Grundlagen der Informatik. von Prof. Dr. Peter Pepper Technische Universität Berlin

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1 Grundlagen der Informatik von Prof. Dr. Peter Pepper Technische Universität Berlin R. Oldenbourg Verlag München Wien 1992

2 Inhalt Vorwort 11 Prolog Über den Begriff Information" Information und Repräsentation Modellbildung Äquivalente Repräsentationen Definition von Semantik Glossar: Mengen und Funktionen 26 Referenzen Die Rechenstruktur der Booleschen Algebra Aussagenlogik als Informationsstruktur Die Boolesche Algebra B Boolesche Terme Rechenregeln der Booleschen Algebra Gesetze der Booleschen Algebra Entwicklung von Schaltnetzen 37 Referenzen Zahlstrukturen Die natürlichen Zahlen Die ganzen Zahlen Zahldarstellungen Zahldarstellung in der Maschine Rationale Zahlen (Gleitpunktzahlen) Reelle und komplexe Zahlen Partielle Funktionen und Algorithmen-Entwurf 55 Referenzen 55

3 Grundlegende Kompositionsformen für die Programmierung 57 Funktionen 57 Zur Spezifikation von Funktionen 61 Fallunterscheidung 63 Nichtdeterministische Auswahl 66 Funktionale 68 Programme und Rechenstrukturen 70 Anhang: Rechenregeln für Programme 71 Referenzen 74 Rekursion 75 Rekursive Funktionen 75 Eine Kollektion rekursiver Situationen 77 1 Lineare Rekursion 78 2 Baumartige Rekursion 79 3 Geschachtelte Rekursion 81 Wie findet man die Rekursion? 82 Zum Entwurf von Multiplizierwerken 85 Referenzen 89 Zur Semantik rekursiver Funktionen 91 Operationelle Semantik 91 Mathematische Semantik 97 Andere Ansätze 105 Referenzen 106 Imperativer Sprachstil und von Neumann-Rechner.107 Zum Begriff Zustand" Objekte mit Zuständen Vor- und Nachbedingungen 109 Zustandsorientierte Programmierung Programmvariable Die Zuweisung Triviale Anweisungen Sequentielle Komposition Parallele Komposition Bedingte Anweisung Iteration 118

4 Inhalt Prozeduren Rekursion Strukturierung des Zustandsraums: Lokale Variable und Module r Computer als Zustandsmaschinen Endliche Automaten Speichernde Hardware-Elemente Register Applikative und imperative Programmierung 136 Referenzen Objektorientierte Programmierung Objekte" und Methoden" Botschaften" Klassen" Zwischenbilanz 146 Referenzen 147 So viele Formeln! Muß das wirklich sein? 149 Über Mathematik und Formalismen 150 Über Nutzung und Herstellung 152 Über Basteln und Konstruieren 153 Über Komplexität des Denkens 154 Wo stehen wir jetzt in unserem Buch? 156 Referenzen Datenstrukturen I: Arrays und Maps Felder, Arrays, Vektoren Spezielle Iterationsformen Einfache Array-Algorithmen Das Skalarprodukt Das Matrixprodukt Polynom-Interpolation Eine abstraktere Sicht von Arrays Arrays sind Reihungen von Variablen Endliche Abbildungen: Maps" Maps und Arrays Applikative und imperative Sicht Maps mit allgemeinen Indexbereichen Arrays und Speicherstrukturen 177 Referenzen 180

5 8 Inhalt 10. Datenstrukturen II: Sequenzen und Mengen Sequenzen Zwei einfache Sequenzalgorithmen Suchen und Filtern Filtern Suchen Aufwandsabschätzung Akkumulieren und punktweise Abbildung Sortieren Selection Sort Insertion Sort Bubble Sort MergeSort Quicksort Weitere Kommentare zum Sortieren Anmerkungen zur Programmiermethodik Algebraische Spezifikation von Sequenzen Signatur und Gesetze Parametrisierung Implementierung von Sequenzen Mengen 221 Referenzen Datenstrukturen III: Graphen und Bäume Grundbegriffe Erreichbarkeit Färbungen" Der Basisalgorithmus Programmiertechnische Variationen Variationen des Themas Transitive Hülle Problembeschreibung und naive Lösungsideen Dynamische Programmierung Der Algorithmus von Warshall Variationen Bäume Traversierung von Bäumen Geordnete Bäume Balancierte Bäume Über Suchverfahren der KI 247

6 9 Inhalt 11.5 Spezifikation und Implementierung von Graphen und Bäumen Spezifikation von Graphen Implementierung von Graphen Anmerkungen zur objektorientiert Objekte, Methoden und Funktionen höherer Ordnung Klassen, Spezifikationen und Vererbung Zwischenbilanz 254 Referenzen Kooperation und Konkurrenz, Parallelität und Verteiltheit Verteilte Systeme und Parallelität Konstrukte zur parallelen Programmierung Eine methodische Klassifizierung Lohnt sich Parallelisierung? Parallelität ist natürlicher als Sequentialität Das N-Körper-Problem Graphische Darstellungen Steuerung technischer Prozesse Suchen in Bäumen Beispiel: Parallele Matrixmultiplikation Matrixprodukt: Variante Matrixprodukt: Variante Matrixprodukt: Variante Kommunikation Streng und lose gekoppelte Kommunikation Ausgewählte Kommunikation Faire und verklemmte Prozesse Applikative Kommunikation Remote Procedure Call Kuck mal, wer da spricht" Konkurrenz und Synchronisation Gemeinsame Variable Kritische Bereiche Technische Synchronisationsmittel Kommunikation oder gemeinsame Variable? Parallele Rechnerarchitekturen Asynchrone Parallelrechner Synchrone Parallelrechner Kanalisierte Vektorrechner Kommunikation 290

7 10 Inhalt Zur Programmierung synchroner Algorithmen Zeit Anmerkungen zu neuronalen Netzen Bilanz 299 Referenzen Rechneraufbau und Betriebssysteme Das System aus Benutzersicht Das Terminal Die Systemoberfläche (Shell) Wer darf mitspielen? Benutzer und Befugnisse Objekte und Zugriffsrechte Benutzer, Programme und Prozesse Das System aus technischer Sicht Hardware oder Software? Schichten von Systemobjekten Platten und Dateien Verwaltung von Dateien: Directories Dateien Dateisystem und Plattentreiber Plattentreiber und Plattencontroller Geräteunabhängigkeit Speicherverwaltung Virtueller Adreßraum Virtueller Adreßraum aus Systemsicht Hauptspeicher und MMU Prozeßverwaltung im Nukleus Prozeßzustände Unterbrechungen Rechneraufbau Busse: Die Nervenstränge des Rechners Das Rechenwerk Das Steuerwerk des zentralen Prozessors 337 Referenzen 340 Epilog 343 Index 349

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