Der Begriff Informatik

Transkript

1 - 1 - Der Begriff Informatik y"informatik" = Kunstwort aus Information und Mathematik ywissenschaft der Informationsverarbeitung mit großer Nähe zur Mathematik und zunehmend zu den Ingenieurwissenschaften yhauptaufgabe der Informatik yentwicklung formaler, maschinell ausführbarer Verfahren zur Lösung von Problemen der Informationsverarbeitung y die inzwischen fast alle Bereiche umfassen Infor mation Auto matik yforderung der Durchführbarkeit mittels einer Maschine: yinformationen müssen als maschinell verarbeitbare Daten dargestellt werden ylösungsverfahren müssen bis ins Detail formal beschrieben werden ProgrA - U. Schroeder 2

2 Automatisierte Informationsverarbeitung yverarbeitungsablauf yunveränderbar ysteuerbar yprogrammierbar Getränke-,...automat Fahrschein-, Geldautomat Universelle Maschine yverarbeitungsvorschrift (Algorithmus) genau festgelegtes Ablaufschema für oft wiederkehrende Vorgänge, das nach einer endlichen Anzahl von Arbeitsschritten zu einem eindeutigen Ergebnis führt. Jeder Algorithmus zeichnet sich dadurch aus, dass er absolut reproduzierbar ist. Was sind wichtige Eigenschaften von Algorithmen? ProgrA - U. Schroeder 3 Algorithmus und Programm Eigenschaften von Algorithmen yeindeutig beschrieben yterminierend ydeterminiert ykorrekt yeffizient y Speicherbedarf y Laufzeit y Technische Plattform ylesbarkeit, ywiederverwendbarkeit, y Beispiele ywahlvorschriften yspielanleitungen ykochrezepte yrechenvorschriften: y Differenzieren, y Lösen von Gleichungen y Bestimmen von Determinanten yablauffähiger Algorithmus y Programmiersprache y jedes Programm enthält mindestens einen Algorithmus ProgrA - U. Schroeder 4

3 Universelles Werkzeug: Basis Programmierbarer Automat (Hardwarekosten pro Einheit) Programm (Softwarekosten einmalig) Spezieller Automat (Anwendersystem) ProgrA - U. Schroeder 5 Universelles Werkzeug: Möglichkeiten Spezialisierung durch Schichtenbildung & Schnittstellen ypc + Windows = Programmierbarer Automat für Datenverwaltungsaufgaben (fensterbasiert) ypc + Windows + Java = Programmierbarer Automat für beliebige Anwendungen (kommerziell, Spiele, Kommunikation, embedded systems,...) ypc + Windows + Java + Programm zur Lösung von Polynomen = Spezieller Automat für Polynomberechnungen Universelle Spezialisierbarkeit ProgrA - U. Schroeder 6

4 Vom Problem zum Programm Problem Softwaretechnik, CASE, Modellierung, IDE, Tätigkeit des Programmierens Intuition,... und vieles mehr Lösungsidee Denkschweiß, Methodik Struktur & Algorithmen Codieren: Methodik, Erfahrung Programm Analyse und und Bewertung Ausführung auf auf dem dem Rechner Programmieren im Kleinen ProgrA - U. Schroeder 7 Universelles Werkzeug: Möglichkeiten Laden und Ausführen Spezialisierter Automat Programm als Binärcode Übersetzung erfolgt automatisch! Rechnerspezifisch Assembler Java-Compiler Programm als Bytecode Programm als Java-Code Universelle Zwischensprache X-Compiler Problembeschreibung in Fachsprache X Programmsynthese Problembeschreibung als Anforderung UML, SDL, Gleichungssyst., Deutsch ProgrA - U. Schroeder 8

5 Programmiersprachen y Die Programmiersprache bildet die Schnittstelle zwischen Mensch und Rechner Programmiersprache Rechner Beide haben unterschiedliche Anforderungen y Mensch y Erlernbarkeit y Lesbarkeit y Ausdrucksstärke, Problemnähe y Rechner y einfaches Übersetzen in Maschinensprache y effizienter Code soll generiert werden können Höhere Programmiersprachen Maschinensprachen ProgrA - U. Schroeder 9 Programmiersprach-Paradigmen Imperative Sprachen yfolge von nacheinander ausgeführten Anweisungen yprozedurale Sprachen yvariablen, Zuweisungen, Kontrollstrukturen yobjektorientierte Sprachen yobjekte und Klassen yadt und Vererbung Verteilung des Ablaufs auf interagierende Objekte Deklarative Sprachen y Spezifikation dessen, was berechnet werden soll y Festlegung, wie Berechnung verläuft durch Compiler y Funktionale Sprachen y keine Seiteneffekte y Rekursion y Logische Sprachen y Regeln zur Definition von Relationen ProgrA - U. Schroeder 10

