systematischen Verarbeitung von Informationen Was ist Informatik?
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- Curt Acker
- vor 6 Jahren
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1 14 1. Einführung Informatik: Definition und Geschichte, Algorithmen, Turing Maschine, Höhere Programmiersprachen, Werkzeuge der Programmierung, das erste C++ Programm und seine syntaktischen und semantischen Bestandteile
2 Was ist Informatik? 15
3 Was ist Informatik? 15 Die Wissenschaft der systematischen Verarbeitung von Informationen,...
4 Was ist Informatik? 15 Die Wissenschaft der systematischen Verarbeitung von Informationen, insbesondere der automatischen Verarbeitung mit Hilfe von Digitalrechnern. (Wikipedia, nach dem Duden Informatik )
5 Informatik Computer Science 16 Computer science is not about machines, in the same way that astronomy is not about telescopes. Mike Fellows, US-Informatiker (1991)
6 Computer Science Informatik 17 Die Informatik beschäftigt sich heute auch mit dem Entwurf von schnellen Computern und Netzwerken...
7 Computer Science Informatik 17 Die Informatik beschäftigt sich heute auch mit dem Entwurf von schnellen Computern und Netzwerken aber nicht als Selbstzweck, sondern zur effizienteren systematischen Verarbeitung von Informationen.
8 Informatik EDV-Kenntnisse 18 EDV-Kenntnisse: Anwenderwissen Umgang mit dem Computer Bedienung von Computerprogrammen (für Texterfassung, , Präsentationen,... )
9 Informatik EDV-Kenntnisse 18 Informatik: Grundlagenwissen Wie funktioniert ein Computer? Wie schreibt man ein Computerprogramm?
10 Inhalt dieser Vorlesung 19 Systematisches Problemlösen mit Algorithmen und der Programmiersprache C++. Also: nicht nur, aber auch Programmierkurs.
11 Algorithmus: Kernbegriff der Informatik 20 Algorithmus: Handlungsanweisung zur schrittweisen Lösung eines Problems
12 Algorithmus: Kernbegriff der Informatik 20 Algorithmus: Handlungsanweisung zur schrittweisen Lösung eines Problems Ausführung erfordert keine Intelligenz, nur Genauigkeit (sogar Computer können es)
13 Algorithmus: Kernbegriff der Informatik Algorithmus: Handlungsanweisung zur schrittweisen Lösung eines Problems Ausführung erfordert keine Intelligenz, nur Genauigkeit (sogar Computer können es) nach Muhammed al-chwarizmi, Autor eines arabischen Rechen-Lehrbuchs (um 825) Dixit algorizmi... (lateinische Übersetzung) 20
14 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b)
15 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b)
16 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b)
17 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b) Moderner Euklidischer Algorithmus am Beispiel: a b a div b a mod b
18 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b) Moderner Euklidischer Algorithmus am Beispiel: a b a div b a mod b
19 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b) Moderner Euklidischer Algorithmus am Beispiel: a b a div b a mod b
20 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b) Moderner Euklidischer Algorithmus am Beispiel: a b a div b a mod b
21 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b) Moderner Euklidischer Algorithmus am Beispiel: a b a div b a mod b
22 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b) Moderner Euklidischer Algorithmus am Beispiel: a b a div b a mod b
23 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b) Moderner Euklidischer Algorithmus am Beispiel: a b a div b a mod b
24 Der älteste überlieferte Algorithmus ist der Euklidische Algorithmus (aus Euklids Elementen, 3. Jh. v. Chr.) Eingabe: zwei natürliche Zahlen a > b Ausgabe: grösster gemeinsamer Teiler ggt(a, b) Moderner Euklidischer Algorithmus am Beispiel: a b a div b a mod b ggt = 21
25 Computer Konzept Eine geniale Idee: Universelle Turingmaschine (Alan Turing, 1936) Alan Turing 22
26 Computer Umsetzung Z1 Konrad Zuse (1938) ENIAC John Von Neumann (1945) Konrad Zuse John von Neumann 23
27 Speicher für Daten und Programm 25 Folge von Bits aus {0, 1}. Programmzustand: Werte aller Bits. Zusammenfassung von Bits zu Speicherzellen (oft: 8 Bits = 1 Byte).
