Überblick über die Veranstaltung
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Technische Universität Braunschweig Institut für Programmierung und Reaktive Systeme Dr. Werner Struckmann 21. Juli 2014 Programmieren Übersicht Programmieren I Art der Veranstaltung: Wintersemester, Bachelor, 6 LP, 2 VL + 2 UE + Rechnerübung Kurzbeschreibung: In der Vorlesung »Programmieren I« werden die Grundlagen der imperativen und objektorientierten Programmierung anhand der Programmiersprache »Java« vermittelt und in der Übung, in der die Teilnehmer kleine Programme selbstständig entwickeln sollen, angewendet. Stichwörter: Algorithmen und Programme, Programmiersprachen, Grundlagen der imperativen und objektorientierten Programmierung, Java, primitive Datentypen, Referenztypen, Felder und Zeichenketten, Anweisungen, Klassen, Objekte, (statische) Attribute, (statische) Methoden, Konstruktoren, Vererbung, Schnittstellen, abstrakte Klassen, Beziehungen zwischen Klassen und Objekten, Rekursion, Ausnahmebehandlung, Programmkorrektheit, Test von Programmen, Ein- und Ausgabe. Termine: Beginn: Fr. 19. Oktober 2012 Vorlesung: Mo. 15:00–16:30 Uhr PK 15.1 Übung: Do. 08:00–09:30 Uhr PK 15.1 Sprechstunde: Mi. 10:30–11:30 Uhr IZ 244 Programmieren II Art der Veranstaltung: Sommersemester, Bachelor, 6 LP, 2 VL + 2 UE + Rechnerübung Kurzbeschreibung: Der zweite Teil der Veranstaltung erweitert und vertieft die im ersten Semester erworbenen Kenntnisse. In den Übungen werden Datenstrukturen wie Listen, Bäume und Graphen sowie Such- und Sortierverfahren programmiert. Darüber hinaus werden die Grundlagen der Parallel- und der Grafikprogrammierung behandelt. Stichwörter: Strukturierung von Programmen, Vertiefung der objektorientierten Programmierung, Aufzählungstypen, Annotationen, weiterführende Sprachkonzepte von Java, Datenstrukturen, generische Klassen, Listen, Bäume, Graphen, Hashverfahren, Such- und Sortierverfahren, Parallelprogrammierung, Grafikprogrammierung, Überblick über C und C++, Zeiger, Mehrfachvererbung, Überladen von Operatoren, Ausblick. Termine: Beginn: Di. 15. April 2014 Vorlesung: Di. 08:00–09:30 Uhr SN 19.1 Übung: Fr. 11:30–13:00 Uhr PK 15.1 Sprechstunde: Mi. 10:30–11:30 Uhr IZ 244 Diese Datei wird im Laufe des Semesters wöchentlich aktualisiert! Gliederung der Veranstaltung Vorbemerkungen 1 Algorithmus und Programm 1.1 Vom Algorithmus zum Programm 1.2 Programmiersprachen 1.3 Korrektheit, Komplexität und Entscheidbarkeit 1.4 Software-Grundlagen 2 Erste Schritte in Java 3 Java: Grundlagen der Sprache 3.1 Lexikalische Elemente 3.2 Datentypen und Variable 3.3 Ausdrücke 3.4 Speicherung von Werten 3.5 Anweisungen 3.6 Beispiele aus der Praxis 3.7 Ein Blick auf imperatives Programmieren 4 Objektorientierte Programmierung in Java 4.1 Klassen, Objekte und Methoden 4.2 Vererbung 4.3 Modifikatoren 4.4 Klassenvariable und statische Methoden 4.5 Abstrakte Klassen 4.6 Schnittstellen 4.7 Zusammenfassung 5 Rekursion/Funktionale Programmierung 5.1 Einführung und Begriffe 5.2 Beispiele rekursiver Methoden in Java 5.3 Ein Blick auf funktionales Programmieren 6 Zuverlässigkeit von Programmen 6.1 Behandlung von Ausnahmesituationen 6.2 Grundlagen der Programmverifikation 6.3 Die Zusicherungsanweisung 6.4 Testen von Programmen 7 Klassen und Methoden zur Ein- und Ausgabe –2– 8 Weiterführende Sprachkonzepte von Java 8.1 Lokale und anonyme Klassen 8.2 Weiteres zu den Wrapper-Klassen 8.3 Aufzählungstypen 8.4 Die Klassen String, StringBuffer und StringTokenizer 8.5 Strukturierung von Programmen 8.6 Annotationen Zwischenstand 9 Java und Datenstrukturen 9.1 Lineare Listen 9.2 Generische Datentypen 9.3 Keller und Schlangen 9.4 Graphen 9.5 Suchen und Sortieren 9.6 Hash-Verfahren 9.7 Persistenz von Daten 9.8 Das Java Collections Framework 10 Parallelprogrammierung in Java 10.1 Das Problem des gegenseitigen Ausschlusses 10.2 Grundlagen und Begriffe 10.3 Verwaltung von Threads 10.4 Kommunikation und Synchronisation 10.5 Die speisenden Philosophen 10.6 Das Concurrent-Paket 11 Grafikprogrammierung in Java 11.1 Grundlagen 11.2 Grafische Grundelemente 11.3 Fensterklassen 11.4 Ereignisse und Widgets 11.5 Applets 11.6 Die Swing-Klassen 12 Ausblick 12.1 Objektorientierte Programmierung: Entwurfsmuster 12.2 Programmierparadigmen und -sprachen 12.3 Gegenstände der Softwaretechnik Quellenverzeichnis –3– A Übungen, Ergänzungen, Fallstudien, Wiederholungen A.1 Unix-Grundlagen A.2 Algorithmen: Korrekheit, Komplexität A.3 Vom Algorithmus zum Programm: Programmentwicklung A.4 Regeln zur Formatierung von Java-Programmen A.5 Java-Operatoren A.6 Felder A.7 Fallstudie: Komplexität von Algorithmen (1) A.8 Fallstudie: Objektorientierung (Polynome) A.9 Abstraktion und Modellierung A.10 Objektorientierte Konzepte und Fallstudie (Punkte, Geraden) A.11 Fallstudie: Abstrakte Klassen (Funktionen) A.12 Berechenbarkeit (1) A.13 Fallstudie: Komplexität von Algorithmen (2) A.14 Zwei erste Beispiele für grafische Oberflächen A.15 Programmtest mit JUnit A.16 Die Osterformel von Gauß A.17 Einige Programme des JDK A.18 Polymorphismus A.19 Alias-Name, Gültigkeit, Sichtbarkeit und Lebensdauer A.20 Fallstudie: Graphen, Breitensuche (Zusammenhangskomponenten) A.21 Algorithmen und Datenstrukturen (Übersicht) A.22 Abstrakte Datentypen (ADT) A.23 Fallstudie: Mergesort, Divide-and-Conquer, Generizität A.24 Fallstudie: Keller (Klammerstrukturen) A.25 Die Programmiersprache C A.26 Wiederholung: Paradigmen und Sprachen (Übersicht) A.27 Wiederholung: Vom Algorithmus zum Programm A.28 Skriptsprachen, C-Shell, JavaScript A.29 Fallstudie: Bäume (AVL-Bäume) A.30 Berechenbarkeit (2) B Themen der Übungsaufgaben B.1 1. Übungsblatt B.2 2. Übungsblatt B.3 3. Übungsblatt B.4 4. Übungsblatt B.5 5. Übungsblatt B.6 6. Übungsblatt B.7 7. Übungsblatt B.8 8. Übungsblatt B.9 9. Übungsblatt B.10 10. Übungsblatt B.11 11. Übungsblatt B.12 12. Übungsblatt –4– B.13 13. Übungsblatt B.14 14. Übungsblatt –5– Vorbemerkungen Informatik als Wissenschaft; inhaltlicher Überblick über die Vorlesung; organisatorische Aspekte; Literaturempfehlungen. 1 Algorithmus und Programm 1.1 Vom Algorithmus zum Programm Algorithmusbegriff; Spezifikation; Eigenschaften von Algorithmen; Algorithmus und Programm; Programmiersprache; programmieren; grundlegende Aspekte der Entwicklung von Algorithmen: Paradigma, Komplexität, Korrektheit, Verifikation, Berechenbarkeit, Entscheidbarkeit, Church’sche These, Entwurf von Algorithmen, abstrakter Datentyp, Varianten des Algorithmusbegriffs, Hinweis auf Standardalgorithmen; Paradigmen zur Algorithmenbeschreibung: imperativ, funktional, objektorientiert und logisch; weitere Paradigmenbegriffe: prozedural, deklarativ, hybrid; Beispiel eines imperativen Algorithmus; der Algorithmus von Euklid; Zustand; Zustandstransformation; Datenstrukturen; Typsystem; natürliche und künstliche Sprachen; Sprachen der Informatik. 