6 Wichtige Programmiersprachen Fortran Cobol Algol 60 Lisp PL/1 Algol 68 Simula Pascal Ada C Smalltalk Scheme ML Prolog C++ Miranda 1990 Modula-3 Eiffel Haskell Ada-95 Java prozedural objektorientiert funktional logisch ProgrA - U. Schroeder 11 Compile-Edit-Debug Zyklus yautomatische Überbrückung der Sprachschichten Compiler javac Programmtext *.java *.class Texteditor überarbeiten Laufzeitumgebung java JoE, jedit, Interaktion ProgrA - U. Schroeder 12

7 ProgrA - Lernziele yeigenständige Programmentwicklung für kleine Problemstellungen yprogramm zur Verwaltung und Verarbeitung digitaler Fotos yübungsaufgaben, um einzelne Aspekte separat einzuführen yeinsatz imperativer, prozeduraler und objektorientierter Techniken yentwurf wiederverwendbarer Bausteine ydokumentation der Entwurfsentscheidungen yverwendung und Adaption zur Verfügung stehender Elemente (Bibliotheken) yjava als Ausdrucksmittel Ihres Programms ystartpunkt für weitere Exploration, Neugier ProgrA - U. Schroeder 13 Was bieten wir an? yvorlesung mit ausgesuchten Themen yübungsaufgaben zur Durchführung am Rechner yübungsbetreuung am Rechner (Sprechstunden) ybesprechung der Übungen im Plenum (wöchentlich) ysetzt Ihre aktive Beteiligung voraus! yfolien, Übungen, Lösungshinweise, Tipps, Java Tutorials, Dokumentation,... im WWW http: // progra4all. Informatik. rwth-aachen.de / yverweise auf weiteres online Material und Literaturempfehlungen ycd: Java Entwicklungswerkzeuge, Tutorial, yaktuelle Ankündigungen, Tutorenzuteilung, Sprechzeiten, yjbat Lernumgebung ypraktomat als Sammelstelle und Feed Back zu eingereichten Übungen ProgrA - U. Schroeder 14

8 Programmieren y kann Ihnen niemand beibringen! y müssen Sie aktiv lernen! y erfordert Übung und entsprechenden Einsatz und Durchhaltevermögen ybesprechung der Übungen in der Globalübung ybeteiligen Sie sich aktiv und bewusst ybereiten Sie die knappe Zeit dieser Übung gut vor yanalysieren Sie Ihre Lösung im Vergleich zu den Lösungsvorschlägen im Netz und den Korrekturen und Punkten ybestimmen Sie, welche Aufgaben diskutiert werden sollen; die Zeit reicht nicht, um das komplette Übungsblatt zu besprechen ydie Globalübung ist keine Zusatzvorlesung ProgrA - U. Schroeder 15 Lerninhalte / Themen yüberblick über die Konzepte & Grundlagen einer OO Programmiersprache yerklärung grundlegender Konzepte anhand erster Beispiele yobjektorientierte Grundbegriffe und Denkweisen yentwicklungswerkzeuge für Java / diese Veranstaltung yeinführung in eine Programmiersprache am Beispiel Java ygrundstruktur, Klassendefinition yprogrammiersprachen-konzepte yimperativ, Prozedural und Funktional yobjektbasiert yobjektorientiert ynebenbei: wichtige Bibliothekselemente von Java ystring, GUI Programmierung, Eventhandling yprogrammierpraxis: Standardlösungen der Informatik ProgrA - U. Schroeder 16

9 Aspekte einer Programmiersprache ysyntax yformaler Aufbau eines Programms als Zeichenreihe yfeste Regeln, um diese Sätze zu verarbeiten ( verstehen ) ysemantik ybedeutung eines Programms yfür jedes einzelne Konstrukt einer Sprache y und deren Zusammensetzung ypragmatik ystandardlösungen für bestimmte Aufgabenstellungen yschichtenbildung (Bibliotheken) yberücksichtigung des menschlichen Benutzers (Lesbarkeit) yggf. Anpassung an bestimmte Rechner (Optionen) y ProgrA - U. Schroeder 17 Die Programmiersprache Java yelemente einer objektorientierten Programmiersprache ypakete, Klassen, Methoden, Attribute ybasiskomponenten ytypen und Literale yelementare yselbstdefinierte (Klassen) yschlüsselwörter yprogrammgrößen yvariablen, Konstanten, Deklarationen yausdrücke yoperatoren & Funktionsaufrufe yanweisungen yzuweisungen & Kontrollstrukturen yhöherwertige Konzepte (GUI, Exceptions,...) Struktur Syntax & Semantik der Sprache Pragmatik ProgrA - U. Schroeder 18

