Einführung in die Informatik:
Gespeichert in:
| Beteiligte Personen: | , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Oldenbourg
2006
|
| Ausgabe: | 7., vollst. überarb. Aufl. |
| Schlagwörter: | |
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| Beschreibung: | Literaturverzeichnis Seite 833-846 |
| Umfang: | XXIII, 871 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3486581155 9783486581157 |
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| adam_text | Inhalt
Vorwort zur siebten Auflage
1 Einführung 1
1.1 Was ist „Informatik ?..................................................................................1
1.1.1 Technische Informatik...................................................................................1
1.1.2 Praktische Informatik....................................................................................2
1.1.3 Theoretische Informatik................................................................................2
1.1.4 Angewandte Informatik................................................................................3
1.2 Information und Daten.................................................................................4
1.2.1 Bits................................................................................................................5
1.2.2 Bitfolgen........................................................................................................6
1.2.3 HexzifTern.....................................................................................................7
1.2.4 Bytes und Worte............................................................................................8
1.2.5 Dateien..........................................................................................................8
1.2.6 Datei- und Speichergrößen............................................................................9
1.2.7 Längen-und Zeiteinheiten..........................................................................10
1.3 Informationsdarstellung.............................................................................10
1.3.1 Text..............................................................................................................11
1.3.2 ASCII-Code................................................................................................11
1.3.3 ASCII-Erweiterungen.................................................................................12
1.3.4 Unicode, UCS und UTF-8..........................................................................13
1.3.5 Zeichenketten..............................................................................................15
1.3.6 Logische Werte und logische Verknüpfungen.............................................15
1.3.7 Programme..................................................................................................16
1.3.8 Bilder und Musikstücke..............................................................................16
1.4 Zahlendarstellungen...................................................................................17
1.4.1 Binärdarstellung..........................................................................................17
1.4.2 Das Oktalsystem und das Hexadezimalsystem...........................................18
1.4.3 Umwandlung in das Binär-, Oktal- oder Hexadezimalsystem....................19
1.4.4 Arithmetische Operationen.........................................................................21
1.4.5 Darstellung ganzer Zahlen..........................................................................22
1.4.6 Die Zweierkomplementdarstellung.............................................................23
1.5 Standardformate für ganze Zahlen.............................................................25
1.5.1 Gleitpunktzahlen: Reelle Zahlen.................................................................26
1.5.2 Real-Zahlenbereiche in Programmiersprachen...........................................29
1.5.3 Daten - Informationen................................................................................30
1.5.4 Informationsverarbeitung - Datenverarbeitung..........................................31
VIII Inhalt
1.6
1.6.1 PCs, Workstations,
1.6.2 Aufbau von Computersystemen..................................................................33
1.6.3 Der Rechner von außen...............................................................................34
1.6.4 Das Innenleben...........................................................................................34
1.6.5 Ein Motherboard.........................................................................................39
1.6.6 Die Aufgabe der CPU.................................................................................41
1.6.7 Die Organisation des Hauptspeichers.........................................................43
1.6.8 Speichermedien...........................................................................................46
1.6.9 Magnetplatten.............................................................................................47
1.6.10 Disketten.....................................................................................................48
1.6.11 Festplattenlaufwerke...................................................................................49
1.6.12 Optische Laufwerke....................................................................................51
1.6.13 Vergleich von Speichermedien...................................................................53
1.6.14 Bildschirme.................................................................................................53
1.6.15 Text-und Grafikmodus...............................................................................54
1.7 Von der Hardware zum Betriebssystem.....................................................55
1.7.1 Schnittstellen und Treiber...........................................................................57
1.7.2 BIOS...........................................................................................................58
1.7.3 Die Aufgaben des Betriebssystems.............................................................59
1.7.4 Prozess-und Speicherverwaltung...............................................................60
1.7.5 Dateiverwaltung..........................................................................................60
1.7.6 DOS, Windows und Linux..........................................................................63
1.7.7 Bediensysteme............................................................................................64
1.8 Anwendungsprogramme............................................................................66
1.8.1 Textverarbeitung.........................................................................................66
1.8.2 Zeichen und Schriftarten.............................................................................67
