Grundkurs Informatik
Hartmut Ernst Jochen Schmidt Gerd Beneken Grundkurs Informatik Grundlagen und Konzepte für die erfolgreiche IT-Praxis Eine umfassende, praxisorientierte Einführung 6. Auflage 2016
Hartmut Ernst Hochschule Rosenheim Rosenheim, Deutschland Jochen Schmidt Hochschule Rosenheim Rosenheim, Deutschland Gerd Beneken Hochschule Rosenheim Rosenheim, Deutschland ISBN 978-3-658-14633-7 DOI 10.1007/978-3-658-14634-4 ISBN 978-3-658-14634-4 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 1999, 2000, 2003, 2008, 2015, 2016 Die 1. Auflage 1999 und die 2. Auflage 2000 erschienen unter dem Titel Grundlagen und Konzepte der Informatik Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. 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 Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
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 die Darstellung des Stoffes in Lehrbüchern über Wirtschaftsinformatik betrachtet, wird ganz erhebliche Unterschiede 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. Ferner sollte der Zugang zu weiterführenden Büchern und Originalliteratur erleichtert werden. Ziel war nicht ein weiteres Programmierlehrbuch zu schreiben, sondern eine umfassende Einführung in die Informatik. 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. Dieses Lehrbuch versteht sich als praxisnah und anwendungsbezogen, wenn auch nicht in einem an Produkten und kommerziellen Softwaresystemen orientierten Sinne der angewandten Informatik. Vielmehr wurden die Autoren 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 trockenen 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 Anwendungen der Informatik. Und das ist es auch, was der praxisorientierte Informatikanwender von dem breiten Spektrum, das unter dem Begriff 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.
vi Vorwort Doch so wie 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 zwar ihre Früchte, doch sind diese oft leicht verderbliche Ware mit einem kurzfristigen Verfallsdatum. Für ein tiefer gehendes Informatikverständnis genügt eine hauptsächlich an Produkten orientierte Sichtweise daher definitiv nicht. Ohne profundes Hintergrundwissen ist es unmöglich, nachhaltige Entwicklungen von Sackgassen und Modeströmungen zu unterscheiden. Es mag ja sehr verlockend sein, Bill Gates nachzueifern und gleich in der obersten Etage der Informatikbranche 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-naturwissenschaftlichen Fundament. Um den Stamm des Informatikbaumes, die Kerninformatik, geht es in diesem Buch. 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 einzelnen 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 Kap. 2 zunächst die grundlegenden Begriffe Redundanz, Codeerzeugung und Codesicherung erläutert. Dazu gehört auch eine detaillierte Erläuterung der wichtigsten einschlägigen Algorithmen. Anschließend wird auf den in der Praxis besonders wichtigen Aspekt der Codierungstheorie eingegangen, nämlich auf Methoden zur Datenkompression. Kapitel 4 behandelt die Verschlüsselung von Daten. Es wird sowohl auf klassische Verfahren eingegangen als auch auf moderne Methoden zur symmetrischen und asymmetrischen Verschlüsselung. Zusammen mit den Kapiteln 2 und 3 umfasst und vertieft der Stoff den Inhalt entsprechender Grundvorlesungen. Kapitel 5 gibt einen Überblick über die Grundlagen der Computerhardware. Nach einer knappen Einführung in die Aussagenlogik und die boolesche Algebra wird auf Schaltnetze und Schaltwerke eingegangen. Am Schluss des Kapitels steht ein Abschnitt über Maschinensprache und Assembler. In Kapitel 6 geht es dann um Rechnerarchitekturen. Nach Einführung der üblichen Klassifikationsschemata folgt eine Erläuterung der für die Mehrzahl der Rechner noch immer maßgeblichen von-neumann-architektur sowie eine Einführung in die Konzepte der Parallelverarbeitung. Kapitel 7 beschreibt den Aufbau von Rechnernetzen. Zentral ist hier das OSI-Schichtenmodell. Die im Internet verwendeten Übertragungsprotokolle werden erläutert. Kapitel 8 beschreibt Architekturen und die wichtigsten Aufgaben von Betriebssystemen. Am Ende wird auch auf die immer wichtiger werdende Virtualisierung eingegangen. Kapitel 9 bietet einen Überblick über Datenbankkonzepte, mit dem Fokus auf relationalen Datenbanken, der Datenbankabfragesprache SQL sowie XML. Auch Data Warehousing und Data