10 Grundstruktur eines Java Programms public class A { protected Type instanzvar; public A( ) {... } public void proc( args ) {... } public int func( args ) {... } public static void main( String args[] ) {... } } // class A Ein Java Programm besteht aus einer Menge von Klassendefinitionen Klassen bestehen aus: Attributdefinitionen, Konstruktor, Methodendefinitionen, Anweisungen, Ausdrücke "Hauptprogramm Kommentare class B {... } // class B class C {... } // class C ProgrA - U. Schroeder 19 Beispiel yaufgabe für CNN-Deutschland: Temperaturwerte in Fahrenheit und Celsius anzeigen yumrechnungsformel bei jedem Wert auf der Wetterkarte anwenden Mathematik: Funktion f mit Werte- und Definitionsbereich f: R R f ( x ) = 9 * x / und Rechenvorschrift. Informatik: alles, was man mehr als zweimal ausführen soll wird automatisiert! ProgrA - U. Schroeder 20

11 Beispiel: Konverter-Programm /** /** Das Das Java Java Programm: class classconvert */ */ public class Convert { /** /** c2f c2f konvertiert Celsius in in Fahrenheit. */ */ public double c2f( c2f( double c )){ return c * // ; 32; } // // c2f c2f Kommentare für meschliche Leser Für den Rechner ohne Bedeutung } // // class Convert y Konventionen: (Pragmatik) Klassenname und Dateiname stimmen überein Klassen beginnen mit Großbuchstaben Variablen, Argumente und Methoden mit kleinem, Konstanten ganz groß Wortübergänge durch Großbuchstaben Einrückung der Blöcke {.. } ProgrA - U. Schroeder 21 ymathematik yfunktionsanwendung Beispiel f( 20 ) = 9 * 20 / = 68 ydas formale Argument x aus der Funktionsdefinition wird bei jeder Anwendung ersetzt durch ein aktuelles Argument (ein Wert). ydurchführen der Rechenvorschrift liefert einen Wert aus dem Definitionsbereich ProgrA - U. Schroeder 22

12 /** /** Das Das Java Java Programm: class classconvert */ */ public class Convert { /** /** Hauptprogramm erzeugt Objekt und und ruft ruft Funktion auf. auf. */ */ public static void main(string args[ ]) ]){ new Convert( )).. c2f c2f (( ));; } /** /** Convert konvertiert Celsius in in Fahrenheit. */ */ public double c2f( c2f( double c )){ return c * // ; 32; } // // c2f c2f } // // class Convert Startpunkt: Hauptprogramm (main) y Aufgerufen aus der Shell (oder per Mausclick) y Erzeugt ein Objekt der Klasse Convert und ruft dessen Berechnungsfunktion c2f auf ProgrA - U. Schroeder 23 Ausgabe am Bildschirm /** /** Das Das Java Java Programm: class classconvert */ */ public class Convert { /** /** Hauptprogramm erzeugt Objekt und und ruft ruft Funktion auf. auf. */ */ public static void main(string args[ ]) ]){ System.. out out.. println (( "32 "32 C C = "" + new Convert( )).. c2f c2f (( )) + "" F" F" ); ); } /** /** Convert konvertiert Celsius in in Fahrenheit. */ */ public double c2f( c2f( double c )){ return c * // ; 32; } // // c2f c2f } // // class Convert y und gibt das Ergebnis aus ProgrA - U. Schroeder 24

13 Übersetzen des Programms yübersetzen des Programms (JDK) In der Shell oder aus JoE heraus: Convert_V1 - Demo D:\progra\ueb> javac Convert.java Java Werkzeuge müssen im PATH erreichbar sein Source *.java yanmerkungen: y Groß-/Kleinschreibung beachten! y.java Extension angeben y Datei heißt wie die Klasse Fehlermeldungen javac Compiler yerzeugt wird eine neue Datei Convert.class Bytecode *.class ProgrA - U. Schroeder 25 Programm ausführen Shell (Windows cmd.exe) PATH java\bin Angabe ohne.class Endung führt Bytecode in Convert.class aus ruft dort die Methode main( ) auf ProgrA - U. Schroeder 26