1.2 Programmiersprachen Entwicklung der Programmiersprachen; Definition von Programmiersprachen; lexikalische Struktur; Syntax; Semantik; Pragmatik; Klassifikation der Programmiersprachen: Maschinensprachen, Assembler und problemorientierte Sprachen; Implementierung von Programmiersprachen: Interpreter, Compiler, Mischverfahren, Just-in-Time-Compiler; Verarbeitung von Java-Programmen. 1.3 Korrektheit, Komplexität und Entscheidbarkeit Spezifikation; Korrektheit; partielle und totale Korrektheit; Verifikation; Nachweis der partiellen und totalen Korrektheit des Algorithmus von Euklid; Schleifeninvariante; Test; Validation; Komplexität; Komplexität des Algorithmus von Euklid; O-Notation, landausche Symbole; Entscheidbarkeit; Herleitung der Komplexität eines Sortieralgorithmus; Halteproblem; Nachweis der Unentscheidbarkeit des Halteproblems; Berechenbarkeit; Existenz nicht berechenbarer Funktionen. 1.4 Software-Grundlagen Aufbau eines Rechners; Systemsoftware; Anwendungssoftware; Softwarewerkzeuge; Betriebssystem; textuelle und grafische Oberfläche; wichtige Betriebssysteme; Dateiverwaltungssystem; Editor; Programmierwerkzeuge; Programmierumgebungen. –6– 2 Erste Schritte in Java Abstraktion; Modellbildung; Beispiel: Kontoverwaltung; Klassen- und Objektdiagramm; Kommentare; Klasse; Objekt; Attribut; Methode; Parameter; Rückgabewert; Variable; Konstruktor; Applikation; main-Methode; Hinweis auf Applets; Regeln zur Code-Formatierung; Programmkommentare; der Dokumentationsgenerator javadoc; objektorientierte Programmiersprachen; der Algorithmus von Euklid als statische Methode; Sprachmerkmale von Java; Entwicklung von Java; einige Java-Konzepte; einige Programme des JDK; Zusammenfassung der Einführung. 3 Java: Grundlagen der Sprache 3.1 Lexikalische Elemente Lexik; Lexem; Eingabezeichen; Unicode, Unicode-Transformationsformat; Ausgabe von Systemeigenschaften; Kommentare; Dokumentationskommentare; Bezeichner (identifier); Regeln zur Wahl von Bezeichnern; Literale; Wahrheitswerte; Zahlen; Zeichen; Zeichenketten; Null-Literal; Schlüsselwörter; reservierte Wörter; Trennzeichen; Operatoren; Interpunktionszeichen. 3.2 Datentypen und Variable Struktur von Java-Programmen; Übersicht über die Datentypen; primitive Datentypen: boolean, char, byte, short, int, long, float, double; Wertebereiche und Literale der primitiven Datentypen; Variable; Instanz- und Klassenvariable; lokale Variable; Deklaration und Initialisierung von Variablen; Lebensdauer; Sichtbarkeit; Arrays; Deklaration, Allokation und Initialisierung von Arrays; mehrdimensionale Arrays; Strings; Referenztypen; Erzeugung von Objekten; Zuweisung von Referenztypen; Vergleich von Referenztypen; Garbage Collector; die Begriffe »statisch«, »dynamisch« und »semidynamisch«; einschränkende und erweiternde Typkonvertierungen; Typkonvertierungen für primitive Datentypen; impliziter und expliziter Cast. 3.3 Ausdrücke Ausdruck; Operand; Operator; Stelligkeit eines Operators; Rückgabewert; Priorität eines Operators; Linksassoziativität; Rechtsssoziativität; Seiteneffekt; Auswertungsreihenfolge; arithmetische, relationale und logische Operatoren; ganzzahlige Division; Zuweisungsoperatoren; Fragezeichen-Operator; cast-Operator; weitere Operatoren; Vorrangregeln für Operatoren. 3.4 Speicherung von Werten Beispiele für fehlerhafte Rechnungen mit einem Java-Programm; Speicherung von Information; Byte Order; big endian, little endian; ASCII- und ISO-Latin-1-Zeichensatz; UnicodeZeichensatz; Unicode-Transformations-Formate (UTF); Speicherung ganzzahliger Daten- –7– typen; Zweierkomplement; Gleitkommadarstellung reeller Zahlen und ihre Problematik; Beispiel; Summe von Zahlen unterschiedlicher Größenordnung; Auslöschung; Vergleich von Gleitkommazahlen; Java-Beispiel; Pseudoarithmetik; Speicherung von primitiven und Referenztypen; schematisches Speicherbild. 3.5 Anweisungen Die Java Language Specification; Beispiele aus dem Kapitel zur Syntax; Übersicht über die Java-Anweisungen; elementare Anweisungen; leere Anweisung; Block; Variablendeklaration; definite assignment; Datenflussanalyse; Ausdruck als Anweisung; If- und SwitchAnweisung; While- und Do-Anweisung; abweisende und nicht abweisende Schleifen; ForAnweisung; erweiterte For-Anweisung; Break- und Continue-Anweisungen mit Marken; Return-Anweisung; Beispiele: größter Teiler einer Zahl, Primzahlberechnung, Vertauschen zweier Werte, Maximum zweier Zahlen, Maximum dreier Zahlen, Maximum eines Feldes, Summe ganzer Zahlen, Summe der Elemente eines Felds; Summe der Elemente einer Matrix; Betrag einer Zahl, Fakultät einer Zahl, Potenz, Fibonacci-Folge. 3.6 Beispiele aus der Praxis Vertiefung der bisher behandelten Sprachkonzepte an Beispielen aus verschiedenen Gebieten: Berechnung von Zinseszinsen; Teilbarkeit; Darstellung einer natürlichen Zahl zu einer beliebigen Basis; schnelle Exponentiation; Horner-Schema; Skalarprodukt von Vektoren; Länge eines Vektors; Produkt von Matrizen; Nullmatrix; Beispiel zu Break- und Continue-Anweisungen mit Marken; Newton-Verfahren zur Nullstellenbestimmung; Bubblesort; Erzeugung von Pseudozufallszahlen mit der linearen Kongruenzmethode. 3.7 Ein Blick auf imperatives Programmieren Variable; Zustand; Wertzuweisung; Sequenz; Selektion; Iteration; Ein- und Ausgabe; Zustand eines Objekts; Zustand des Programms; der Algorithmus von Euklid in imperativer Fassung in den Sprachen Java, JavaScript, Pascal, C, Modula-2 und Scheme; Ausblick auf Konzepte imperativer Programmiersprachen: Funktionen, Prozeduren, Datentypen, Module, Ausnahmebehandlung, Parallelverarbeitung; Algorithmus von Euklid: imperative vs. funktionale Version, funktionale Variante in Scheme und Haskell. 4 Objektorientierte Programmierung in Java 4.1 Klassen, Objekte und Methoden Objekt; Zustand; statische und dynamische Eigenschaften; Schnittstelle; Dienst eines Objekts; Nachricht; wert- und identitätsbasierte Objektmodelle; Kapselung und Geheimnisprinzip; Abstraktion und Modellierung; Klasse; Objekt; Instanz; Methode; Membervariable; Instanzvariable; Attribut; Erzeugung und Initialisierung von Objekten; Deklaration von Variablen und Methoden; Zuweisung von Objekten; Semantik von Variablen und Zuweisungen; Storage-Semantik; Assignment-by-sharing; Parameter einer Methode; –8– Aufruf einer Methode; Punktnotation; this-Zeiger; Parameterübergabe; Rückgabewert einer Methode; Überladen von Methoden; Signatur einer Methode; Konstruktoren; DefaultKonstruktor; Verkettung von Konstruktoren; Destruktoren; get-/set-Methoden; toString; equals; typischer Aufbau einer Klasse; Beispiele: Adresskartei, Horner-Schema, Aufruf von Methoden, Bubblesort, Newton-Verfahren, Methoden mit einer variablen Parameterzahl; Fallstudie: Polynomarithmetik. 