittstellen 15 Geschachtelte Klassen 16 Ein-/Ausgabe und Streams 17 Generizität 18 Collections 19 Threads 20 Applets 21 Oberflächenprogrammierung mit Swing 22 Servlets 23 JavaServer Pages 24 Sockets 25 Remote Method Invocation 26 JDBC 27 Enterprise JavaBeans 3.0 Die folgende Tabelle zeigt die auf der CD enthaltenen Kapitel: 28 Java Native Interface 29 Sicherheit 30 Beans 31 Reflection 32 Java-Tools 33 Java Management Extensions Schreibweise In diesem Buch sind der Quellcode und die Ein-/Ausgabe von ganzen Beispielprogrammen sowie einzelne Anweisungen und Ein-/Ausgaben in der Schriftart Courier New geschrieben. Dasselbe gilt für Programmteile wie Variablennamen, Methodennamen etc., die im normalen Text erwähnt werden. Wichtige Begriffe im normalen Text sind fett gedruckt, um sie hervorzuheben. Ihre Verbesserungsvorschläge und kritischen Hinweise, die wir gerne annehmen, erreichen uns via Cornelia.Heinisch@it-designers.de

7 Ihr Partner für IT-Entwicklungen Auf der Basis langjähriger Projekterfahrungen in der Konzeption und Realisierung von IT-Systemen sind wir besonders auf folgende Leistungen spezialisiert: Konzeption, Entwurf, Implementierung sowie Integration und Test von - Informationssystemen - eingebetteten Systemen - mobilen Systemen und deren Kombination Betrieb von Web-Applikationen zur Unterstützung verteilter Entwicklungsprozesse Einsatz geeigneter Vorgehensmodelle, Methoden und Tools Durchführung von Schulungen in - Software Engineering - Programmiersprachen Der ständige Wissenstransfer unserer hoch qualifizierten Systemarchitekten zu Industriekunden und Hochschulen ermöglicht die Verwendung aktueller Entwicklungstechniken. Wir entwickeln für Sie ausbaufähige maßgeschneiderte IT-Lösungen. Ihre Aufgabe unsere Herausforderung. IT-Designers GmbH Entennest Esslingen Tel / Fax 0711 / info@it-designers.de

8 Inhaltsverzeichnis 1 GRUNDBEGRIFFE DER PROGRAMMIERUNG Das erste Programm... 2 Vom Problem zum Programm... 4 Nassi-Shneiderman-Diagramme Zeichen Variablen Datentypen Übungen OBJEKTORIENTIERTE KONZEPTE Modellierung mit Klassen und Objekten Information Hiding und Kapselung Abstraktion und Brechung der Komplexität Erstes Programmbeispiel mit Objekten Flughafen-Projekt Übungen EINFÜHRUNG IN DIE PROGRAMMIERSPRACHE JAVA Sprachkonzepte von Java Eigenschaften von Java Die Java-Plattform Programmerzeugung und -ausführung Das Java Development Kit Java-Anwendungen und Internet-Programmierung Übungen EINFACHE BEISPIELPROGRAMME Lokale Variablen, Ausdrücke und Schleifen Zeichen von der Tastatur einlesen Erzeugen von Objekten Initialisierung von Objekten mit Konstruktoren Schreiben von Instanzmethoden Zusammengesetzte Objekte Selbst definierte Untertypen durch Vererbung Die Methode printf() und die Klasse Scanner Übungen

9 X Inhaltsverzeichnis 5 LEXIKALISCHE KONVENTIONEN Zeichenvorrat von Java Der Unicode Lexikalische Einheiten Übungen DATENTYPEN UND VARIABLEN Abstrakte Datentypen und Klassen Die Datentypen von Java Variablen Modifikatoren Arrays Aufzählungstypen Konstante und variable Zeichenketten Wrapper-Klassen Boxing und Unboxing Verkettung von Strings und Variablen anderer Datentypen Übungen AUSDRÜCKE UND OPERATOREN Operatoren und Operanden Ausdrücke und Anweisungen Nebeneffekte Auswertungsreihenfolge L-Werte und R-Werte Zusammenstellung der Operatoren Konvertierung von Datentypen Ausführungszeitpunkt von Nebeneffekten Übungen KONTROLLSTRUKTUREN Blöcke Kontrollstrukturen für die Sequenz Selektion Iteration Sprunganweisungen Übungen BLÖCKE UND METHODEN Blöcke und ihre Besonderheiten Methodendefinition und -aufruf