Vorwort vii Mining werden gestreift. Kapitel 10 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. Am Ende des Kapitels wird ohne Vertiefung des Themas kurz auf Compiler eingegangen. Kapitel 11 baut unmittelbar auf Kap. 10 auf. Zunächst werden die Begriffe Berechenbarkeit und Komplexität erläutert und die Grenzen des mit Computern überhaupt Machbaren aufgezeigt. Es schließen sich Abschnitte über probabilistische Algorithmen und Rekursion an. Die Kapitel 10 und 11 entsprechen zusammen einem Grundkurs in theoretischer Informatik. 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 wichtigen Datenstrukturen Binärbäume, Vielwegbäume und Graphen gewidmet. Die Kapitel 12, 13 und 14.4 decken den Stoff einschlägiger Vorlesungen über Algorithmen und Datenstrukturen ab. Kapitel 14 beginnt mit einer Diskussion der prinzipiellen Struktur höherer Programmiersprachen einschließlich Backus-Naur-Form und Syntaxgraphen. Es folgt ein Überblick über die weit verbreitete Programmiersprache C, der aber keinesfalls speziell diesem Thema gewidmete Lehrbücher ersetzen kann. Die Beschreibung der C-Funktionsbibliothek beschränkt sich auf einige Beispiele. Der letzte Abschnitt befasst sich intensiv mit den Datenstrukturen lineare Listen, Stapel und Warteschlangen. Kapitel 15 bietet eine Einführung in das objektorientierte Paradigma. Exemplarisch wird auf die Sprache Java eingegangen. Kapitel 16 befasst sich mit der Anwendungsprogrammierung im Internet. Neben der Beschreibung grundlegender Technologien liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung von Webanwendungen mit JavaScript. Kapitel 17 gibt einen Überblick über Software-Engineering. Nach einer Beschreibung des Software-Lebenszyklus werden zwei in der Praxis häufig anzutreffende Vorgehensmodelle erläutert, nämlich das V-Modell und Scrum. Hilfsmittel für den Algorithmenentwurf werden vorgestellt. Nachdem die fünfte Auflage komplett überarbeitet und erweitert wurde, enthält die jetzt vorliegende sechste Auflage in erster Linie Korrekturen und Klarstellungen. Herzlichen Dank an unsere aufmerksamen Leser für die Hinweise. Ein Buch schreibt man nicht alleine; etliche Freunde und Kollegen haben uns dabei mit wertvollen Anregungen geholfen. Insbesondere bedanken wir uns bei den Kollegen Ludwig Frank, Helmut Oechslein und Theodor Tempelmeier, deren Hinweise und Sachverstand zur Qualität des Buches wesentlich beigetragen haben; außerdem bei Herrn Alexander Scholz für die tatkräftige Unterstützung bei der Neuerstellung der Zeichnungen. Besonderer Dank gilt unseren Frauen und unseren Familien für die ausgezeichnete Unterstützung während des Buch-Projektes. Rosenheim, Hartmut Ernst 18. Juni 2016 Jochen Schmidt Gerd Beneken
Hinweise zu den Übungsaufgaben An die meisten Kapitel schließen sich Übungsaufgaben an. Die Lösungen sind auf der das Buch ergänzenden Internetseite http://www.gki-buch.de zu finden. Die Übungsaufgaben sind thematisch sowie nach ihrem Schwierigkeitsgrad klassifiziert: T M L P für Textaufgaben, für mathematisch orientierte Aufgaben, für Aufgaben, die logisches und kombinatorisches Denken erfordern, für Programmieraufgaben. 0 bedeutet sehr leicht. Diese Aufgaben können unmittelbar gelöst werden, ggf. mit etwas Blättern im Buch. 1 bedeutet leicht und kennzeichnet Aufgaben, die innerhalb von einigen Minuten mit wenig Aufwand zu lösen sind. 2 bedeutet mittel. Solche Aufgaben erfordern etwas geistige Transferleistung über den Buchinhalt hinaus und/oder einen größeren Arbeitsaufwand. 3 bedeutet schwer und ist für Aufgaben reserviert, die erheblichen Arbeitsaufwand mit kreativen Eigenleistungen erfordern. 4 kennzeichnet sehr schwere Aufgaben und aufwendige Projekte.
Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 1.1 Was ist eigentlich Informatik?... 1 1.2 Zur Geschichte der Informatik... 3 1.2.1 Frühe Zähl- und Rechensysteme... 3 1.2.2 Die Entwicklung von Rechenmaschinen... 4 1.2.3 Die Computer-Generationen... 7 1.3 Prinzipieller Aufbau von Computern... 12 1.3.1 Analog- und Digitalrechner... 12 1.3.2 Das EVA-Prinzip... 12 1.3.3 Zentraleinheit und Busstruktur... 12 1.3.4 Systemkomponenten... 15 1.4 Zahlensysteme und binäre Arithmetik... 17 1.4.1 Darstellung von Zahlen... 17 1.4.2 Umwandlung von Zahlen in verschiedene Darstellungssysteme... 18 1.4.3 Binäre Arithmetik... 24 1.4.4 Gleitkommazahlen... 30 Literatur... 35 2 Nachricht und Information 37 2.1 Abgrenzung der Begriffe Nachricht und Information... 37 2.2 Biologische Aspekte... 39 2.2.1 Sinnesorgane... 39 2.2.2 Datenverarbeitung im Gehirn... 39 2.2.3 Der genetische Code... 40 2.3 Diskretisierung von Nachrichten... 43 2.3.1 Abtastung... 43 2.3.2 Quantisierung... 44 2.4 Wahrscheinlichkeit und Kombinatorik... 47 2.4.1 Die relative Häufigkeit... 47 2.4.2 Die mathematische Wahrscheinlichkeit... 47 2.4.3 Totale Wahrscheinlichkeit und Bayes-Formel... 49 2.4.4 Statistische Kenngrößen... 54 2.4.5 Fakultät und Binomialkoeffizienten... 55 2.4.6 Kombinatorik... 56 2.5 Information und Wahrscheinlichkeit... 60 2.5.1 Der Informationsgehalt einer Nachricht... 60 2.5.2 Die Entropie einer Nachricht... 62 2.5.3 Zusammenhang mit der physikalischen Entropie... 64 Literatur... 68
x Inhaltsverzeichnis 3 Codierung 69 3.1 Grundbegriffe... 69 3.1.1 Definition des Begriffs Codierung... 69 3.1.2 Mittlere Wortlänge und Code-Redundanz... 70 3.1.3 Beispiele für Codes... 71 3.2 Code-Erzeugung... 75 3.2.1 Codebäume... 75 3.2.2 Der Huffman-Algorithmus... 75 3.2.3 Der Fano-Algorithmus... 79 3.3 Codesicherung... 82 3.3.1 Stellendistanz und Hamming-Distanz... 82 3.3.2 m-aus-n-codes... 85 3.3.3 Codes mit Paritätsbits... 85 3.3.4 Fehlertolerante Gray-Codes... 89 3.3.5 Definition linearer Codes... 91 3.3.6 Lineare Hamming-Codes... 94 3.3.7 Zyklische Codes und Code-Polynome... 98 3.3.8 CRC-Codes...100 3.3.9 Sicherung nicht-binärer Codes...103 3.3.10 Reed-Solomon Codes...107 3.4 Datenkompression...115 3.4.1 Vorbemerkungen und statistische Datenkompression...115 3.4.2 Arithmetische Codierung...116 3.4.3 Lauflängen-Codierung...118 3.4.4 Differenz-Codierung...120 3.4.5 Der LZW-Algorithmus...123 3.4.6 Datenreduktion durch unitäre Transformationen (JPEG)...128 Literatur...135 4 Verschlüsselung 137 4.1 Klassische Verfahren...140 4.1.1 Substitutions-Chiffren...140 4.1.2 Transpositions-Chiffren und Enigma...143 4.2 Moderne symmetrische Verfahren...150 4.2.1 Der Data Encryption Standard (DES)...150 4.2.2 Der Advanced Encryption Standard (AES)...151 4.2.3 One-Time-Pads und Stromchiffren...154 4.3 Moderne asymmetrische Verfahren...156 4.3.1 Diffie-Hellman Schlüsselaustausch...156 4.3.2 Der RSA-Algorithmus...160 4.3.3 Digitale Unterschrift...165 Literatur...168 5 Computerhardware und Maschinensprache 169 5.1 Digitale Grundschaltungen...169 5.1.1 Stromkreise...169