28 Speicher für Daten und Programm 25 Jede Speicherzelle hat eine Adresse. Random Access: Zugriffszeit auf Speicherzelle (nahezu) unabhängig von ihrer Adresse.
29 Rechengeschwindigkeit In der mittleren Zeit, die der Schall von mir zu Ihnen unterwegs ist... 2 Uniprozessor Computer bei 1GHz 26
30 Rechengeschwindigkeit In der mittleren Zeit, die der Schall von mir zu Ihnen unterwegs ist m arbeitet ein heutiger Desktop-PC mehr als Uniprozessor Computer bei 1GHz 26
31 Rechengeschwindigkeit In der mittleren Zeit, die der Schall von mir zu Ihnen unterwegs ist m = mehr als Instruktionen arbeitet ein heutiger Desktop-PC mehr als 100 Millionen Instruktionen ab. 2 2 Uniprozessor Computer bei 1GHz 26
32 Programmieren Mit Hilfe einer Programmiersprache wird dem Computer eine Folge von Befehlen erteilt, damit er genau das macht, was wir wollen. Die Folge von Befehlen ist das (Computer)-Programm. The Harvard Computers, Menschliche Berufsrechner, ca
33 Warum Programmieren? 30 Da hätte ich ja gleich Informatik studieren können...
34 Warum Programmieren? 30 Es gibt doch schon für alles Programme...
35 Warum Programmieren? 30 Programmieren interessiert mich nicht...
36 Warum Programmieren? 30 Weil Informatik hier leider ein Pflichtfach ist...
37 Warum Programmieren? 30...
38 Darum Programmieren! 31 Jedes Verständnis moderner Technologie erfordert Wissen über die grundlegende Funktionsweise eines Computers.
39 Darum Programmieren! 31 Programmieren (mit dem Werkzeug Computer) wird zu einer Kulturtechnik wie Lesen und Schreiben (mit den Werkzeugen Papier und Bleistift)
40 Darum Programmieren! 31 Programmieren ist die Schnittstelle zwischen Elektrotechnik und Informatik der interdisziplinäre Grenzbereich wächst zusehends.
41 Darum Programmieren! 31 Programmieren macht Spass!
42 Programmiersprachen 32 Sprache, die der Computer "versteht", ist sehr primitiv (Maschinensprache). Einfache Operationen müssen in viele Einzelschritte aufgeteilt werden. Sprache variiert von Computer zu Computer.
43 Höhere Programmiersprachen 32 darstellbar als Programmtext, der von Menschen verstanden werden kann vom Computermodell unabhängig ist Abstraktion!
44 Warum C++? 33 Andere populäre höhere Programmiersprachen: Java, C#, Objective-C, Modula, Oberon,...
45 Warum C++? 33 Andere populäre höhere Programmiersprachen: Java, C#, Objective-C, Modula, Oberon,... Allgemeiner Konsens Die Programmiersprache für Systemprogrammierung: C C hat erhebliche Schwächen. Grösste Schwäche: fehlende Typsicherheit.
46 Warum C++? 34 Over the years, C++ s greatest strength and its greatest weakness has been its C-Compatibility B. Stroustrup
47 Deutsch vs. C++ 35 Deutsch Es ist nicht genug zu wissen, man muss auch anwenden. (Johann Wolfgang von Goethe) C++ // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4
48 Syntax und Semantik 36 Programme müssen, wie unsere Sprache, nach gewissen Regeln geformt werden. Syntax: Zusammenfügungsregeln für elementare Zeichen (Buchstaben). Semantik: Interpretationsregeln für zusammengefügte Zeichen.
49 Syntax und Semantik 36 Entsprechende Regeln für ein Computerprogramm sind einfacher, aber auch strenger, denn Computer sind vergleichsweise dumm.
50 Syntax und Semantik von C++ 38 Syntax Was ist ein C++ Programm? Ist es grammatikalisch korrekt? Semantik Was bedeutet ein Programm? Welchen Algorithmus realisiert ein Programm?