1.8.3 Formatierung...............................................................................................68
1.8.4 Desktop Publishing.....................................................................................69
1.8.5 Textbeschreibungssprachen........................................................................70
1.8.6 Tabellenkalkulation:
1.8.7 Der Rechner als Fenster zur Welt...............................................................76
1.8.8 Wie geht es weiter?.....................................................................................78
2 Grundlagen der Programmierung 79
2.1 Programmiersprachen................................................................................80
2.1.1 Vom Programm zur Maschine....................................................................80
2.1.2 Virtuelle Maschinen....................................................................................81
2.1.3 Interpreter....................................................................................................83
2.1.4 Programmieren und Testen.........................................................................83
2.1.5 Programmierumgebungen...........................................................................84
2.1.6 BASIC.........................................................................................................85
2.1.7 Pascal..........................................................................................................86
2.1.8 Java.............................................................................................................87
2.1.9 Prolog..........................................................................................................87
Inhalt
2.2 Spezifikationen, Algorithmen, Programme...............................................89
2.2.1 Spezifikationen............................................................................................89
2.2.2 Algorithmen................................................................................................91
2.2.3 Algorithmen als Lösimg von Spezifikationen.............................................96
2.2.4 Terminierung...............................................................................................96
2.2.5 Elementare Aktionen...................................................................................91
2.2.6 Zuweisungen...............................................................................................98
2.2.7 Vom Algorithmus zum Programm..............................................................99
2.2.8 Ressourcen................................................................................................101
2.3 Daten und Datenstrukturen......................................................................102
2.3.1 Der Begriff der Datenstruktur...................................................................102
2.3.2 Boolesche Werte........................................................................................103
2.3.3 Zahlen........................................................................................................106
2.3.4 Natürliche Zahlen......................................................................................106
2.3.5 Der Datentyp Integer.................................................................................108
2.3.6 Rationale Zahlen.......................................................................................110
2.3.7 Reelle Zahlen............................................................................................110
2.3.8 Mehrsortige Datenstrukturen....................................................................111
2.3.9 Zeichen......................................................................................................113
2.3.10 Zusammengesetzte Datentypen -
2.3.11 Benutzerdefinierte Datenstrukturen..........................................................116
2.3.12 Informationsverarbeitung und Datenverarbeitung....................................117
2.4 Speicher, Variablen und Ausdrücke.........................................................119
2.4.1 Deklarationen............................................................................................120
2.4.2 Initialisierung............................................................................................121
2.4.3 Kontexte....................................................................................................121
2.4.4 Ausdrücke,
2.4.5 Auswertung von Ausdrücken....................................................................124
2.4.6 Funktionsdefinitionen...............................................................................125
2.4.7 Typfehler...................................................................................................127
2.4.8 Seiteneffekte..............................................................................................128
2.5 Der Kern imperativer Sprachen...............................................................129
2.5.1 Zuweisungen.............................................................................................129
2.5.2 Kontrollstrukturen.....................................................................................131
2.5.3 Drei Kontrollstrukturen genügen..............................................................131
2.5.4 Die sequentielle Komposition...................................................................131
2.5.5 Die Alternativanweisung...........................................................................133
2.5.6 Die while-Schleife.....................................................................................134
2.5.7 Unterprogramme.......................................................................................135
2.5.8 Lauffähige Programme..............................................................................136
2.6 Formale Beschreibung von Programmiersprachen..................................137
2.6.1 Lexikalische Regeln..................................................................................137
2.6.2 Syntaktische Regeln..................................................................................139
2.6.3 Semantische Regeln..................................................................................141
X
2.7 Erweiterung der Kernsprache..................................................................142
2.7.1 Bedingte Anweisung.................................................................................142
2.7.2 Fallunterscheidung....................................................................................144
2.7.3 do-Schleife................................................................................................145
2.7.4 Allgemeinere Schleifenkonstrukte............................................................146
2.7.5 Die for-Schleife.........................................................................................147
2.7.6
2.8 Rekursive Funktionen und Prozeduren....................................................150