Inhaltsverzeichnis xi 5.1.2 Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise...171 5.1.3 Logische Gatter...174 5.2 Boolesche Algebra und Schaltfunktionen...177 5.2.1 Aussagenlogik...177 5.2.2 Der boolesche Verband...179 5.2.3 Das boolesche Normalform-Theorem...181 5.2.4 Vereinfachen boolescher Ausdrücke...182 5.3 Schaltnetze und Schaltwerke...185 5.3.1 Schaltnetze...185 5.3.2 Spezielle Schaltnetze...186 5.3.3 Schaltwerke...189 5.4 Die Funktion einer CPU am Beispiel des M68000...194 5.4.1 Die Anschlüsse der CPU M68000...194 5.4.2 Der innere Aufbau der CPU M68000...199 5.4.3 Befehlsformate und Befehlsausführung...204 5.4.4 Adressierungsarten...208 5.5 Maschinensprache und Assembler...213 5.5.1 Einführung...213 5.5.2 Der Befehlssatz des M68000...214 5.5.3 Programmbeispiele...223 Literatur...226 6 Rechnerarchitektur 227 6.1 Überblick...227 6.2 Die von-neumann-architektur...230 6.2.1 Komponenten eines von-neumann-rechners...230 6.2.2 Operationsprinzip...232 6.3 Befehlssatz...234 6.3.1 Mikroprogramme und CISC...234 6.3.2 Reduced Instruction Set Computer: RISC...235 6.3.3 Abwärtskompatibilität...235 6.4 Klassifikation nach Flynn...236 6.5 Parallelität innerhalb einer Befehlssequenz...238 6.5.1 Fließbandverarbeitung Optimierte Befehlsausführung...238 6.5.2 Superskalare Mikroprozessoren...239 6.5.3 VLIW Very Long Instruction Word...240 6.6 Parallelität in Daten nutzen: Vektorprozessoren und Vektorrechner...240 6.7 Parallele Ausführung mehrerer Befehlssequenzen...241 6.7.1 Simultanes Multi-Threading innerhalb einer CPU...243 6.7.2 Multi-Core-CPU...243 6.7.3 Multiprozessor-Systeme...244 6.7.4 Multicomputer-Systeme...245 6.8 Speicherhierarchie...245 6.8.1 Speichertechnologien: Register, Cache und Hauptspeicher...245 6.8.2 Caching...247 6.8.3 Memory Management Unit und virtueller Speicher...249
xii Inhaltsverzeichnis 6.8.4 Festplatten...249 6.8.5 Flash-Speicher und Solid State Disks...250 6.9 Ein- und Ausgabe...251 6.9.1 Unterbrechungen (Interrupts)...251 6.9.2 Direct Memory Access...252 6.10 Verbindungsstrukturen...253 6.10.1 Gemeinsamer Bus...253 6.10.2 Zugriffsprotokolle für Busse und gemeinsame Speicher...255 6.10.3 Punkt-Zu-Punkt Verbindungen...256 6.10.4 Weitere Verbindungsstrukturen...256 6.10.5 Allgemeine topologische Verbindungsstrukturen...257 6.11 Mikrocontroller und Spezialprozessoren...259 6.11.1 Mikrocontroller...259 6.11.2 Digitale Signalprozessoren...260 6.11.3 Grafikprozessoren...260 Literatur...261 7 Rechnernetze 263 7.1 Das OSI-Schichtenmodell der Datenkommunikation...263 7.2 Bitübertragungsschicht...267 7.3 Technologien der Sicherungsschicht...274 7.3.1 Netze im Nahbereich (PAN)...274 7.3.2 Lokale Netze: LAN und WLAN...275 7.3.3 Vorgriff: Leitungs- und Paketvermittlung...279 7.3.4 Datenfernübertragung und der Zugang zum Internet...281 7.3.5 Die Behandlung von Übertragungsfehlern...286 7.4 Netzwerk- und Transportschicht: TCP/IP und das Internet...287 7.4.1 Überblick über das Internet...287 7.4.2 IP: Internet Protocol...290 7.4.3 TCP: Transmission Control Protocol...292 7.4.4 UDP: User Datagram Protocol...293 7.5 Anwendungsschicht: Von DNS bis HTTP und URIs...294 7.5.1 DNS: Domain Name System...294 7.5.2 E-Mail...295 7.5.3 IRC: Internet Relay Chat...296 7.5.4 FTP: File Transfer Protocol...296 7.5.5 SSH: secure shell und TELNET: teletype network...296 7.5.6 HTTP: Hypertext Transfer Protocol...297 7.5.7 URI: Uniform Resource Identifier...298 Literatur...299 8 Betriebssysteme 301 8.1 Überblick...301 8.1.1 Aufgaben...303 8.1.2 Betriebsarten...304 8.2 Betriebssystem-Architekturen...305