51 Was braucht es zum Programmieren? 40 Editor: Programm zum Ändern, Erfassen und Speichern von C++-Programmtext Compiler: Programm zum Übersetzen des Programmtexts in Maschinensprache
52 Was braucht es zum Programmieren? 40 Computer: Gerät zum Ausführen von Programmen in Maschinensprache Betriebssystem: Programm zur Organisation all dieser Abläufe (Dateiverwaltung, Editor-, Compiler- und Programmaufruf)
53 Das erste C++ Programm // Program: power8.cpp // Raise a number to the eighth power. #include <iostream> int main(){ // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; } 42
54 Verhalten eines Programmes 43 Zur Compilationszeit: vom Compiler akzeptiertes Programm (syntaktisch korrektes C++) Compiler-Fehler
55 Verhalten eines Programmes 43 Zur Laufzeit: korrektes Resultat inkorrektes Resultat Programmabsturz Programm terminiert nicht (Endlosschleife)
56 Kommentare // Program: power8.cpp // Raise a number to the eighth power. #include <iostream> int main() { // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; } 44
57 Kommentare // Program: power8.cpp // Raise a number to the eighth power. #include <iostream> int main() { // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; } Kommentare 44
58 Kommentare und Layout 46 Dem Compiler ist s egal... #include <iostream> int main(){std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; int b = a * a; b = b * b; std::cout << a << "^8 = " << b*b << "\n";return 0;}
59 Kommentare und Layout 46 Dem Compiler ist s egal... #include <iostream> int main(){std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; int b = a * a; b = b * b; std::cout << a << "^8 = " << b*b << "\n";return 0;}... uns aber nicht!
60 Include und Mainfunktion // Program: power8.cpp // Raise a number to the eighth power. #include <iostream> int main() { // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; } 47
61 Include und Mainfunktion // Program: power8.cpp // Raise a number to the eighth power. #include <iostream> Include-Direktive int main() { // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; } 47
62 Include und Mainfunktion // Program: power8.cpp // Raise a number to the eighth power. #include <iostream> int main() { Funktionsdeklaration der main-funktion // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; } 47
63 Anweisungen (Statements) 50 int main() { // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; }
64 Anweisungen (Statements) 50 int main() { // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; Ausdrucksanweisungen // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; }
65 Anweisungen (Statements) 50 int main() { // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; Rückgabeanweisung }
66 Anweisungen Werte und Effekte 54 int main() { // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0; } Effekt: Ausgabe des Strings Compute... Effekt: Eingabe einer Zahl und Speichern in a Effekt: Speichern des berechneten Wertes von a*a in b Effekt: Speichern des berechneten Wertes von b*b in b Effekt: Rückgabe des Wertes 0 Effekt: Ausgabe des Wertes von a und des berechneten Wertes von b*b
67 Anweisungen Variablendefinitionen 56 int main() { // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; Typnamen } %%<< int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 Deklarationsanweisungen b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b b << "\n"; return 0;
68 Variablen 61 repräsentieren (wechselnde) Werte, haben Name Typ Wert Adresse sind im Programmtext "sichtbar".
69 Variablen 61 repräsentieren (wechselnde) Werte, haben Name Typ Wert Adresse sind im Programmtext "sichtbar". Beispiel int a; definiert Variable mit Name: a Typ: int Wert: (vorerst) undefiniert Addresse: durch Compiler (und Linker, Laufzeit) bestimmt
70 Objekte 62 repräsentieren Werte im Hauptspeicher haben Typ, Adresse und Wert (Speicherinhalt an der Adresse), können benannt werden (Variable) aber auch anonym sein. Anmerkung Ein Programm hat eine feste Anzahl von Variablen. Um eine variable Anzahl von Werten behandeln zu können, braucht es "anonyme" Adressen, die über temporäre Namen angesprochen werden können.