4.2 Vererbung Beziehungen zwischen Klassen; Vierecke und ihre Beziehungen; einfache Vererbung; Basisklasse; Oberklasse; abgeleitete Klasse; Unterklasse; Spezialisierung; Generalisierung; Zuweisungen; Polymorphie; Verdecken von Variablen; Überlagern von Methoden; dynamische Methodensuche; die super-Notation; die Klasse Object; die Methode String toString(); die Methode boolean equals(); die Methode Object clone(); Konstruktoren; der Superklassenkonstruktor; Reihenfolge der Aufrufe von Konstruktoren; finale Klassen; Vererbungshierarchien; Vererbungshierarchien als gerichtete Bäume; mehrfache Vererbung; Klassendiagramm; Objektdiagramm; Beziehungen zwischen Klassen und Objekten: der instanceof-Operator; Beziehungen zwischen Objekten: Assoziation, Kardinalität, Multiplizität, Aggregation, Komposition. 4.3 Modifikatoren Modifikator; die Modifikatoren public, final und abstract für Klassen; die Modifikatoren public, private, protected, static, final und abstract für Variable und Methoden; Bemerkungen zum Einsatz von Modifikatoren; Hinweis auf weitere Modifikatoren. 4.4 Klassenvariable und statische Methoden Klassenvariable; Deklaration und Zugriff; Beispiel: Objektzähler; Konstante; Klassenmethoden; Deklaration und Zugriff; Beispiele: Objektzähler, Tabelle der Quadratwurzeln; die Methode main und ihr Argument; statische Konstruktoren; utility class. 4.5 Abstrakte Klassen Abstrakte und konkrete Methoden; abstrakte und konkrete Klassen; Fallbeispiel für abstrakte Klassen und Polymorphismus: Gehaltsberechnung; polymorphe Methoden in Konstruktoren. 4.6 Schnittstellen Definition einer Schnittstelle; Implementierung einer Schnittstelle; Beispiel; das Interface Comparable; Aussage der API über die Methode compareTo; die Klasse String; kleinstes Element und Bubblesort als Beispiele; Generizität; mehrfache Implementierung; Schnittstellen und Vererbung; Verwendung von Schnittstellen; Konstanten. –9– 4.7 Zusammenfassung Wiederholung, Überblick und Zusammenfassung über objektorientiertes Programmieren; Vorteile der Vererbung; Vorgehensweise beim objektorientierten Programmieren. 5 Rekursion/Funktionale Programmierung 5.1 Einführung und Begriffe Rekursives Konzept; Fakultät; Motivierendes Beispiel: Berechnung der Quersumme einer natürlichen Zahl durch eine iterative und eine rekursive Methode; partielle und totale Funktionen; Definitionsbereich; Möglichkeiten zur Definition von Funktionen: Tabelle, Ausdruck; rekursive Definitionen; Ersetzungssystem; Auswertung; Formen der Rekursion: lineare Rekursion, Endrekursion, Baumrekursion, geschachtelte Rekursion, verschränkte oder wechselseitige Rekursion; Beispiele: Fakultät, Fibonacci-Folge, Algorithmus von Euklid, schnelle Exponentiation, Summe, Skalarprodukt; dynamische Algorithmen; operationelle und denotationale Semantik einer rekursiven Definition; Innermost-, Outermost- und Mixed-Auswertung; Ackermann-Funktion. 5.2 Beispiele rekursiver Methoden in Java Fallbeispiele rekursiver Methoden: Newton-Verfahren, Intervallschachtelung (Bisektion), Geldwechsel, Türme von Hanoi, das Acht-Damen-Problem; der Fragezeichen-Operator; for-Anweisungen mit Initialisierungs- und Update-Listen; Wiederholung des BubblesortAlgorithmus; Quicksort; Wrapper-Klassen der primitiven Datentypen; einige Konstruktoren und Methoden der Wrapper-Klassen; Autoboxing und Unboxing. 5.3 Ein Blick auf funktionales Programmieren Funktionen höherer Ordnung; funktionale Algorithmen; funktionale Programmiersprachen; Lisp und Scheme; funktionale Version des Algorithmus von Euklid; Haskell; Algorithmus von Euklid in Scheme und Haskell; Zusammenfassung der Aspekte. 6 Zuverlässigkeit von Programmen Motivation. 6.1 Behandlung von Ausnahmesituationen Die Ausnahmen ArithmeticException und ArrayIndexOutOfBoundsException; Behandlung von Ausnahmen; Beispiele für Ausnahmen; grundlegende Begriffe: Ausnahme, Auslösen einer Ausnahme, Behandeln einer Ausnahme; die try-catch-Anweisung; prinzipielle Vorgehensweise; die Methode parseInt; Beispiel: Zahldarstellung zu verschiedenen Basen; Fehlerobjekte; Fortsetzen nach einer Ausnahme; mehrere catch-Klauseln; die finallyKlausel; die catch-or-throw-Regel; Weitergabe einer Ausnahme; die throws-Klausel; die – 10 – Klassen Throwable, Error, Exception, RuntimeException und ArithmeticException; die throw-Anweisung; Erzeugen und Auslösen von Ausnahmen; eigene Fehlerklassen; Beispiele; wichtige Javadoc-Markierungen. 6.2 Grundlagen der Programmverifikation Hoare’sche Logik; Hoare’scher Kalkül; Nachbedingung; Vorbedingung; Schleifeninvariante; Axiomenschema; Ableitungsregeln; Zustand; partielle und totale Korrektheit; Korrektheit und relative Vollständigkeit des Kalküls; Beispiele: ganzzahlige Division mit Rest, schnelle Exponentiation; abessinische Bauernmethode zur Multiplikation ganzer Zahlen. 6.3 Die Zusicherungsanweisung Die assert-Anweisung; Aufruf des Compilers und des Interpreters; Anwendungen der assert-Anweisung; Beispiel: ganzzahlige Division mit Rest; Anwendung in öffentlichen Methoden; Anwendung in privaten Methoden; Nachbedingungen; Vorbedingungen; Schleifeninvariante; Kontrollflussinvariante; komplexe Zusicherungen; Klasseninvariante; bedingte Übersetzung; Ausschalten von Zusicherungen; Seiteneffekte; Einschalten von Zusicherungen. 6.4 Testen von Programmen Phasen der Software-Entwicklung; Modelle der Software-Entwicklung; Dokumente; Modellierungssprachen; UML; Struktur- und Verhaltensdiagramme; Werkzeuge; Spezifikation; Verifikation; Sicherheits- und Lebendigkeitseigenschaften; Validierung; Test; systematisches Testen; Modultest; Integrationstest; Auswahl der Testdaten; Black- und WhiteBox-Tests; Überdeckungsmaße für White-Box-Tests; JUnit: Einführung mit Beispiel. 7 Klassen und Methoden zur Ein- und Ausgabe Möglichkeiten zur Ein- und Ausgabe von Daten; Grundlagen; wahlfreier und sequentieller Zugriff; Streams; Byte- und Character-Streams; Öffnen und Schließen einer Datei; Brückenklassen; die Stream-Basisklassen; die Klasse PrintStream; die Klasse System; die Methode exit; System.out, System.in und System.err; Properties; Ausgabe auf dem Bildschirm; Ausgabe in eine Datei; Eingabe von der Tastatur; Lesen aus einer Datei; Pufferung der Ein- und Ausgabe; die Klasse File; Transaktion; Anlegen und Löschen einer Datei; Zugriff auf den Pfadnamen; Informationen über eine Datei; Ändern von Verzeichniseinträgen; Beispiel: rekursiver Durchlauf durch ein Verzeichnis; formatierte Ausgabe; Formatstring; Steuerzeichen; die Klasse Scanner. – 11 – 8 Weiterführende Sprachkonzepte von Java 8.1 Lokale und anonyme Klassen Lokale Klassen; Definition und Benutzung lokaler Klassen; Beispiel; statische lokale Klassen; anonyme Klassen; Beispiel; Realisierung von Funktionen höherer Ordnungen durch Schnittstellen; Beispiel für anonyme Klassen; Erweiterung des new-Operators; Anwendung lokaler und anonymer Klassen. 8.2 Weiteres zu den Wrapper-Klassen Wiederholung der Datentypen; Wrapper-Klassen zu den primitiven Datentypen; Konstruktoren der Wrapper-Klassen; Wertrückgabe; parse-Methoden; Konstante und weitere Methoden; die Klasse Integer als Beispiel; Autoboxing und Unboxing. 