2.8.1 Rekursive Programme...............................................................................152
2.8.2 Die Türme von Hanoi...............................................................................152
2.8.3 Spielstrategien als rekursive Prädikate -
2.8.4 Wechselseitige Rekursion.........................................................................155
2.8.5 Induktion - Rekursion..............................................................................156
2.8.6 Allgemeine Rekursion..............................................................................156
2.8.7 Endrekursion.............................................................................................158
2.8.8 Lineare Rekursion.....................................................................................159
2.8.9 Eine Programmtransformation..................................................................161
2.9 Typen, Module, Klassen und Objekte......................................................162
2.9.1 Strukturiertes Programmieren...................................................................164
2.9.2 Blockstrukturierung..................................................................................164
2.9.3 Strukturierung der Daten..........................................................................165
2.9.4 Objektorientierte Konstruktion neuer Datentypen....................................170
2.9.5 Modulares Programmieren.......................................................................172
2.9.6 Schnittstellen-Interfaces.........................................................................173
2.9.7 Objektorientiertes Programmieren............................................................176
2.9.8 Vererbung..................................................................................................178
2.9.9 Summentypen in objektorientierten Sprachen..........................................180
2.9.10 Datenkapselung.........................................................................................182
2.10 Verifikation..............................................................................................183
2.10.1 Vermeidung von Fehlern...........................................................................184
2.10.2 Zwischenbehauptungen............................................................................185
2.10.3 Partielle Korrektheit..................................................................................186
2.10.4 Zerlegung durch Zwischenbehauptungen.................................................187
2.10.5 Zuweisungsregel.......................................................................................188
2.10.6 Rückwärtsbeweis......................................................................................190
2.10.7 if-else-Regel..............................................................................................192
2.10.8 Abschwächungsregel und einarmige Alternative.....................................192
2.10.9 Invarianten und while-Regel.....................................................................193
2.10.10 Starke und schwache Invarianten.............................................................196
2.10.11 Programm-Verifizierer..............................................................................198
2.10.12 do-Schleife................................................................................................200
2.10.13 Terminierung.............................................................................................201
2.10.14 Beweis eines Programmschemas..............................................................201
2.11 Zusammenfassung...................................................................................202
Inhalt
3 Die Programmiersprache Java 203
3.1 Geschichte von Java.................................................................................205
3.2 Die lexikalischen Elemente von Java......................................................205
3.2.1 Kommentare..............................................................................................206
3.2.2 Bezeichner.................................................................................................207
3.2.3 Schlüsselwörter.........................................................................................207
3.2.4 Literale......................................................................................................207
3.3 Datentypen und Methoden.......................................................................209
3.3.1 Variablen...................................................................................................209
3.3.2 Referenz-Datentypen.................................................................................210
3.3.3
3.3.4 Methoden..................................................................................................212
3.3.5 Klassen und Instanzen...............................................................................214
3.3.6 Objekte und Referenzen............................................................................216
3.3.7 Objekt-und Klassenkomponenten............................................................217
3.3.8 Attribute....................................................................................................218
3.3.9 Überladung................................................................................................219
3.3.10 Konstruktoren............................................................................................220
3.3.11 Aufzählungstypen.....................................................................................221
3.4 Ausführbare Java-Programme.................................................................222
3.4.1 Java-Dateien - Übersetzungseinheiten.....................................................224
3.4.2 Programme................................................................................................225
3.4.3
3.4.4
3.5 Ausdrücke und Anweisungen..................................................................228
3.5.1 Arithmetische Operationen.......................................................................229
3.5.2 Vergleichsoperationen...............................................................................229
3.5.3 Boolesche Operationen.............................................................................230
3.5.4 Bitweise Operationen................................................................................230
3.5.5 Zuweisungsausdrücke...............................................................................231
3.5.6 Anweisungsausdrücke...............................................................................232
3.5.7 Sonstige Operationen................................................................................232
3.5.8 Präzedenz der Operatoren.........................................................................233