10 Inhaltsverzeichnis XI Polymorphie von Operationen Überladen von Methoden Parameterliste variabler Länge Parameterübergabe beim Programmaufruf Iteration und Rekursion Übungen KLASSEN UND OBJEKTE Information Hiding Klassenvariablen und Klassenmethoden Die this-referenz Initialisierung von Datenfeldern Instantiierung von Klassen Freigabe von Speicher Die Klasse Object Übungen VERERBUNG UND POLYMORPHIE Das Konzept der Vererbung Erweitern und Überschreiben Besonderheiten bei der Vererbung Polymorphie und das Liskov Substitution Principle Verträge Identifikation der Klasse eines Objektes Konsistenzhaltung von Quell- und Bytecode Übungen PAKETE "Programmierung im Großen" Pakete als Entwurfseinheiten Erstellung von Paketen Benutzung von Paketen Paketnamen Gültigkeitsbereich von Klassennamen Zugriffsmodifikatoren Übungen AUSNAHMEBEHANDLUNG Das Konzept des Exception Handlings Implementierung von Exception-Handlern in Java

11 XII Inhaltsverzeichnis 13.3 Ausnahmen vereinbaren und auswerfen Die Exception-Hierarchie Ausnahmen behandeln Vorteile des Exception-Konzeptes Assertions Übungen SCHNITTSTELLEN Trennung von Spezifikation und Implementierung Ein weiterführendes Beispiel Aufbau einer Schnittstelle Verwenden von Schnittstellen Vergleich Schnittstelle und abstrakte Basisklasse Das Interface Cloneable Übungen GESCHACHTELTE KLASSEN Elementklassen Lokale Klassen Anonyme Klassen Statische geschachtelte Klassen und Schnittstellen Realisierung von geschachtelten Klassen Übungen EIN-/AUSGABE UND STREAMS Für ganz Eilige ein erstes Beispiel Klassifizierung von Streams Das Stream-Konzept Bytestream-Klassen Characterstream-Klassen Standardeingabe und Standardausgabe Ein- und Ausgabe von Objekten Übungen GENERIZITÄT Generische Klassen Eigenständig generische Methoden Wildcards Generische Schnittstellen Die Klasse Class<T>

12 Inhaltsverzeichnis XIII 17.6 Generizität und Polymorphie Übungen COLLECTIONS Überblick über die Collection-API Iterieren über Collections Listen Warteschlangen Mengen Verzeichnisse Besonderheiten bei der Anwendung von Collections Übungen THREADS Zustände und Zustandsübergänge von Betriebssystem-Prozessen Zustände und Zustandsübergänge von Threads Programmierung von Threads Scheduling von Threads Zugriff auf gemeinsame Ressourcen Daemon-Threads Übungen APPLETS Die Seitenbeschreibungssprache HTML Das "Hello, world"-applet Der Lebenszyklus eines Applets Parameterübernahme aus einer HTML-Seite Importieren von Bildern Importieren und Abspielen von Audio-Clips Übungen OBERFLÄCHENPROGRAMMIERUNG MIT SWING Architekturmuster Model-View-Controller Die Swing-Architektur Ereignisbehandlung für Swing Integration von Swing in das Betriebssystem Swing-Komponenten Layout-Management Weitere Technologien der Ein- und Ausgabe Übungen

13 XIV Inhaltsverzeichnis 22 SERVLETS Das Internet und seine Dienste Dynamische Erzeugung von Seiteninhalten Web-Anwendungen erstellen Wichtige Elemente der Servlet-API Der Deployment Deskriptor Das Servlet "Forum" JAVASERVER PAGES Skriptelemente Direktiven Aktionen Verwendung von JavaBeans Tag-Bibliotheken NETZWERKPROGRAMMIERUNG MIT SOCKETS Verteilte Systeme Rechnername, URL und IP-Adresse Sockets Protokolle REMOTE METHOD INVOCATION Die Funktionsweise von RMI Entwicklung einer RMI-Anwendung Ein einfaches Beispiel Object by Value und Object by Reference Verwendung der RMI-Codebase Häufig auftretende Fehler und deren Behebung JDBC Einführung in SQL JDBC-Treiber Installation und Konfiguration von MySQL Zugriff auf ein DBMS Datentypen Exceptions Metadaten JDBC-Erweiterungspaket Connection Pooling