8.3 Aufzählungstypen Motivation; Aufzählungstypen; Enum-Klassen; Eigenschaften und Methoden der Aufzählungstypen; selbstdefinierte Methoden in Enum-Klassen; Datenfelder in Enum-Klassen; Enum-Konstruktoren; Anwendungsmöglichkeiten für Enum-Klassen; Beispiel: Berechnung des Wochentags eines gegebenen Datums. 8.4 Die Klassen String, StringBuffer und StringTokenizer Wiederholung und Erweiterung der Klasse String; Konstruktoren; Methoden zur Zeichenextraktion, zum Vergleich, zum Suchen und Ersetzen sowie Konvertierungsfunktionen; die Klasse StringBuffer; Unterschiede zur Klasse String; Konstruktoren; einige Methoden der Klasse StringBuffer; Beipiel: Effizienzsteigerung bei häufiger Konkatenation; die Klasse StringTokenizer; Konstruktoren und einige Methoden; Beispiel. 8.5 Strukturierung von Programmen Programmelemente von Java; Pakete; Applikationen; Applets; Verwendung von Paketen; qualifizierter und unqualifizierter Import; statischer Import; das Paket java.lang; wichtige Java-Pakete; Klassen des Pakets java.util; Bedeutung der Paketnamen; Erstellen eigener Pakete; Verzeichnisstruktur der Pakete; das Default-Paket; Zugriffsrechte für Klassen, Methoden und Variable; die CLASSPATH-Variable. 8.6 Annotationen Annotation; Metainformation; Annotationsprozessor; reflektive Auswertung; annotierte Programmelemente; Annotationen vs. Kommentare vs. Modifikatoren; die vordefinierten Annotationen @Deprecated, @Override, @SuppressWarnings, @Retention, @Target, @Documented und @Inherited; Erstellung von Annotationen; Beispiel. – 12 – Zwischenstand: Kurze Zusammenfassung der bisherigen Inhalte. Jetzt kommen Anwendungen. 9 Java und Datenstrukturen 9.1 Lineare Listen Definition und grundlegende Eigenschaften linearer Listen; typische Listenoperationen; „lineare Liste“ als abstrakter Datentyp; Schnittstelle und Implementierung des abstrakten Datentyps; Strukturinvariante; ausführliche Herleitung der insert-Methode mit Erhaltung der Strukturinvariante; modifizierte Schnittstelle mit zugehöriger Implementierung; Behandlung von Elementklassen; Implementierung durch Felder; sortierte Listen; alternative Implementierung mit Zeiger auf das erste Element und Zusatzinformationen; Sentinel; Aufzählungen; Implementierung und Anwendung von Aufzählungen; zirkuläre Listen; die Josephus-Funktion; Implementierung von Datenstrukturen; Wiederholung: die Klasse Object; die Klasse Class; Kopieren von Objekten; flache und tiefe Kopien; die Methode clone() der Klasse Object; die Schnittstelle Cloneable; Kopieren einer Liste; unveränderliche Klassen. 9.2 Generische Datentypen Wiederverwendbarkeit (reusability); Generizität; generische Methoden; generische Klassen; generische Schnittstellen; Beispiel: lineare Listen; die Klasse Number; Typebounds; Klassen als Typebounds; Schnittstellen als Typebounds; Klassen und Schnittstellen als Typebounds; Wildcards; Invarianz; Bivarianz; Kovarianz; Kontravarianz; Übersicht; erlaubte Operationen; Wiederholung: Typkompabilität; Generizität in Java; Zusammenstellung kompatibler Datentypen; Kovarianz bei Array-Typen. 9.3 Keller und Schlangen Keller; LIFO-Prinzip; Anwendungen; Kelleroperationen; Implementierung eines Kellers durch eine Liste; Implementierung eines Kellers durch ein Feld; Schlangen; FIFO-Prinzip; Anwendungen; Operationen für Schlangen; Implementierung einer Schlange durch eine Liste; Implementierung einer Schlange durch ein Feld; Deques; Bemerkungen zur Java-API. 9.4 Graphen Graph; Knoten; Kante; gerichteter Graph; ungerichteter Graph; bewerteter Graph; Mehrfachkante; Zyklus; Schlinge; Attribute; Anwendungsbeispiele; Adjazenz; Grad eines Knotens; Pfad; Zusammenhang; vollständiger Graph; gewichteter Graph; Speicherung von Graphen: Kantenliste, Knotenliste, Adjazenzmatrix, Adjazenzliste; Komplexität der Operationen; Variationen dieser Möglichkeiten. – 13 – 9.5 Suchen und Sortieren Baum; Definition; Wurzel; innerer Knoten; Blatt; Pfad; Tiefe; Anwendungen von Bäumen; Anzahl der Knoten in einem Binärbaum; Durchlauf durch einen Binärbaum; binäre Suchbäume und ihre Implementierung; Sortieren mit binären Suchbäumen; Erzeugung von Zufallszahlen; Mergesort; Wiederholung: Bubblesort, Quicksort. 9.6 Hash-Verfahren Grundlagen; Hash-Funktion; Hash-Tabelle; Kollision; Beispiel; Behandlung von Kollisionen; Hash-Verfahren ohne Überlaufbereich; lineare Verschiebung; quadratische Verschiebung; Hash-Verfahren mit linearer Liste als Überlaufbereich; die Klasse Hashtable; die Klasse HashMap. 9.7 Persistenz von Daten Persistenz von Daten; Serialisierung und Deserialisierung von Objekten; der Modifikator transient; die Schnittstelle Serializable; Anwendungen: Schreiben und Lesen von Objekten in bzw. aus Dateien; tiefes Kopieren durch Serialisierung; Versionierung von serialisierten Daten; das Programm serialver; dynamisches Laden von Klassen; Beispiele aus dem Paket java.lang.reflect. 9.8 Das Java Collections Framework Kollektionen; Mengen; Relationen; Funktionen; das Java Collections Framework; Überblick über wichtige Schnittstellen, Implementierungen (abstrakte, konkrete Klassen) und Algorithmen: Collection, AbstractCollection, AbstractList, AbstractSet, AbstractMap, Set, SortedSet, List, Queue, Deque, Map, SortedMap, Stack, Vector, TreeSet, HashMap, Iterable, Iterator, ListIterator; Anwendung: sortierte endliche Mengen am Beispiel „Lottotipp“; Comparator; die Kollektion-Algorithmen; Beispiel: die Klasse ArrayList; ArrayList und LinkedList im Vergleich; kurzer Blick auf Heaps; Prioritätsschlangen; die Klasse PriorityQueue. 10 Parallelprogrammierung in Java 10.1 Das Problem des gegenseitigen Ausschlusses Varianten des Algorithmusbegriffs: terminierend, nichtterminierend (reaktiv), deterministisch, nichtdeterministisch, approximativ, determiniert, randomisiert, sequenziell, parallel, verteilt; Einstieg in die Parallelprogrammierung; ein paar Aspekte zur Programmierung von Nebenläufigkeit: Prozessverwaltung; Kommunikation zwischen Prozessen; Synchronisation von Prozessen; Eigenschaften; Sicherheit, Lebendigkeit, Fairness; das Problem des gegenseitigen Ausschlusses; elementare Aktion; Ausführung paralleler Prozesse; interleaving semantics; Beispiel: Betriebsmittelzuweisung; Abstraktion des Problems; verschiede- – 14 – ne Lösungsansätze; Szenarium; Sicherheitseigenschaft; Lebendigkeitseigenschaft; Verklemmung; Verschwörung; der Algorithmus von Dekker; aktives Warten. 