3.5.9 Einfache Anweisungen..............................................................................234
3.5.10 Blöcke.......................................................................................................235
3.5.11 Alternativ-Anweisungen...........................................................................236
3.5.12 switch-Anweisung.....................................................................................236
3.5.13 Schleifen....................................................................................................238
3.5.14 Die for-Anweisung....................................................................................238
3.5.15
XII Inhalt
3.6 Klassen und Objekte................................................................................241
3.6.1 Vererbung..................................................................................................243
3.6.2 Späte Bindung
3.6.3 Finale Komponenten.................................................................................248
3.6.4 Zugriffsrechte von Feldern und Methoden...............................................249
3.6.5 Attribute von Klassen...............................................................................249
3.6.6 Abstrakte Klassen.....................................................................................250
3.6.7 Rekursiv definierte Klassen......................................................................251
3.6.8 Schnittstellen (Interfaces).........................................................................253
3.6.9
3.6.10 Ausnahmen -
3.6.11 Zusicherungen -
3.6.12
3.6.13
3.7 Grafische Benutzeroberflächen mit Java (AWT).....................................271
3.7.1 Ein erstes Fenster......................................................................................272
3.7.2 Ereignisse..................................................................................................273
3.7.3 Beispiel für eine Ereignisbehandlung.......................................................274
3.7.4 Buttons......................................................................................................276
3.7.5 Grafikausgabe in Fenstern........................................................................277
3.7.6 Maus-Ereignisse........................................................................................278
3.7.7
3.7.8 Weitere Bedienelemente von Programmen und Fenstern.........................284
3.8 Dateien: Ein- und Ausgabe......................................................................284
3.8.1 Dateidialog................................................................................................284
3.8.2 Schreiben einer Datei................................................................................285
3.8.3 Lesen einer Datei......................................................................................286
3.8.4 Testen von Dateieigenschaften.................................................................287
3.9 Wurzeln und Weiterentwicklung von Java..............................................287
4 Algorithmen und Datenstrukturen 289
4.1 Suchalgorithmen......................................................................................291
4.1.1 Lineare Suche...........................................................................................292
4.1.2 Binäre Suche.............................................................................................294
4.1.3 Lineare Suche
4.1.4 Komplexität von Algorithmen..................................................................296
4.2 Einfache Sortierverfahren........................................................................298
4.2.1 Datensätze und Schlüssel..........................................................................298
4.2.2 Invarianten und
4.2.3 BubbleSort................................................................................................303
4.2.4 SelectionSort.............................................................................................305
4.2.5 InsertionSort..............................................................................................307
4.2.6 Laufzeitvergleiche der einfachen Sortieralgorithmen...............................309
4.2.7 ShellSortundCombSort...........................................................................310
Inhalt___________________________________________________________________
4.3 Schnelle Sortieralgorithmen....................................................................311
4.3.1 Divide
4.3.2
4.3.3 Die Partitionierung....................................................................................313
4.3.4 Korrektheit von
4.3.5 Komplexität von
4.3.6 MergeSort..................................................................................................316
4.3.7 DistributionSort (RadixSort).....................................................................318
4.3.8 Wieso und wie gut funktioniert DistributionSort?....................................320
4.3.9 Einsatz und Implementierung von DistributionSort.................................320
4.3.10 Laufzeit der schnellen Sortieralgorithmen................................................322
4.3.11 Externes Sortieren.....................................................................................324
4.4 Abstrakte Datenstrukturen.......................................................................325
4.4.1 Datenstruktur = Menge + Operationen.....................................................325
4.4.2 Die
4.5 Stacks.......................................................................................................326
4.5.1 Stackoperationen.......................................................................................327
4.5.2 Implementierung durch ein
4.5.3 Implementierung durch eine Liste............................................................330
4.5.4 Auswertung von Postfix-Ausdrücken.......................................................331
4.5.5 Entrekursivierung......................................................................................332
4.5.6 Stackpaare.................................................................................................333
4.6 Queues, Puffer, Warteschlangen..............................................................334
4.6.1 Implementierung durch ein „zirkuläres
4.6.2 Implementierung durch eine zirkuläre Liste.............................................337
4.6.3 Anwendung von Puffern...........................................................................337
4.7 Listen.......................................................................................................338
4.7.1 Einfach verkettete Listen...........................................................................339
4.7.2 Der Listeniterator forEach.........................................................................342
4.7.3 Listen als Verallgemeinerung von Stacks und Queues.............................343