14 Inhaltsverzeichnis XV 27 ENTERPRISE JAVABEANS Idee der Enterprise JavaBeans Objektorientierte Modellierung Abbildung von Klassen auf Bean-Typen Überblick über die Enterprise JavaBeans-Architektur Konzept der EJB-Typen Session-Beans Der Applikations-Server JBoss Java Persistence API Vollständiges Beispiel: Eine einfache Bankanwendung ANHANG A DER ASCII-ZEICHENSATZ ANHANG B GÜLTIGKEITSBEREICHE VON NAMEN ANHANG C DIE KLASSE SYSTEM ANHANG D JNDI ANHANG E ANNOTATIONS BEGRIFFSVERZEICHNIS LITERATURVERZEICHNIS INDEX

15 Kapitel 1 Grundbegriffe der Programmierung 1.1 Das erste Programm 1.2 Vom Problem zum Programm 1.3 Nassi-Shneiderman-Diagramme 1.4 Zeichen 1.5 Variablen 1.6 Datentypen 1.7 Übungen

16 1 Grundbegriffe der Programmierung Bevor man mit einer Programmiersprache umzugehen lernt, muss man wissen, was ein Programm prinzipiell ist und wie man Programme konstruiert. Damit wird sich das erste Kapitel befassen. Leser, die bereits eine höhere Programmiersprache erlernt haben, können prüfen, ob sie tatsächlich die hier präsentierten Grundbegriffe (noch) beherrschen und gegebenenfalls dieses Kapitel "überfliegen". Ehe es "zur Sache geht", zunächst als spielerischen Einstieg in Kapitel 1.1 das Programm "Hello, world". 1.1 Das erste Programm Seit Kernighan und Ritchie ist es Usus geworden, als erstes Beispiel in einer neuen Programmiersprache mit dem Programm "Hello, world" zu beginnen. Das Programm "Hello, world" macht nichts anderes, als den Text "Hello, world!" auf dem Bildschirm auszugeben. In Java sieht das "Hello, world"-programm folgendermaßen aus: // Datei: HelloWorld.java public class HelloWorld // Klasse zur Ausgabe von "Hello, world!" { public static void main (String[] args) // Methode main() zur { // Ausgabe der Zeichen- System.out.println ("Hello, world!"); // kette } } Die Methode println() sie wird ausgesprochen als print line wird über System.out.println() aufgerufen und schreibt die Zeichenkette "Hello, world!" auf den Bildschirm. Bitte erstellen Sie dieses Programm mit einem Texteditor, der Ihnen vertraut ist, und speichern Sie es unter dem Dateinamen HelloWorld.java in einer Datei ab. Dieses Programm besteht aus einer Klasse mit dem Namen HelloWorld. Eine Klasse ist dadurch gekennzeichnet, dass sie das Schlüsselwort class trägt. Beachten Sie, dass alles, was hinter zwei Schrägstrichen in einer Zeile steht, zusammen mit den beiden Schrägstrichen einen so genannten Kommentar darstellt. Ein Kommentar dient zur Dokumentation eines Programms und hat keinen Einfluss auf den Ablauf des Programms. In Java kann man nur objektorientiert programmieren. Alle Programme in Java basieren von ihrem Aufbau her komplett auf Klassen. Bitte achten Sie sowohl beim Eintippen des Programms im Texteditor, als auch bei der Vergabe des Dateinamens auf die Groß- und Kleinschreibung, da in Java zwischen Groß- und Kleinbuchstaben unterschieden wird. In anderen Worten: Java ist case sensitiv.