10.2 Grundlagen und Begriffe Prozess; Thread; leicht- und schwergewichtige Prozesse; sequentielle und parallele Verarbeitung; Parallelität; Quasi-Parallelität; Nebenläufigkeit; unabhängige und gekoppelte Anweisungen und Prozesse; Beispiele; Prozessverwaltung; Erzeugen und Beenden von Prozessen; Kommunikation; gemeinsame Variable; Nachrichtenaustausch; Synchronisation; synchrone und asynchrone Arbeitsweise; Konzepte zur Nebenläufigkeit in Programmiersprachen; Semaphore; Monitore; Standardaufgaben der Parallelprogrammierung; ErzeugerVerbraucher-Problem; Leser-Schreiber-Problem; Problem der speisenden Philosophen; einige Fairness Begriffe; Nebenläufigkeit in Java. 10.3 Verwaltung von Threads Die Klasse Thread; Erzeugung eines Threads durch Überlagerung von run; die Methode start; Ende einer Anwendung; Dämonen; als “deprecated” gekennzeichnete Methoden; Transaktionen; Beenden eines Threads; weitere Methoden der Klasse Thread; Lebenszyklus eines Threads; die Schnittstelle Runnable; Beispiel. 10.4 Kommunikation und Synchronisation Kommunikation durch gemeinsame Variable; Synchronisation durch Monitore; Beispiel: Bankbetrieb und verlorene Buchungen; der Modifikator synchronized; synchronisierte Methoden und Blöcke; Sperren für Objekte und Klassen; Grundregel zur Synchronisation; Wartemenge eines Objekts; die Methoden wait und notify; Fairness; der Modifikator volatile; weak/strong transition/process fairness; Lösung des Erzeuger-VerbraucherProblems; die Methode notifyAll; Beispiel: Parkhausbetrieb; Priorität eines Threads; Thread-Gruppen; Übersicht über die Methoden der Klasse Object; Programmierrichtlinien zur Parallelprogrammierung. 10.5 Die speisenden Philosophen Problemstellung; Lösung in Java mit wait und notifyAll. 10.6 Das Concurrent-Paket Überblick; die Schnittstellen und Klassen Executor, Executors und ExecutorService; das Erzeuger-Verbraucher-Problem; die Schnittstellen und Klassen Lock, ReentrantLock und Condition; die Klasse ArrayBlockingQueue; die Klasse Semaphore; Nachrichtenaustausch; das Rendez-Vous-Konzept; Hinweis auf die Synchronizer-Klassen (zum Beispiel Exchange), das Unterpaket atomic und die „Concurrent Collections“; Zusammenfassung: Programmierung von Nebenläufigkeit. – 15 – 11 Grafikprogrammierung in Java 11.1 Grundlagen Schnittstelle für Anwenderprogramme; API; das Abstract Window Toolkit (AWT); die Swing-Bibliothek; Hinweis auf das Standard Window Toolkit (SWT); Möglichkeiten des AWTs; grundsätzliche Vorgehensweise; der grafische Kontext; Beispiel: ein einfaches Fenster; Ein-Ausgabe-Programmierung; ereignisgesteuerte Programmierung; Delegation Based Event Handling; Quelle eines Ereignisses; Beobachter; Single-Cast-Ereignis; Multi-CastEreignis; Schließen eine Fensters; Adapter-Klassen; die Klasse WindowAdapter als Beispiel. 11.2 Grafische Grundelemente Das grafische Koordinatensystem; Benutzerbereich eines Fensters; Auswahl elementarer Grafikroutinen zur Darstellung von Text, Linien, Rechtecken, Polygonen, Ellipsen und Ellipsenbögen; Schriftarten; Schriften mit Serifen; serifenlose Schriften; Schriften mit variabler und konstanter Zeichenbreite; Fett- und Kursivdruck; Methoden zur Ermittlung von Font-Informationen und -Metriken; das RGB-Farbmodell; vordefinierte Farben; gebräuchliche Farbwerte; Erzeugung und Verwendung von Farben; die Klasse SystemColor. 11.3 Fensterklassen Die Behälterklassen Component, Container, Applet, Window und Frame; Aufrufen und Schließen eines Fensters; Eigenschaften eines Fensters. 11.4 Ereignisse und Widgets Ereignis; Ereignisquelle; Beobachter; ereignisgesteuerte Programmierung; Single-Cast- und Multi-Cast-Ereignis; Adapter-Klasse; Überblick über die Ereignisklassen und BeobachterSchnittstellen; Low-Level-Events; Widget; wichtige Widgets; Beispiele: Rollbalken, Label, Button, Textfeld, Checkbox, Checkboxgroup, Choice; Realisierung von Widgets. 11.5 Applets Anwendungen und Applets; Eigenschaften von Applets; Beispiel; grundlegende Methoden; Umwandlung zwischen Anwendungsprogrammen und Applets; Beispiel. 11.6 Die Swing-Klassen Die Java Foundations Classes; AWT und Swing im Vergleich; der Peer-Ansatz; leicht- und schwergewichtige Komponenten; einfaches Beispiel mit AWT- und Swing-Klassen; Einordnung der Swingklassen; die Komponentenklassen Component, Container, JComponent, FlowLayout, BorderLayout, GridLayout, Graphics, JLabel, AbstractButton, JRadio Button, JComboBox, JList, JTextComponent, JScrollPane, JPanel, JProgressBar; die Behälterklassen JFrame, JWindow, JDialog, JApplet, JMenuBar, JToolBar, Border; BorderFactory, Vorgehensweise zur Erstellung von grafischen Oberflächen; Adapterklassen; – 16 – Strukturierung von Behälter- und Beobachterklassen; Beispiel: Fenster mit Menü- und Werkzeugleiste. Einige weitere Swing-Klassen/Schnittstellen. Zum Beispiel JFileChooser. 12 Ausblick 12.1 Objektorientierte Programmierung: Entwurfsmuster Entwurfsmuster; Beispiele für Entwurfsmuster; die Entwurfsmuster „Singleton“, „Immutable“ und „Observer“. 12.2 Programmierparadigmen und -sprachen Annotationen; Wiederholung der imperativen, funktionalen und objektorientierten Programmierparadigmen (s. Abschnitte 1.1, 1.2, 3.7, 5.3); funktionale Programme in Scheme; das deduktive (logische) Paradigma; Fakt; Regel; Horn-Klausel; Anfrage; Ziel; kleine Beispiele in Prolog; Funktionen und Relationen; deklaratives Programmieren; wichtige Programmiersprachen im Überblick. 12.3 Gegenstände der Softwaretechnik Der Begriff „Softwaretechnik“; Software-Entwicklung; Software-Management; SoftwareQualitätssicherung; die Modellierungssprache UML (Unified Modeling Language); die Diagrammtypen der UML; Anwendungsfalldiagramm; Klassendiagramm; Objektdiagramm; Sequenzdiagramm. – 17 – Quellenverzeichnis [1] Alagić, Suad; Arbib, Michael A.: The Design of Well-Structured and Correct Programs. New York: Springer Verlag, 1978 [2] Alber, Klaus; Struckmann, Werner: Einführung in die Semantik von Programmiersprachen. Mannheim Wien Zürich: BI-Wissenschaftsverlag, 1988 [3] Barnes, David J.; Kölling, Michael: Objects First With Java. 1. Auflage. Harlow, England: Prentice Hall, 2003 [4] Bell, Douglas; Parr, Mike: Java für Studenten. 3. Auflage. München: Pearson Studium, 2003 [5] Ben-Ari, Mordechai: Grundlagen der Parallelprogrammierung. 1. Auflage. München Wien: Carl Hanser Verlag, 1985 [6] Ben-Ari, Mordechai: Principles of Concurrent and Distributed Programming. 2. Auflage. Harlow London: Addison-Wesley, 2006 [7] Bentley, Jon: Programming Pearls. Reading, Massachusetts: Addison-Wesley Publishing Company, 1986 [8] Bloch, Joshua; Gafter, Neal: Java Puzzlers. 1. Auflage. Upper Sadle River NJ, Boston: Addison-Wesley Verlag, 2005 [9] Breymann, Ulrich: C++ – Einführung und professionelle Programmmierung. 9., neu bearbeitete Auflage. München: Hanser Verlag, 2007 [10] Budd, Timothy: Classic Data Structures in Java. 1. Auflage. Boston: Addison-Wesley Verlag, 2001 [11] Cormen, Thomas H.; Leiserson, Charles E.; Rivest, Ronald L.; Stein, Clifford: Algorithmen – Eine Einführung. 3., überarb. u. erw. Auflage. München Wien: Oldenbourg Verlag, 2010 [12] Deitel, Harvey M.; Deitel, Paul J.: Java—How to Program. 6. Auflage. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education International, 2005 [13] Duden: Informatik. 4. Auflage. Mannheim: Dudenverlag, 2006 [14] Ehrenberger, Wolfgang: Software-Verifikation. 