Kapitel 5: Daten und Operationen

Kapitel 5:
Daten und Operationen
Felix Freiling
Lehrstuhl für Praktische Informatik 1
Universität Mannheim
Vorlesung Praktische Informatik I
im Herbstsemester 2007
Folien nach einer Vorlage von
H.-Peter Gumm, Philipps-Universität Marburg
Ankündigungen 25.9.2007
Termin Fachprüfung:
Termin Wiederholungsprüfung:
Freitag, 14. Dezember 2007
Mittwoch, 6. Februar 2008
Zur Übung:
Mittwoch, 3. Oktober 2007 keine Übung
Hausaufgaben auf Übungsblatt 3 dafür etwas umfangreicher
Abgabe der Hausaufgaben in jedem Fall schriftlich
Programmieraufgaben auch elektronisch per BlueJ submitter
Bearbeiten Sie die Hausaufgaben selbst!
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
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Kommentar zu Kommentaren
Denken Sie beim Programmieren an Ihren Tutor
Tutor soll das Programm schnell verstehen
Tutor kann Java!
Daumenregeln
Erläutern Sie mittels Javadoc einleitend jedes Feld und jede Methode
(Schnittstelle)
Erläutern Sie „ungewöhnliche“ oder „schwierige“ Stellen im Programm
Was speichert/repräsentiert das Feld?
Was macht die Methode?
Stellen, über die Sie lange nachgedacht haben
Stellen, an denen Sie Fehler gemacht und korrigiert haben
Stellen, die Sie beim zweiten Lesen nicht verstanden haben
Kommentieren ist sehr stark eine Frage der Erfahrung
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
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Übersicht
Bits, Bytes, Binärzahlen, Hex-Zahlen,
Dezimalzahlen
Konversionen, cast
Zufallszahlen
Boolesche Werte, Boolesche Algebra
Kurzer Exkurs in die Logik
Zeichen, Unicode, Fonts
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
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Operationen auf ganzen Zahlen
Grundoperationen
Zahlkonstanten (Literale)
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, …
einstellige Operationen
+, plus, minus
Beispiel: +5, -17, -(3-4) = …
zweistellige Operationen
+, -, * Addition, Subtraktion, Multiplikation
Beispiele:
-3 + 17, 5 + -17, 3*(4-7)
/
Ganzzahl-Division, mathematisch: div)
Beispiele: 17/4 = … , -1/-4 = …, -3/2= …, (-3)/2= …
%
Rest bei Ganzzahl-Division, mathematisch: mod)
Beispiele: 17%4 = …, -1%-4 = … , -3%2= …
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
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BlueJ als Java-Taschenrechner
Direkteingabe
aktivieren
Im Calculator rechnen
26/7 = 3
26%7 = 5
etc.
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
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div und mod
div : Division ohne Rest
mod: Rest bei der Division
23 div 7 = 3
23 mod 7 = 2
Eigenschaften von div und mod
Seien n und d natürliche Zahlen, dann gilt:
(n div d)*d + (n mod d) = n
Sei z = (dk-1dk-2...d1d0)10 die Dezimaldarstellung von z ( k > 0 ):
0 ≤ (n mod d) < d
Wichtig !
0 ≤ di < 10 für i=0,...,(k-1)
(dk-1dk-2...d1)10 = z div 10
d0
´
= z mod 10
Beispiel:
2002 = (2 0 0 2)10
2002 div 10 = 200 = (2 0 0)10
2002 mod 10 = 2
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
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Computer verstehen nur 0 und 1 …
Eine physikalische Speicherzelle kann nur einen
von zwei Zuständen haben
Strom/kein Strom, Ladung/keine Ladung, ein/aus,
positiv/negativ
Interpretiere einen dieser Zustände als 0, den
anderen als 1
0
oder
1
Eine Gruppe von Speicherzellen kann viele
Kombinationen von Zuständen speichern:
Eine Gruppe von zwei Speicherzellen kann 4
Zustände speichern
00, 01, 10, 11
Eine Gruppe von 4 Speicherzellen kann 16
Zustände speichern
…1
0000 , 000
...
1111
0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111,
1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111
Eine Gruppe von 8 Speicherzellen kann 256 = 28
Zustände speichern:
00 , 01 , 10 , 11
00000000 … 11111111
00000000, 00000001, … 11111110, 11111111
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
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Byte, Wort, Doppelwort
Kein Computer der Welt gibt sich mit einzelnen
Speicherzellen ab
16-Bit-Computer rechnen intern mit zwei Byte großen Daten
zwei Byte nennt man dann ein Wort
Vier Byte heißen ein Doppelwort, 8 Byte ein Quad-Wort
32 Bit Computer rechnen intern mit 4 Byte großen Daten
Die kleinste Einheit, mit der Computer rechnen ist ein Byte, das
sind 8 Bit
Die kleinste Einheit, die ein Computer speichern oder lesen kann
ist ein Byte
Ob dann 4 Byte ein Wort oder ein Doppelwort heißen, ist
uneinheitlich
Die kleinste im Speicher adressierbare Einheit kann 1 Byte, 2
Byte aber auch 4 Byte sein
64-Bit Computer …
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
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Können Computer auch Zahlen speichern ?