17 Grundbegriffe der Programmierung 3 Kompilieren Sie das Programm mit dem javac-compiler 1 des Java Development Kits 2 durch die folgende Eingabe auf der Kommandozeile: javac HelloWorld.java Danach drücken Sie die <RETURN>-Taste. Auf der <RETURN>-Taste ist oftmals das Symbol zu sehen. Der javac-compiler übersetzt dann den Java-Quellcode der Datei HelloWorld.java in so genannten Bytecode und legt diesen in der Datei HelloWorld.class ab. Durch die Eingabe von java HelloWorld und das anschließende Drücken der <RETURN>-Taste wird der Bytecode-Interpreter java gestartet, der den Bytecode interpretiert, d.h. in Maschinencode übersetzt und zur Ausführung bringt. Hierbei ist Maschinencode ein spezieller Code, den der entsprechende Prozessor versteht. Java-Anwendungen können wie hier gezeigt von der Kommandozeile aus gestartet werden. Sie können aber auch aus Entwicklungsumgebungen wie z.b. aus Eclipse aufgerufen werden. Bild 1-1 zeigt die Ein- und Ausgaben in einer Windows-Konsole. Bild 1-1 Kompilieren und Starten über Kommandos in der Windows-Konsole Zu beachten ist, dass der Interpreter java den Klassennamen HelloWorld und nicht den Dateinamen HelloWorld.class verlangt! Die Ausgabe des Programms ist: Hello, world! Wie Sie bemerkt haben, werden die Anführungszeichen " nicht mit ausgegeben. Sie dienen nur dazu, den Anfang und das Ende einer Zeichenkette (eines Strings) zu markieren. So schnell kann es also gehen. Das erste Programm läuft schon. Sie hatten "ein Händchen" im Umgang mit Texteditor, Compiler und Interpreter. Da es hier nur darum geht, ein allererstes Programm zu starten, wird auf eine detaillierte Erläuterung des Programms verzichtet. 1 2 Der Name javac wurde gewählt als Abkürzung für Java Compiler. Die Installation des Java Development Kits wird in Kap beschrieben.

18 4 Kapitel Vom Problem zum Programm Der Begriff Programm ist eng mit dem Begriff Algorithmus verbunden. Algorithmen sind Vorschriften für die Lösung eines Problems, welche die Handlungen und ihre Abfolge kurz, die Handlungsweise beschreiben. Im Alltag begegnet man Algorithmen in Form von Bastelanleitungen, Kochrezepten und Gebrauchsanweisungen. Abstrakt kann man sagen, dass die folgenden Bestandteile und Eigenschaften zu einem Algorithmus gehören: eine Menge von Objekten, die durch den Algorithmus bearbeitet werden, eine Menge von Operationen, die auf den Objekten ausgeführt werden, ein definierter Anfangszustand, in dem sich die Objekte zu Beginn befinden, und ein gewünschter Endzustand, in dem sich die Objekte nach der Lösung des Problems befinden sollen. Dies sei am Beispiel Kochrezept erläutert: Objekte: Zutaten, Geschirr, Herd,... Operationen: waschen, anbraten, schälen, passieren,... Anfangszustand: Zutaten im "Rohzustand", Teller leer, Herd kalt,... Endzustand: fantastische Mahlzeit auf dem Teller. Was dann noch zur Lösung eines Problems gebraucht wird, ist eine Anleitung, ein Rezept oder eine Folge von Anweisungen und jemand, der es macht. Mit anderen Worten, man benötigt einen Algorithmus also eine Rechenvorschrift und einen Prozessor. Während aber bei einem Kochrezept viele Dinge gar nicht explizit gesagt werden müssen, sondern dem Koch aufgrund seiner Erfahrung implizit klar sind z.b. dass er den Kuchen aus dem Backofen holen muss, bevor er schwarz ist, muss einem Prozessor alles explizit und eindeutig durch ein Programm, das aus Anweisungen einer Programmiersprache besteht, gesagt werden. Ein Programm besteht aus einer Reihe von einzelnen Anweisungen an den Prozessor, die von diesem der Reihe nach in anderen Worten sequenziell ausgeführt werden. Ein Algorithmus in einer Programmiersprache besteht aus Anweisungen, die von einem Prozessor ausgeführt werden können. Arbeitsspeicher des Rechners Anweisung Anweisung Anweisung Anweisung Anweisung Prozessor des Rechners Anweisung Bild 1-2 Der Prozessor bearbeitet eine Anweisung des Programms nach der anderen