1. Auflage. München: Hanser Verlag, 2002 [15] Esser, Friedrich: Java 6 Core Techniken. 1. Auflage. München: Oldenbourg Verlag, 2008 [16] Esser, Friedrich: Scala für Umsteiger. München: Oldenbourg Verlag, 2011 – 18 – [17] Ford, William H.; Topp, William R.: Data Structures with Java. 1. Auflage. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education International, 2005 [18] Gallenbacher, Jens: Abenteuer Informatik. 2. Auflage. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag, 2008 [19] Gamma, Erich; Helm, Richard; Johnson, Ralph; Vlissides, John: Design Patterns. 1. Auflage. Boston: Addison-Wesley Verlag, 1995 [20] Harel, David; Feldman, Yishai: Algorithmik. 1. Auflage. Berlin Heidelberg New York: Springer-Verlag, 2006 [21] Henning, Peter A.; Vogelsang, Holger: Taschenbuch Programmiersprachen. 2. Auflage. München: Carl Hanser Verlag, 2007 [22] Hoffmann, Dirk W.: Theoretische Informatik. 1. Auflage. München: Hanser Verlag, 2009 [23] Hohlfeld, Bernhard; Struckmann, Werner: Einführung in die Programmverifikation. Mannheim Wien Zürich: BI-Wissenschaftsverlag, 1992 [24] Kecher, Christoph: UML 2. 3., durchgesehene Auflage. Bonn: Galileo Press, 2009 [25] Krienke, Rainer: Shell-Programmierung für Unix und Linux. 3., erweiterte Auflage. München: Hanser Verlag, 2007 [26] Krüger, Guido: Handbuch der Java-Programmierung. Addison-Wesley Verlag, 2012 7. Auflage. München: [27] Lahres, Bernhard; Raýman, Gregor: Objektorientierte Programmierung. 2., aktualisierte und erweiterte Auflage. Bonn: Galileo Computing, 2009 [28] Lang, Hans W.: Algorithmen in Java. 2. Auflage. München: Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2006 [29] Lewis, John; Chase, Joseph: Java—Software Structures. 2. Auflage. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education International, 2005 [30] Louis, Dirk; Müller, Peter: Java — Der umfassende Programmierkurs. Köln: O’Reilly Verlag, 2014 [31] Mehlhorn, Kurt; Sanders, Peter: Algorithms and Data Structures. 1. Auflage. Berlin Heidelberg: Springer Verlag, 2008 [32] Nowak, Johannes: Fortgeschrittene Programmierung mit Java 5. 1. Auflage. Heidelberg: Dpunkt Verlag, 2005 [33] Oechsle, Rainer: Parallele und verteilte Anwendungen in Java. 2., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. München: Carl Hanser Verlag, 2007 – 19 – [34] Ottmann, Thomas; Widmayer, Peter: Algorithmen und Datenstrukturen. 4. Auflage. Heidelberg Berlin: Spektrum Akademischer Verlag, 2002 [35] Pomberger, Gustav; Dobler, Heinz: Algorithmen und Datenstrukturen. 1. Auflage. München: Pearson Studium, 2008 [36] Ratz, Dietmar; Scheffler, Jens; Seese, Detlef; Wiesenberger, Jan: Grundkurs Programmieren in Java. 6. aktualisierte und erweiterte Auflage. München Wien: Hanser Verlag, 2011 [37] Rechenberg, Peter: Was ist Informatik? 3. Auflage. München: Hanser Verlag, 2000 [38] Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN (Hrsg.): Linux – Nutzung mit der grafischen Oberfläche KDE. 1. Auflage. Hannover: Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN, 2000 [39] Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN (Hrsg.): Grundlagen der Programmierung. 4. Auflage. Hannover: Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN, 2004 [40] Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN (Hrsg.): Unix – Eine Einführung in die Benutzung. 18. Auflage. Hannover: Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN, 2008 [41] Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN (Hrsg.): Java 6 (1. Band). 7. Auflage. Hannover: Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN, 2009 [42] Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN (Hrsg.): Java 6 (2. Band). 2. Auflage. Hannover: Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen RRZN, 2011 [43] Saake, Gunter; Sattler, Kai-Uwe: Algorithmen und Datenstrukturen. 4., überarb. Auflage. Heidelberg: dpunkt.verlag, 2010 [44] Schiedermeier, Reinhard: Programmieren mit Java. 2., aktualisierte Auflage. München: Pearson Studium, 2010 [45] Schiedermeier, Reinhard; Köhler, Klaus: Das Java-Praktikum. 1. Auflage. Heidelberg: Dpunkt Verlag, 2008 [46] Sedgewick, Robert: Algorithms. 2. Auflage. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1988 [47] Sedgewick, Robert: Algorithmen in Java, Teil 1–4. 3. überarbeitete Auflage. München: Addison-Wesley Verlag, Pearson Studium, 2003 [48] Sedgewick, Robert: Algorithms in Java, Part 5. 3. Auflage. Boston: Addison-Wesley Verlag, 2004 – 20 – [49] Struckmann, Werner; Wätjen, Dietmar: Mathematik für Informatiker – Grundlagen und Anwendungen. 1. Auflage. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag, 2007 [50] Vogt, Carsten: C für Java-Programmierer. 1. Auflage. München: Hanser Verlag, 2007 [51] Weinert, Albrecht: Java für Ingenieure. 1. Auflage. München: Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag, 2001 [52] Weiss, Mark A.: Data Structures & Problem Solving Using Java. 3. Auflage. Boston: Pearson Addison Wesley, 2006 [53] Weiss, Mark A.: Data Structures and Algorithm Analysis in Java. 2. Auflage. Boston: Pearson Addison Wesley, 2007 [54] Zeller, Andreas; Krinke, Jens: Programmierwerkzeuge. 1. Auflage. Heidelberg: Dpunkt Verlag, 2000 – 21 – A Übungen, Ergänzungen, Fallstudien, Wiederholungen A.1 Unix-Grundlagen An- und Abmelden; Passwörter; Display-Manager, Desktop-Manager, Fenster-Manager; Anatomie eines Kommandos; Shell; Grundlagen der Shell-Bedienung; Shell als Kommandointerpreter; Umgebungsvariable; Dateisystem; Befehle zur Dateiverwaltung; Pfad; absolute und relative Adressierung; Manual- und Info-Seiten; Programmbau mit make; die Unix-Werkzeuge (e)grep, find, sort. A.2 Algorithmen: Korrekheit, Komplexität Spezifikation, Verifikation, partielle und totale Korrektheit: Algorithmus von Euklid, Algorithmus zur Division von natürlichen Zahlen; Komplexität: Landau-Symbole, Berechnung der Komplexität des Insertionsort-Algorithmus. A.3 Vom Algorithmus zum Programm: Programmentwicklung Das Sieb des Eratosthenes als Beispiel für Programmentwicklung; Struktogramm (NassiShneiderman-Diagramm); Programmablaufplan (PAP); der Zyklus der Programmentwicklung; Eingabe (Kommandozeile, Tastatur, Programm) und Ausgabe (Bildschirm); einführendes Beispiel für Makefile. A.4 Regeln zur Formatierung von Java-Programmen Wiederholung; Überblick über die „Code Conventions for the Java Programming Language“: http://www.oracle.com/technetwork/java/codeconv-138413.html. Beispiel für den Check der Formatierung. A.5 Java-Operatoren Wiederholung; Überblick; Beispiele. A.6 Felder Wiederholung; Arrays; Array-Typen; Container; Zeichenfelder vs. Strings; Alloziieren und Initialisieren von Feldern; Deklaration; Zuweisung; Array-Literale; Elementzugriff; ForEach-Schleife; Kopieren und Vergleichen von Feldern; geschachtelte Felder. A.7 Fallstudie: Komplexität von Algorithmen (1) Beispielanalyse Insertionsort; landausche