Inhaltsverzeichnis xiii 8.3 Aufgaben eines Betriebssystems im Detail...309 8.3.1 Prozessverwaltung...309 8.3.2 Synchronisation...313 8.3.3 Interprozess-Kommunikation...316 8.3.4 Speicherverwaltung und virtueller Speicher...317 8.3.5 Geräteverwaltung und -treiber...320 8.3.6 Dateiverwaltung...320 8.4 Benutzerschnittstelle: Shell und GUI...322 8.4.1 Kommandozeilen-Interpreter am Beispiel UNIX...322 8.4.2 Besonderheiten am Beispiel der UNIX-Shell...323 8.4.3 Grafische Benutzerschnittstelle...326 8.5 Beispiele für Betriebssysteme...327 8.5.1 Microsoft-Windows...328 8.5.2 UNIX, LINUX und Android...328 8.6 Betriebssystem-Virtualisierung...330 8.6.1 Anwendungsbereiche...331 8.6.2 Hypervisoren...331 8.6.3 Virtuelle Maschinen...333 8.6.4 Grundlegende Aktivitäten der Virtualisierung...334 Literatur...335 9 Datenbanken 337 9.1 Einführung und Definition...337 9.2 Relationale Datenbankmanagement-Systeme...341 9.2.1 Relationen...341 9.2.2 Schlüssel...342 9.2.3 Beziehungen (Relationships)...343 9.3 Relationale Algebra...343 9.4 Die Datenbanksprache SQL...347 9.4.1 SQL als deklarative Sprache...348 9.4.2 Definition des Datenbankschemas...348 9.4.3 Einfügen, Ändern und Löschen von Daten...350 9.4.4 Suchen mit SELECT...351 9.4.5 Programmiersprachen und SQL...352 9.5 NoSQL...353 9.6 Transaktionen, OLTP und ACID...355 9.7 OLAP, Data Warehousing und Data-Mining...356 9.8 Semi-Strukturierte Daten mit XML...362 9.8.1 Der Aufbau von XML-Dokumenten...363 9.8.2 Wohlgeformtheit und Validität...365 9.8.3 XML-Schema...365 9.8.4 XPath...366 9.8.5 XSL: Extended Style Sheet Language...366 Literatur...369
xiv Inhaltsverzeichnis 10 Automatentheorie und formale Sprachen 371 10.1 Grundbegriffe der Automatentheorie...371 10.1.1 Definition von Automaten...371 10.1.2 Darstellung von Automaten...374 10.1.3 Die akzeptierte Sprache von Automaten...376 10.1.4 Kellerautomaten...383 10.1.5 Turing-Maschinen...386 10.2 Einführung in die Theorie der formalen Sprachen...393 10.2.1 Definition von formalen Sprachen...393 10.2.2 Die Chomsky-Hierarchie...394 10.2.3 Das Pumping-Theorem...400 10.2.4 Die Analyse von Wörtern...403 10.2.5 Compiler...409 Literatur...414 11 Algorithmen Berechenbarkeit und Komplexität 415 11.1 Berechenbarkeit...417 11.1.1 Entscheidungsproblem und Church-Turing These...417 11.1.2 Das Halteproblem...420 11.1.3 Satz von Rice und weitere unentscheidbare Probleme...422 11.1.4 LOOP-, WHILE- und GOTO-Berechenbarkeit...423 11.1.5 Primitiv rekursive und μ-rekursive Funktionen...426 11.2 Komplexität...430 11.2.1 Die Ordnung der Komplexität: O-Notation...431 11.2.2 Analyse von Algorithmen...435 11.2.3 Die Komplexitätsklassen P und NP...439 11.2.4 NP-vollständige Probleme...441 11.2.5 Weitere Komplexitätsklassen...445 11.3 Probabilistische Algorithmen...448 11.3.1 Pseudo-Zufallszahlen...448 11.3.2 Monte-Carlo-Methoden...452 11.3.3 Probabilistischer Primzahltest...455 11.4 Rekursion...459 11.4.1 Definition und einführende Beispiele...459 11.4.2 Rekursive Programmierung und Iteration...460 11.4.3 Backtracking...464 Literatur...466 12 Suchen und Sortieren 469 12.1 Einfache Suchverfahren...469 12.1.1 Sequentielle Suche...469 12.1.2 Binäre Suche...470 12.1.3 Interpolationssuche...471 12.1.4 Radix-Suche...473 12.2 Suchen von Mustern in Zeichenketten...474 12.2.1 Musterabgleich durch sequentielles Vergleichen...474