Man kann den Speicherzuständen Zahlen zuordnen
Zum Beispiel positive Zahlen
oder ganze (positive und negative) Zahlen
eine positive Zahl zwischen 0 und 255
d.h. zwischen 0 und 28, oder
eine ganze Zahl aus dem Bereich -128 .. +127 ,
d.h. -27 .. 27-1.
In zwei Byte passt
0000 = 0, 0001 = 1, 0010 = 2, 0011 = 3, 0100 = 4, 0101 =
5, 0110 = 6, 0111 = 7, 1000 = -8, 1001 = -7, 1010 = -6,
1011 = -5, 1100 = -4, 1101 = -3, 1110 = -2, 1111 = -1
In einem Byte kann man speichern
0000 = 0, 0001 = 1, 0010 = 2, 0011 = 3, 0100 = 4, 0101 =
5, 0110 = 6, 0111 = 7, 1000 = 8, 1001 = 9, 1010 =10,
1011 = 11, 1100 = 12, 1101 = 13, 1110 = 14, 1111 = 15
eine positive Zahl zwischen 0 und 65535,
d.h. zwischen 0 und 216 , oder
eine ganze Zahl aus dem Bereich -32768 .. +32767 ,
d.h. -215 .. 215-1.
In 4 Byte passt
eine positive Zahl zwischen 0 und 4294967295
d.h. zwischen 0 und 232, oder
eine ganze Zahl aus dem Bereich -2147483648 ..
+2147483647 , d.h. -231 .. 231-1.
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Bitfolge
Positive
Zahl
Ganze
Zahl
0000
0
0
0001
1
1
0010
2
2
0011
3
3
0100
4
4
0101
5
5
0110
6
6
0111
7
7
1000
8
-8
1001
9
-7
1010
10
-6
1011
11
-5
1100
12
-4
1101
13
-3
1110
14
-2
1111
15
-1
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Wie rechnen Computer?
„ganz normal“:
1+0
=1
0+1
=1
1+1
= 0 Übertrag 1
1+1+1 = 1 Übertrag 1
usw.
0011010101010111
+
0101011100110101
=
1000110010001100
Siehe Vorlesung
„Praktische Informatik II“
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 11
Woher weiß der Computer, ob eine positive
oder eine negative Zahl gemeint ist ?
Er weiss es nicht
Dank der cleveren Codierung (Zweierkomplement) braucht er es
nicht zu wissen
Nur der Programmierer muss wissen, was seine Daten bedeuten
0101
Stimmt:
5 + 9 = 14
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
+
1001
=
1110
Stimmt:
5 + -7= -2
Seite 12
Binärsystem
Binärziffern:
0 und 1
Binärzahl:
Folge bnbn-1…b1b0 von Binärziffern
Beispiel : (10110111)2
Zahlenwert
W = bn*2n+bn-1*2n-1+…+b1*21+b0
10110111
Falls Missverständnis möglich, Index 2 verwenden
Beispiel:
Beispiel: 10110111 = 27+25+24+22+21+20 = 183
Von Dezimal nach Binär
W = (bnbn-1…b1b0 )2
⇔
W div 2 = (bnbn-1…b1 )2
und
W mod 2 = b0
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
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Binär - Dezimal
Zahlenwert
W = bn*2n+bn-1*2n-1+…+b1*21+ b0 = (bn bn-1… b1 b0 )2
W = 2 * (bn*2n-1+bn-1*2n-2+…+b1*20) + b0
= 2 *(bn bn-1… b1 )2 + b0
W div 2
und 0 ≤ b0 < 2
W mod 2
Also von Dezimal nach Binär
W = (bnbn-1…b1b0 )2
⇔
W div
2 = (bnbn-1…b1 )2
und
W mod 2 = b0
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 14
Umwandlung ins Binärsystem
W
= 2* (W div 2)
+
2002
1001
500
250
125
62
31
15
7
3
1
= 2 * 1001
= 2 * 500
= 2 * 250
= 2 * 125
= 2 * 62
= 2 * 31
= 2 * 15
=2*7
=2*3
=2*1
=2*0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
W mod 2
0
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
(2002)
(2002)1010==((1111 11 11 11 001100 00 11 0)
0)22
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 15
Hexadezimalsystem
Im Hexadezimalsystem verwendet man
16 Ziffern :
Positionsbewertungen
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F
F53CA = F*164+5*163+3*162+C*161+A*160 = (1004490)10
Umrechnung vom Dezimalsystem ins Hexadezimalsystem:
(2002)10
= (d2 d1 d0)16
= d2*162+d1*161
+ d0*160
= 16*(d2*161+d1*160) + d0,
2002 div 16
2002 mod 16
Konsequenz:
2002 div 16 = 125 = (d2 d1)16
125 div 16 = 7
= (d2)16
wobei 0 ≤ d0 < 16
Ergebnis:
⇒ d0 = 2002 mod 16 = 2
⇒ d1 = 125 mod 16 = D
⇒ d2 = 7
mod 16 = 7
2002 = (7D2)16
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 16
Darstellung von Bytes
Ein Byte wie z.B. 10111110 kann aufgefasst werden als
8-stellige Zahl im Binärsystem
3 stellige Zahl im Oktalsystem (mit führender Oktalziffer < 4)
(10111110)2 = 1*27+0*26+1*25+1*24+1*23+1*22+1*21+0*20
(10 111 110)2 = 2*82+7*81+6*80 = (276)8
2-stellige Zahl im Hexadezimalsystem
1011 1110 = 11*161+14*160 = (BE)16
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 17
Ganze Zahlen in Java
Java bietet vier Varianten von ganz-zahligen Wertetypen
byte
short
2 Byte = 16 bit
Wertebereich -215 = -32768 … +32767 = 215 -1
int
1 Byte = 8 bit
Wertebereich -27 = -128 … +127 = 27 -1
4 Byte = 32 bit
Wertebereich -231 = -2147483648 … +2147483647= 231 -1
long
8 Byte = 64 bit
Wertebereich -263 … 263-1 , d.h.