Symbole; best-, wort- und average-Komplexität; Komplexitätsklassen. – 22 – A.8 Fallstudie: Objektorientierung (Polynome) Grundlagen der Objektorientierung; Klasse, Objekt, Attribut, Methode; Typischer Aufbau einer Klasse; Überlagerung von Methoden der Klasse Object; Beispiel zur objektorientierten Programmierung ohne Vererbung: Polynomarithmetik (Schiedermeier, Köhler). A.9 Abstraktion und Modellierung Abstraktion; Modellierung; Modellfehler; Datenfehler; Verfahrensfehler; Rundungsfehler; Numerik; Stabilität eines Algorithmus; Kondition eines Problems; Auslöschung; Lösung quadratischer Gleichungen. A.10 Objektorientierte Konzepte und Fallstudie (Punkte, Geraden) Grundlagen der Objektorientierung; Klasse, Objekt, Attribut, Methode; Zustand; Nachricht; Klassen- und Objektdiagramme; Typischer Aufbau einer Klasse; Überlagerung von Methoden der Klasse Object; Beziehungen zwischen Klassen: Vererbung; Beziehungen zwischen Klassen und Objekten: der instanceof-Operator; Beziehungen zwischen Objekten: Assoziation, Multiplizität, Kardinalität, Aggregation, Komposition; Beispiel zur objektorientierten Programmierung ohne Vererbung: Klassen für Punkte und Geraden; Erwähnung von UML-Diagrammen. A.11 Fallstudie: Abstrakte Klassen (Funktionen) Verwendung abstrakter Klassen; Ebenen der Realisation; die abstrakte Klasse Funktion; verschiedene Realisierungen: Parabel, Hyperbel, Verkettung von Funktionen. A.12 Berechenbarkeit (1) Begriffe: Berechenbarkeit, Entscheidbarkeit; Beispiele: Diophantische Gleichungen, Halteproblem, Anzahl der Funktionen N → N und der Algorithmen. A.13 Fallstudie: Komplexität von Algorithmen (2) Rekurrenzgleichung; Mastertheorem; Divide-and-Conquer-Algorithmen; dynamische Algorithmen; Fibonacci-Zahlen; Lösung einer linearen Rekurrenzgleichung. A.14 Zwei erste Beispiele für grafische Oberflächen Zeichnen von Funktionen, Kakuro. A.15 Programmtest mit JUnit Beispiele für Programmtests mit JUnit: 3 Algorithmen für die Berechnung ganzzahliger Wurzeln; Test, ob der Wert stimmt; Test, ob die Algorithmen identische Werte liefern. – 23 – Die Algorithmen werden in der Veranstaltung erläutert. Vom ersten Algorithmus wird die Korrektheit nachgewiesen. A.16 Die Osterformel von Gauß Warum findet am Freitag, den 18. April 2014, die Übung nicht statt? A.17 Einige Programme des JDK JDK: Überblick; javac (Compiler); java (Interpreter); appletviewer (Appletviewer); jdb (Debugger); javadoc (Dokumentationsgenerator); jar (Archivierungswerkzeug); javap (Disassembler); serialver (Versionierung serialisierter Daten); native2ascii (Änderung der Kodierung). A.18 Polymorphismus Zur Wiederholung werden in der Übung kleine Beispiele zu Vererbung, Overloading und Polymorphismus besprochen. A.19 Alias-Name, Gültigkeit, Sichtbarkeit und Lebensdauer Namensgebung: Anonymität, Alias-Name, Namenskollision; Gültigkeitsbereich; Sichtbarkeitsbereich; statische Eigenschaft; dynamische Eigenschaft; Lebensdauer; globale Variable; lexikalischer/statischer Scope; dynamischer Scope; Schachtelung; Java als flache Sprache; Auflösung von Namenskollisionen; hängende Referenz. A.20 Fallstudie: Graphen, Breitensuche (Zusammenhangskomponenten) Bestimmung der Anzahl der Zusammenhangskomponenten eines ungerichteten Graphen durch Breitensuche. A.21 Algorithmen und Datenstrukturen (Übersicht) Der intuitive Algorithmenbegriff; Paradigmen; formale Algorithmenbegriff; Komplexität und Korrektheit von Algorithmen; Datenstrukturen und Typsysteme; abstrakte Datentypen; Standardalgorithmen; Algorithmenentwurfsmethoden; Variationen des Algorithmenbegriffs. – 24 – A.22 Abstrakte Datentypen (ADT) Einsortige und mehrsortige Algebren: Gruppe, Körper, Vektorraum; Datentyp: Signatur, Axiom, Algebra; algebraische Spezifikation; abstrakte Datentypen (ADT); Kapselung; Geheimnisprinzip; Beispiele: Listen, Keller, Warteschlangen. A.23 Fallstudie: Mergesort, Divide-and-Conquer, Generizität Diskussion und Vergleich verschiedener Implementierungen von Mergesort: direkte Implementierung für Felder eines primitives Datentyps; Implementierung für Felder einer allgemeinen Klasse; Generizität durch eine abstrakte Klasse; Verwendung einer generischen Methode; Wiederholung: Divide-and-Conquer-Algorithmen, Analyse des Algorithmus, Mastertheorem, Zusicherungen, assert-Anweisung. A.24 Fallstudie: Keller (Klammerstrukturen) Überprüfung von Klammerstrukturen nach [52]; die Klasse PushBackReader. A.25 Die Programmiersprache C Wiederholung: Das imperative Paradigma; Historie der Sprache; grundlegende Eigenschaften; Standards; Struktur und Übersetzung von C-Programmen; Präprozessor; Anweisungen des Präprozessors; Java und C im Vergleich; Kontrollstrukturen; skalare und zusammengesetzte Datentypen; Typdefinitionen; Zeiger; Funktionen; dynamische Datenstrukturen; Ein- und Ausgabe; Beispiel: verkettete Listen in C. A.26 Wiederholung: Paradigmen und Sprachen (Übersicht) Natürliche, künstliche und formale Sprachen; GPL (General Purpose Language); Programmierparadigmen und -sprachen; Skriptsprachen; paradigmenübergreifende Konzepte; DSL (Domain Specific Language); spezielle Sprachklassen; Prinzipien des Sprachentwurfs; Definition und Implementierung von Sprachen. A.27 Wiederholung: Vom Algorithmus zum Programm Algorithmen und Datenstrukturen: intuitiver, formaler Begriff, Paradigmen, Korrektheit, Komplexität, Entwurf von Algorithmen, Varianten des Algorithmusbegriffs, abstrakte Datentypen; Standardalgorithmen und -datenstrukturen; Sprachen der Informatik: Domain specific languages (DSL), General purpose languages (GPL), Typsystem, Umsetzung von Paradigmen, paradigmenübergreifende Konzepte; Java-Konzepte, Java-API, JDK. – 25 – A.28 Skriptsprachen, C-Shell, JavaScript Kommandosprachen; Skriptsprachen; Beispiele für Skriptsprachen; Merkmale von Skriptsprachen; Einsatz von Skriptsprachen; Überblick: die Sprache der C-Shell, JavaScript; Struktur einer Html-Seite; Beispiel einer Html-Seite mit einem JavaScript-Programm. A.29 Fallstudie: Bäume (AVL-Bäume) Wiederholung: binäre Suchbäume; ausgeglichene Bäume; AVL-Bäume; Höhe von AVLBäumen; Einfügen und Löschen von Elementen; Rotation; Doppelrotation. A.30 Berechenbarkeit (2) Satz von Rice, Aussage, Beispiele; Beweis in Datei: rice.pdf. – 26 – B Themen der Übungsaufgaben B.1 1. Übungsblatt Aufgabe 1: Unix-Grundlagen, an- u. abmelden, Passwortänderung. Aufgabe 2: Unix-Grundlagen, Dateien, Verzeichnisse, wichtige Kommandos. Aufgabe 3: Unix-Grundlagen, Editor, Java-Compiler u. -Interpreter. Aufgabe 4: Unix-Grundlagen, Java-Compiler u. -Interpreter, Fehlermeldungen. Aufgabe 5: Unix-Grundlagen, Java-Compiler u. -Interpreter. Aufgabe 6: Intuitiver Algorithmusbegriff. B.2 2. Übungsblatt Aufgabe 7: Unix-Grundlagen, Wiederholung. Aufgabe 8: Ein erstes Programm: Arithmetische und Vergleichsoperatoren, lineares Programm (Lösung quadratischer Gleichungen), Ein-/Ausgabe. Aufgabe 9: Ausgabeanweisung. Aufgabe 