4.7.4 Doppelt verkettete Listen..........................................................................343
4.7.5 Geordnete Listen und
4.7.6
4.7.7
4.7.8 Behälter
4.8 Bäume......................................................................................................348
4.8.1 Beispiele von Bäumen..............................................................................349
4.8.2 Binärbäume...............................................................................................350
4.8.3 Implementierung von Binärbäumen..........................................................351
4.8.4 Traversierungen.........................................................................................352
4.8.5 Kenngrößen von Binärbäumen.................................................................356
4.8.6 Binäre Suchbäume....................................................................................357
4.8.7 Implementierung von binären Suchbäumen..............................................358
4.8.8 Balancierte Bäume....................................................................................364
4.8.9 AVL-Bäume..............................................................................................365
XIV
4.8.10 2-3-4-Bäume.............................................................................................367
4.8.11 B-Bäume...................................................................................................369
4.8.12 Vollständige Bäume..................................................................................370
4.8.13
4.8.14 HeapSort...................................................................................................374
4.8.15
4.8.16 Bäume mit variabler Anzahl von Teilbäumen..........................................375
4.9 Graphen....................................................................................................376
4.9.1 Wege und Zusammenhang........................................................................377
4.9.2 Repräsentationen von Graphen.................................................................378
4.9.3 Traversierungen........................................................................................380
4.9.4 Tiefensuche und
4.9.5 Breitensuche..............................................................................................382
4.9.6 Transitive Hülle........................................................................................383
4.9.7 Kürzeste Wege..........................................................................................384
4.9.8 Schwere Probleme für Handlungsreisende...............................................387
4.9.9 Eine Implementierung des TSP................................................................388
4.10 Zeichenketten...........................................................................................392
4.10.1 Array-Implementierung............................................................................392
4.10.2 Nullterminierte
4.10.3 Stringoperationen......................................................................................393
4.10.4 Suchen in Zeichenketten...........................................................................394
4.10.5 Der Boyer-Moore-Algorithmus................................................................394
5 Rechnerarchitektur 397
5.1 Vom Transistor zum Chip........................................................................397
5.1.1 Chips.........................................................................................................398
5.1.2 Chipherstellung.........................................................................................399
5.1.3 Kleinste Chip-Strukturen..........................................................................400
5.1.4 Chipfläche und Anzahl der Transistoren..................................................401
5.1.5 Weitere Chip-Parameter............................................................................401
5.1.6 Speicherbausteine.....................................................................................402
5.1.7 Logikbausteine..........................................................................................403
5.1.8 Schaltungsentwurf....................................................................................403
5.2 Boolesche Algebra...................................................................................404
5.2.1 Serien-parallele Schaltungen....................................................................404
5.2.2 Serien-parallele Schaltglieder...................................................................406
5.2.3 Boolesche
5.2.4 Schaltfimktionen.......................................................................................408
5.2.5 Gleichungen..............................................................................................408
5.2.6 SP-Schaltungen sind monoton..................................................................409
5.2.7 Negation....................................................................................................410
5.2.8 Boolesche
5.2.9 Dualität......................................................................................................412
Inhalt
5.2.10 Realisierung von Schaltfunktionen...........................................................413
5.2.11 Konjunktive Normalform..........................................................................414
5.2.12 Umwandlung in DNF oder KNF...............................................................415
5.2.13 Aussagenlogik...........................................................................................416
5.2.14 Mengenalgebra..........................................................................................416
5.3 Digitale Logik..........................................................................................417
5.3.1 Gatter mit mehreren Ausgängen...............................................................420
5.3.2 Logik-Gitter..............................................................................................422
5.3.3 Programmierbare Gitterbausteine.............................................................424
5.3.4 Rückgekoppelte Schaltungen....................................................................424
5.3.5 Anwendungen von Flip-Flops...................................................................427
5.3.6 Technische Schwierigkeiten......................................................................428
5.3.7 Die Konstraktion der Hardwarekomponenten..........................................429
5.3.8 Schalter, Codierer, Decodierer..................................................................429
5.3.9 Speicherzellen...........................................................................................430
5.3.10 Register.....................................................................................................430