-9223372036854775808 … 9223372036854775807
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 18
Bereichsfehler
Operationen auf Zahlen können den festgelegten Bereich
überschreiten
z.B. Addition zweier großer positiver Zahlen
Im 2-Byte-Bereich 0 .. 216-1 die Addition 50000+50000:
1100001101010000 + 1100001101010000 =11000011010100000
1100001101010000
Was soll das
50000 + 50000 =
34464 ??
+
1100001101010000
=
1000011010100000
1
Übertrag
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Stimmt doch :
-15536 + -15536 =
- 31072
Seite 19
Bereichsüberschreitung
Auch bei ganz-zahligen Werten ist Bereichsüberschreitung möglich
Beispiel aus dem Bank-Projekt
z.B. bei der Addition großer Zahlen,
z.B. bei Subtraktion kleiner Zahlen,
bei der Multiplikation.
Legen Sie ein Konto für “Bill Gates“ an.
Zahlen Sie sein Geld ein: 2147483600 €.
Überweisen Sie ihm nun das Geld für Ihr Windows-Update: 60 €.
Überprüfen Sie mit Inspect, wie viele „Miese“ er jetzt hat.
Java speichert int-Werte in 4 Bytes ab
Bereich: - 2147483648 ... 2147483647
Für Bereichsüberschreitungen ist der Programmierer verantwortlich
Später mehr dazu (auch in der Übung)
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 20
Zahlenliterale
Zahlenkonstanten
(Literale)
standardmässig als int
interpretiert
int-Bereich
Interpretation als long
durch Anhängen von L
oder l
-2147483648 … +2147483647
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 21
Konversionen
Werte aus einem Bereich können
in Werte des anderen konvertiert
werden
Verknüpfung von Werten aus
verschiedenen Bereichen
konvertiert automatisch in den
größeren
engl.: to cast
neudeutsch: casten, gecastet, …
z.B. (short)+(long) = (long)
Konvertierung in zu kleinen
Bereich wird ausgeführt
auch wenn es nicht passt
Fehler
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 22
Dezimalzahlen
Dezimalzahlen sind Zahlen mit
Komma. Man speichert
das Vorzeichen
die Folge der Ziffern (Mantisse)
die Position des Kommas (Exponent)
… allerdings im Binären Zahlensystem
-7141,59270595 =
-0,714159270595*104
Vorzeichen:
1
Mantisse
71415927
Exponent:
4
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Viele Bits für Mantisse:
hohe Genauigkeit
Viele Bits für Exponenten: großer Bereich
Seite 23
Operationen auf Dezimalzahlen
Grundoperationen
Zahlkonstanten (Literale)
Zahlen mit Dezimalpunkt
Wissenschaftliche Notation
Beispiel: 0.0124, 3.1415, 1234.0, .23
Beispiele: 234E-12 für 2.34*10-12 , 1.5E17
Einstellige Operationen
+, -
plus, minus
Zweistellige Operationen
+, -, *, / Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 24
Java Dezimalzahlen
Java hat zwei Varianten von Dezimalzahlen
float
(floating point number, single precision)
32 Bit
double
Siehe Vorlesung
„Praktische Informatik II“
(double precision)
64 Bit
Das genaue Format ist in der IEEE Norm 745 festgelegt:
IEEE 745
Sign Exponent Mantisse
single
1 bit
8 bit
23 bit
Double
1 bit
11 bit
52 bit
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 25
Dezimale Literale
standardmäßig double
float durch Anhängen von F oder f
gemischte Operationen
konvertieren in größeren Bereich
(double)
Konversionen, casts
(float)
(double)
Konversion nach (int)
schneidet Stellen ab
nicht dasselbe wie runden
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 26
Fehler bei Dezimalzahlarithmetik
Dezimalzahlarithmetik ist nicht exakt
Werte werden approximiert
Wir addieren 0.1 und 0.2 und erhalten:
Vergleiche sind nicht 100% verlässlich:
0.1 + 0.2 ≠ 0.3
Addition ist nicht kommutativ
Praktische Informatik I, HWS 2007, Kapitel 5
Seite 27