71 Ausdrücke (Expressions) 64 repräsentieren Berechnungen
72 Ausdrücke (Expressions) 64 repräsentieren Berechnungen sind entweder primär (b)
73 Ausdrücke (Expressions) 64 repräsentieren Berechnungen sind entweder primär (b) oder zusammengesetzt (b*b)...
74 Ausdrücke (Expressions) 64 repräsentieren Berechnungen sind entweder primär (b) oder zusammengesetzt (b*b) aus anderen Ausdrücken, mit Hilfe von Operatoren
75 Ausdrücke (Expressions) 64 repräsentieren Berechnungen sind entweder primär (b) oder zusammengesetzt (b*b) aus anderen Ausdrücken, mit Hilfe von Operatoren Analogie: Baukasten
76 Ausdrücke (Expressions) 65 // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b * b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a<< "^8 = " << b * b << ".\ n"; return 0;
77 Ausdrücke (Expressions) // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; Variablenname, primärer Ausdruck // computation int b = a a; // b = a^2 b = b * b; // b = a^4 Variablenname, primärer Ausdruck // output b b, i.e., a^8 std::cout << a<< "^8 = " << b * b << ".\ n"; return 0; Literal, primärer Ausdruck 65
78 Ausdrücke (Expressions) 65 Zusammengesetzer Ausdruck // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b * b; // b = a^4 Zusammengesetzer Ausdruck // output b b, i.e., a^8 std::cout << a<< "^8 = " << b * b << ".\ n"; return 0;
79 Ausdrücke (Expressions) 65 // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; Zweifach // b zusammengesetzter = a^2 Ausdruck b = b * b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a<< "^8 = " << b * b << ".\ n"; return Vierfach 0; zusammengesetzter Ausdruck
80 L-Werte und R-Werte 68 // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b * b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a<< "^8 = " << b * b << ".\ n"; return 0;
81 L-Werte und R-Werte 68 // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; L-Wert // computation int b = a a; L-Wert // b = a^2 b = b * b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a<< "^8 = " << b * b << ".\ n"; return 0; R-Wert
82 68 L-Werte und R-Werte R-Wert // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b * b; // b = a^4 R-Wert // output b b, i.e., a^8 std::cout << a<< "^8 = " << b * b << ".\ n"; return 0;
83 L-Werte und R-Werte 69 L-Wert ( Links vom Zuweisungsoperator ) Ausdruck mit Adresse Wert ist der Inhalt an der Speicheradresse entsprechend dem Typ des Ausdrucks.
84 L-Werte und R-Werte 69 L-Wert ( Links vom Zuweisungsoperator ) Ausdruck mit Adresse Wert ist der Inhalt an der Speicheradresse entsprechend dem Typ des Ausdrucks. L-Wert kann seinen Wert ändern (z.b. per Zuweisung). Beispiel: Variablenname
85 L-Werte und R-Werte 70 R-Wert ( Rechts vom Zuweisungsoperator ) Ausdruck der kein L-Wert ist Beispiel: Literal 0
86 L-Werte und R-Werte 70 R-Wert ( Rechts vom Zuweisungsoperator ) Ausdruck der kein L-Wert ist Beispiel: Literal 0 Jeder L-Wert kann als R-Wert benutzt werden (aber nicht umgekehrt).
87 L-Werte und R-Werte 70 R-Wert ( Rechts vom Zuweisungsoperator ) Ausdruck der kein L-Wert ist Beispiel: Literal 0 Jeder L-Wert kann als R-Wert benutzt werden (aber nicht umgekehrt). Jedes e-bike kann als normales Fahrrad benutzt werden, aber nicht umgekehrt.
88 L-Werte und R-Werte 70 R-Wert ( Rechts vom Zuweisungsoperator ) Ausdruck der kein L-Wert ist Beispiel: Literal 0 Jeder L-Wert kann als R-Wert benutzt werden (aber nicht umgekehrt). R-Wert kann seinen Wert nicht ändern.
89 Operatoren und Operanden 71 // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b * b << "\n"; return 0;
90 71 Operatoren und Operanden Linker Operand (Ausgabestrom) // input Ausgabe-Operator Rechter Operand (String) std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b * b << "\n"; return 0;
91 Operatoren und Operanden 71 // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; Rechter Operand (Variablenname) Eingabe-Operator // computation Linker Operand (Eingabetrom) int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b * b << "\n"; return 0;
92 Operatoren und Operanden 71 // input std::cout << "Compute a^8 for a =? "; int a; std::cin >> a; // computation int b = a a; // b = a^2 b = b b; // b = a^4 Zuweisungsoperator // output b b, i.e., a^8 std::cout << a << "^8 = " << b * b << "\n"; return 0; Multiplikationsoperator
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