19 Grundbegriffe der Programmierung 5 Bild 1-2 zeigt Anweisungen, die im Arbeitsspeicher des Rechners abgelegt sind und nacheinander durch den Prozessor des Rechners abgearbeitet werden Der Euklid sche Algorithmus als Beispiel für Algorithmen Als Beispiel wird der Algorithmus betrachtet, der von Euklid ca. 300 v. Chr. zur Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers (ggt) zweier natürlicher Zahlen aufgestellt wurde. Der größte gemeinsame Teiler wird zum Kürzen von Brüchen benötigt: x y ungekürzt ungekürzt x = y ungekürzt ungekürzt /ggt(x /ggt(x ungekürzt ungekürzt,y,y ungekürzt ungekürzt ) = ) x y gekürzt gekürzt Hierbei ist ggt(x ungekürzt, y ungekürzt ) der größte gemeinsame Teiler der beiden Zahlen x ungekürzt und y ungekürzt. Beispiel: /ggT ( 24, 9 ) 24/ 3 = = = 9/ggT ( 24, 9 ) 9/ Der Euklid sche Algorithmus lautet: Zur Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers zwischen zwei natürlichen Zahlen x und y tue Folgendes 3 : Solange x ungleich y ist, wiederhole: Wenn x größer als y ist, dann: Ziehe y von x ab und weise das Ergebnis x zu. Andernfalls: Ziehe x von y ab und weise das Ergebnis y zu. Wenn x gleich y ist, dann: x (bzw. y) ist der gesuchte größte gemeinsame Teiler. Man erkennt in diesem Beispiel Folgendes: Es gibt eine Menge von Objekten, mit denen etwas passiert: x und y. Diese Objekte x und y haben am Anfang beliebig vorgegebene Werte, am Schluss enthalten sie den größten gemeinsamen Teiler. Es gibt gewisse Grundoperationen, die hier nicht weiter erläutert werden, da sie implizit klar sind: vergleichen, abziehen und zuweisen. Es handelt sich um eine sequenzielle Folge von Anweisungen (Operationen), d.h. die Anweisungen werden der Reihe nach hintereinander ausgeführt. Es gibt aber auch bestimmte Konstrukte, welche die einfache sequenzielle Folge (Hintereinanderausführung) gezielt verändern: eine Auswahl zwischen Alternativen (Selektion) und eine Wiederholung von Anweisungen (Iteration). 3 Die Arbeitsweise dieses Algorithmus für die Zahlen x == 24 und y == 9 wird anhand der Tabelle 1-1 in Kapitel verdeutlicht.

20 6 Kapitel 1 Es gibt auch Algorithmen zur Beschreibung von parallelen Aktivitäten, die zum gleichen Zeitpunkt nebeneinander ausgeführt werden. Diese Algorithmen werden unter anderem bei Betriebssystemen oder in der Prozessdatenverarbeitung benötigt. Im Folgenden werden bewusst nur sequenzielle Abläufe behandelt, bei denen zu einem Zeitpunkt nur eine einzige Operation durchgeführt wird Beschreibung sequenzieller Abläufe Die Abarbeitungsreihenfolge von Anweisungen wird auch als Kontrollfluss bezeichnet. Den Prozessor stört es überhaupt nicht, wenn eine Anweisung einen Sprungbefehl zu einer anderen Anweisung enthält. Solche Sprungbefehle werden in manchen Programmiersprachen beispielsweise mit dem Befehl GOTO und Marken wie z.b. 100 realisiert: IF(a > b) GOTO 100 Anweisungen2 GOTO Anweisungen1 300 Anweisungen3 In Worten lauten diese Anweisungen an den Prozessor: "Vergleiche die Werte von a und b. Wenn 4 a größer als b ist, springe an die Stelle mit der Marke 100. Führe an der Stelle mit der Marke 100 die Anweisungen Anweisungen1 aus. Fahre dann mit den Anweisungen3 fort. Ist aber die Bedingung a > b nicht erfüllt, so arbeite die Anweisungen Anweisungen2 ab. Springe dann zu der Marke 300 und führe die Anweisungen Anweisungen3 aus." Will jedoch ein Programmierer ein solches Programm lesen, so verliert er durch die Sprünge sehr leicht den Zusammenhang und damit das Verständnis. Für den menschlichen Leser ist es am besten, wenn ein Programm einen einfachen und damit überschaubaren Kontrollfluss hat. Während typische Programme der sechziger Jahre noch zahlreiche Sprünge enthielten, bemühen sich die Programmierer seit Dijkstras grundlegendem Artikel "Go To Statement Considered Harmful" [1], möglichst einen Kontrollfluss ohne Sprünge zu entwerfen. Beispielsweise kann der oben mit GOTO beschriebene Ablauf auch folgendermaßen realisiert werden: IF(a > b) Anweisungen1 ELSE Anweisungen2 ENDIF Anweisungen3 4 "Wenn wird ausgedrückt durch das Schlüsselwort IF der hier verwendeten Programmiersprache FORTRAN.