Inhaltsverzeichnis xv 12.2.2 Musterabgleich durch Automaten...475 12.2.3 Die Verfahren von Boyer-Moore und Knuth-Morris-Pratt...476 12.2.4 Ähnlichkeit von Mustern und Levenshtein-Distanz...478 12.3 Gestreute Speicherung (Hashing)...480 12.3.1 Hash-Funktionen...480 12.3.2 Kollisionsbehandlung...482 12.3.3 Komplexitätsberechnung...487 12.4 Direkte Sortierverfahren...489 12.4.1 Vorbemerkungen...489 12.4.2 Sortieren durch direktes Einfügen (Insertion Sort)...492 12.4.3 Sortieren durch direktes Auswählen (Selection Sort)...494 12.4.4 Sortieren durch direktes Austauschen (Bubblesort)...496 12.5 Höhere Sortierverfahren...499 12.5.1 Shellsort...499 12.5.2 Quicksort...500 12.5.3 Vergleich der Sortierverfahren...504 12.6 Sortieren externer Dateien...506 12.6.1 Grundprinzipien des sequentiellen Datenzugriffs...506 12.6.2 Sequentielle Speicherorganisation...509 12.6.3 Direktes Mischen (Direct Merge, Mergesort)...513 12.6.4 Natürliches Mischen (Natural Merge)...516 12.6.5 n-band-mischen...518 Literatur...521 13 Bäume und Graphen 523 13.1 Binärbäume...523 13.1.1 Definitionen...523 13.1.2 Speichern und Durchsuchen von Binärbäumen...525 13.1.3 Binäre Suchbäume...530 13.1.4 Ausgleichen von Bäumen und AVL-Bäume...537 13.1.5 Heaps und Heapsort...541 13.2 Vielwegbäume...548 13.2.1 Rückführung auf Binärbäume...548 13.2.2 Definition von (a,b)-bäumen und B-Bäumen...549 13.2.3 Operationen auf B-Bäumen...552 13.3 Graphen...560 13.3.1 Definitionen und einführende Beispiele...560 13.3.2 Speicherung von Graphen...564 13.3.3 Suchen, Einfügen und Löschen von Knoten und Kanten...570 13.3.4 Durchsuchen von Graphen...571 13.3.5 Halbordnung und topologisches Sortieren...584 13.3.6 Minimal spannende Bäume...587 13.3.7 Union-Find Algorithmen...591 Literatur...595
xvi Inhaltsverzeichnis 14 Höhere Programmiersprachen und C 597 14.1 Zur Struktur höherer Programmiersprachen...597 14.1.1 Überblick über höhere Programmiersprachen...597 14.1.2 Ebenen des Informationsbegriffs in Programmiersprachen...602 14.1.3 Systeme und Strukturen...604 14.2 Methoden der Syntaxbeschreibung...607 14.2.1 Die Backus-Naur Form...607 14.2.2 Syntaxgraphen...611 14.2.3 Eine einfache Sprache als Beispiel: C- -...611 14.3 Einführung in die Programmiersprache C...616 14.3.1 Der Aufbau von C-Programmen...617 14.3.2 Einfache Datentypen...621 14.3.3 Strukturierte Standard-Datentypen...626 14.3.4 Operatoren und Ausdrücke...629 14.3.5 Anweisungen...632 14.3.6 Funktionen...636 14.3.7 Ein- und Ausgabefunktionen...641 14.3.8 Verarbeitung von Zeichenketten...643 14.3.9 Das Zeigerkonzept in C...645 14.4 Sequentielle Datenstrukturen mit C...654 14.4.1 Vorbemerkungen zu Algorithmen und Datenstrukturen...654 14.4.2 Lineare Listen...656 