10: Compilermeldungen, Fehlersuche und -berichtigung. Aufgabe 11: Eingabe von der Kommandozeile. Aufgabe 12: Arithmetische Operatoren, Fallunterscheidung (Kfz-Steuer). B.3 3. Übungsblatt Aufgabe 13: Kommentare. Aufgabe 14: Bezeichner. Aufgabe 15: Bezeichner, Deklarationen. Aufgabe 16: Ausdrücke und Operatoren: Zeichenketten, Konkatenation, Zuweisungsoperatoren, bitweise Operatoren. Aufgabe 17: Einführung in das Programmieren; arithmetische Operatoren, Fallunterscheidung, Eingabe über Kommandozeile (Zeitzone). Aufgabe 18: Einführung in das Programmieren; arithmetische Operatoren, Fallunterscheidung, Eingabe über Kommandozeile (Zeitzone). Erweiterung der vorigen Aufgabe. Pflichtaufgabe 19: Einführung in das Programmieren; arithmetische Operatoren, Fallunterscheidung, Eingabe über Kommandozeile (2 Datumsangaben). – 27 – B.4 4. Übungsblatt Aufgabe 20: Zeichensätze, Darstellung und Speicherung von Zeichen und ganzzahligen Werten. Aufgabe 21: Literale, Speicherung von Gleitkommazahlen, der primitive Datentyp float. Operatoren, Anweisungen. Aufgabe 22: Deklarationen, primitive Datentypen. Aufgabe 23: Operatoren. Aufgabe 24: If-Anweisung. Aufgabe 25: Umsetzen eines gegebenen Algorithmus, die drei Schleifentypen von Java. Pflichtaufgabe 26: Wiederholungsanweisungen (Quersummen, alternierende Quersummen). B.5 5. Übungsblatt Aufgabe 27: Anwendung einfacher Schleifen (σ-Funktion). Aufgabe 28: Anwendung einfacher Schleifen (Geburtstagsproblem). Aufgabe 29: Variable, Ausdrücke, Schleifen (fröhliche und traurige Zahlen). Aufgabe 30: Anweisungen, Ausgabe (Klasse BrowserTest). Aufgabe 31: Variable, Ausdrücke, Schleifen, Ausgabe (Mid-Square-Methode). Pflichtaufgabe 32: Klasse, Objekt, Attribut, Methode, Überlagerung von Methoden der Klasse Object (toString, equals, clone), statische Methode, Instanzmethode, typischer Aufbau einer Klasse, Aufgabe zur objektorientierten Programmierung ohne Vererbung (Mengen, Zeichen als Elemente). B.6 6. Übungsblatt Aufgabe 33: Klasse, Objekt, Attribut, Methode, Methoden der Klasse Object: clone, equals, toString, Aufgabe zur objektorientierten Programmierung ohne Vererbung (Uhrzeiten). Aufgabe 34: Vererbung, Überlagern von Methoden. Aufgabe 35: Klasse, Objekt, Attribut, Methode, Überlagerung von Methoden der Klasse Object (toString, equals, clone), statische Methode, Instanzmethode, typischer Aufbau einer Klasse, Aufgabe zur objektorientierten Programmierung ohne Vererbung (rationale Zahlen). Aufgabe 36: Abstrakte Klassen, Vererbung, Überlagern von Methoden, Schnittstellen, Polymorphismus (Figuren, Dreiecke, Kreise). – 28 – Pflichtaufgabe 37: Abstrakte Klassen, Vererbung, Überlagern von Methoden, Schnittstellen, Polymorphismus (Funktion, Wertetabelle, Newton-Verfahren, Parabel). B.7 7. Übungsblatt Aufgabe 38: Nachvollziehen eines rekursiven Algorithmus (Geldwechsel). Aufgabe 39: Auswertung einer rekursiv definierten Funktion. Aufgabe 40: Iterative und rekursive Implementierung einer rekursiv definierten Funktion. Aufgabe 41: Auswertung einer rekursiv definierten Funktion. Aufgabe 42: Implementierung eines rekursiven Algorithmus (Sortieren eines Feldes). Aufgabe 43: Rekursion, Backtracking, Eingabe aus einer Datei (Irrgarten). Pflichtaufgabe 44: Ausnahmebehandlung; IllegalArgumentException; Empfehlung: Rekursion; (Ziffern-Matching). B.8 8. Übungsblatt Aufgabe 45: Wiederholung: Programmverifikation, partielle und totale Korrektheit, Vorund Nachbedingung, Schleifeninvariante, assert-Anweisung. Aufgabe 46: Wiederholung: C0- und C1-Überdeckungstests. Aufgabe 47: Wiederholung: Ausnahmebehandlung, assert-Anweisung, Programmverifikation, Test, (Ganzzahlige Arithmetik). Aufgabe 48: Wiederholung: Programmverifikation, partielle und totale Korrektheit von Programmen, Vor- und Nachbedingung, Scheifeninvariante, assert-Anweisung, Komplexität. Aufgabe 49: Wiederholung: Ausnahmebehandlung, benutzerdefinierte Fehlerklasse. B.9 9. Übungsblatt Aufgabe 50: Wiederholung: Grundlagen des imperativen und objektorentierten Programmierens (gemischte Zahlen). Aufgabe 51: JDK: Debugger jdb, Archivierungswerkzeug jar, Dokumentationsgenerator javadoc. Aufgabe 52: Wiederholung: Grundlagen des imperativen und objektorentierten Programmierens (Widerstandsnetz). Aufgabe 53: Wiederholung: Komplexität, partielle und totale Korrektheit von Programmen, assert-Anweisung (Insertionsort). Aufgabe 54: Aufzählungstypen (physikalische Einheiten). – 29 – B.10 10. Übungsblatt Aufgabe 55: Programmierung linearer Listen durch Verkettungen. Aufgabe 56: Programmierung linearer Listen durch Verkettungen. Aufgabe 57: Programmierung linearer Listen durch Felder. Pflichtaufgabe 58: Programmierung linearer Listen durch Verkettungen; Anwendung: Verarbeitung von CSV-Dateien, die Termine enthalten. B.11 11. Übungsblatt Aufgabe 59: Implementierung generischer Keller durch verkettete Listen und Felder, Anwendung von generischen Kellern (Löschsymbol), Testen von Programmen. Aufgabe 60: Implementierung generischer Keller durch verkettete Listen und Felder, Anwendung von generischen Kellern (Umwandlung eines arithmetischen Ausdrucks von Infixin Postfixnotaion mit einem Character-Keller, Auswertung des Ausdrucks in Postfixnotation mit einem Integer-Keller). Aufgabe 61: Generische Methoden, Keller, Java Collections Framework, Rekursion vs. Iteration. Aufgabe 62: Generische Klassen und Schnittstellen, binäre Suchbäume. Pflichtaufgabe 63: Generische Datentypen; Verallgemeinerung der letzten Pflichtaufgabe; Programmierung generischer linearer Listen durch Verkettungen; Anwendung: Verarbeitung von CSV-Dateien, die Termine oder Tankvorgänge enthalten. B.12 12. Übungsblatt Aufgabe 64: Binäre balancierte Suchbäume, generische Datentypen (AVL-Bäume). Aufgabe 65: Entwurf von Programmen, Java Collections Framework, gerichtete gewichtete Graphen (Algorithmus von Dijkstra zur Bestimmung kürzester Wege). Aufgabe 66: (Un)gerichtete azyklische Graphen, generische Datentypen, erweiterte Tiefensuche (topologische Sortierung). Pflichtaufgabe 67: Graphen: Nichtdeterministische Automaten; Eingabe aus Datei; Erkennung von Wörtern; Java Collections Framework. – 30 – B.13 13. Übungsblatt Aufgabe 68: Entwurf von Programmen, Java Collections Framework (Kakuro). Aufgabe 69: Freiwillige Zusatzaufgabe: Vorige Aufgabe als C-Programm (Kakuro). Aufgabe 70: Threads, Atomic-Klasse. Aufgabe 71: Threads, Parallelisierung eines Divide-Conquer-Algorithmus (Quicksort). Pflichtaufgabe 72: Threads, Runnable; Parallelisierung: Nichtdeterministische Automaten. B.14 14. Übungsblatt Aufgabe 73: Applets (Konvertierung von Celsius- in Fahrenheit-Grade). Aufgabe 74: Grafikausgabe und -eingabe mit der Swing-Bibliothek (kleiner ganzzahliger Taschenrechner). Aufgabe 75: Grafikausgabe mit der Swing-Bibliothek (Kakuro). Pflichtaufgabe 76: Grafikausgabe und -eingabe mit der Swing-Bibliothek: Nichtdeterministische Automaten. – 31 –