14.4.3 Stapel und Schlangen...660 Literatur...665 15 Objektorientierte Programmiersprachen und Java 667 15.1 Entstehung objektorientierter Sprachen...667 15.2 Einführung in die Programmiersprache Java...670 15.2.1 Grundlegender Aufbau eines Java-Programms...672 15.2.2 Syntax ähnlich wie in C...674 15.2.3 Datentypen und Variablen: Statische Typisierung...675 15.3 Klassen und Objekte...680 15.3.1 Attribute und Methoden...680 15.3.2 Statische Attribute und Methoden...682 15.3.3 Pakete (Packages)...683 15.3.4 Kapselung und Geheimnisprinzip...685 15.3.5 Vererbung und Polymorphie...687 15.4 Fortgeschrittene Java-Themen...690 15.4.1 Generische Klassen, Behälter und Algorithmen...690 15.4.2 Ausnahmen und Fehlerbehandlung...694 15.4.3 Annotationen und Reflection...695 15.4.4 Testgetriebene Entwicklung mit Java...697 15.4.5 Threads, Streams und parallele Verarbeitung...698 15.4.6 Lambda-Ausdrücke und funktionale Programmierung...702 15.4.7 Das Java-Ökosystem...702 Literatur...704
Inhaltsverzeichnis xvii 16 Anwendungsprogrammierung im Internet 707 16.1 Client-Server-Systeme...707 16.2 Grundlegende Technologien...708 16.2.1 HTML...708 16.2.2 DOM: Domain Object Model...714 16.2.3 CSS: Cascading Style Sheets...715 16.3 Webanwendungen...719 16.3.1 HTML Formulare...719 16.3.2 Auswertung von Formularen...721 16.4 JavaScript...723 16.4.1 Grundlegende Eigenschaften...723 16.4.2 Funktionen...725 16.4.3 Objekte und Prototypen...727 16.4.4 JSON: JavaScript Object Notation...729 16.4.5 JavaScript und DOM...730 16.4.6 Ereignisgesteuerte Programmierung mit JavaScript...732 16.4.7 AJAX: Asynchronous JavaScript And XML...733 16.5 Serverseitige Skripte mit PHP...734 16.5.1 Grundlegende Eigenschaften...734 16.5.2 Arrays...736 16.5.3 Funktionen...738 16.5.4 Objektorientierte Programmierung in PHP...740 16.5.5 Datenübergabe von HTML-Formularen an PHP-Skripte...741 16.5.6 Sitzungsdaten: Session und Cookie...742 16.5.7 Datei- und Datenbankzugriff mit PHP...743 Literatur...745 17 Software-Engineering 747 17.1 Überblick...747 17.1.1 Was ist Software?...747 17.1.2 Was bedeutet Engineering?...748 17.1.3 Warum ist Software-Engineering schwierig?...749 17.2 Tätigkeiten im Software-Lebenszyklus...751 17.2.1 Anforderungsanalyse und Spezifikation...751 17.2.2 Architekturentwurf...752 17.2.3 Implementierung...752 17.2.4 Test und Integration...752 17.2.5 Inbetriebnahme...753 17.2.6 Wartung und Weiterentwicklung...753 17.3 Querschnittsdisziplinen...754 17.3.1 Projektmanagement...754 17.3.2 Qualitätsmanagement...755 17.3.3 Konfigurationsmanagement...756 17.4 Vorgehensmodelle...757 17.4.1 Basismodelle...759 17.4.2 V-Modell XT als plangetriebenes Vorgehensmodell...761
xviii Inhaltsverzeichnis 17.4.3 Scrum als agiles Vorgehensmodell (-Framework)...763 17.5 Modelle im Software-Engineering...765 17.5.1 Vom Problem zur Lösung...765 17.5.2 Die Unified Modeling Language...766 17.5.3 Ausgewählte Diagramme der UML im Detail...768 17.6 Hilfsmittel für den Entwurf von Algorithmen...776 17.6.1 Pseudocode...776 17.6.2 Flussdiagramme...776 17.6.3 Struktogramme nach Nassi-Shneiderman...777 17.6.4 Entscheidungstabellen...780 Literatur...783 Index 785 Die Autoren 809