5.3.11 Die Arithmetisch-Logische Einheit...........................................................433
5.4 Von den Schaltgliedern zur CPU.............................................................436
5.4.1 Busse.........................................................................................................437
5.4.2 Mikrocodegesteuerte Operationen............................................................438
5.4.3 Der Zugang zum Hauptspeicher................................................................441
5.4.4 Der Mikrobefehlsspeicher - das ROM.....................................................443
5.4.5 Sprünge.....................................................................................................443
5.4.6 Berechnete Sprünge..................................................................................444
5.4.7 Der Adressrechner.....................................................................................446
5.4.8 Ein Mikroprogramm.................................................................................447
5.4.9 Maschinenbefehle.....................................................................................448
5.4.10 DerMaschinenspracheinterpretierer.........................................................450
5.4.11 Argumente.................................................................................................451
5.5 Assemblerprogrammierang.....................................................................452
5.5.1 Maschinensprache und Assembler............................................................452
5.5.2 Register der
5.5.3 Allzweckregister und Spezialregister........................................................455
5.5.4
5.5.5 Arithmetische
5.5.6 Größenvergleiche......................................................................................458
5.5.7 Logische Operationen...............................................................................459
5.5.8 Sprünge.....................................................................................................460
5.5.9 Struktur eines vollständigen Assemblerprogrammes................................462
5.5.10 Ein Beispielprogramm..............................................................................463
5.5.11 Testen von Assemblerprogrammen...........................................................465
5.5.12 Speicheradressierang.................................................................................466
5.5.13 Operationen auf Speicherblöcken.............................................................467
5.5.14 Multiplikation und Division......................................................................468
XVI
5.5.15 Shift-Operationen......................................................................................469
5.5.16 LOOP-Befehle..........................................................................................470
5.5.17 Der Stack...................................................................................................471
5.5.18 Einfache Unterprogramme........................................................................472
5.5.19 Parameterübergabe und Stack...................................................................473
5.5.20 Prozeduren und Funktionen......................................................................475
5.5.21 Makros......................................................................................................475
5.5.22 Assembler unter DOS...............................................................................476
5.5.23 Assembler unter Windows........................................................................478
5.6 RISC-Architekturen.................................................................................479
5.6.1 CISC..........................................................................................................479
5.6.2 Von CISC zu RISC....................................................................................480
5.6.3 RISC-Prozessoren.....................................................................................481
5.6.4
5.6.5 Superskalare Architekturen.......................................................................484
5.6.6 Cache-Speicher.........................................................................................484
5.6.7 Leistungsvergleich....................................................................................484
5.6.8 Konkrete RISC-Architekturen..................................................................485
5.7 Architektur der Intel-PC-Mikroprozessorfamilie....................................488
5.7.1 Adressierung.............................................................................................493
5.7.2 Die Segmentierungseinheit.......................................................................493
5.7.3 Adressübersetzung....................................................................................495
5.7.4 Datenstrukturen und Befehle des Pentium................................................495
5.7.5 MMX-Befehle...........................................................................................496
5.7.6 Betriebsarten des Pentium........................................................................496
5.7.7 Ausblick....................................................................................................497
6 Betriebssysteme 499
6.1 Basis-Software.........................................................................................500
6.2 Betriebsarten............................................................................................502
6.2.1 Teilhaberbetrieb........................................................................................502
6.2.2 Client-Server-Systeme..............................................................................502
6.3 Verwaltung der Ressourcen.....................................................................504
6.3.1 Dateisystem...............................................................................................504
6.3.2 Dateioperationen.......................................................................................505
6.3.3 Prozesse....................................................................................................506
6.3.4 Bestandteile eines Prozesses.....................................................................507
6.3.5
6.3.6 Prozessverwaltung....................................................................................508
6.3.7 Prozesskommunikation.............................................................................509
6.3.8 Kritische Abschnitte -wechselseitiger Ausschluss..................................510
6.3.9
6.3.10
6.3.11 Speicherverwaltung..................................................................................515
Inhalt XVII
6.4 Das Betriebssystem UNIX.......................................................................519
6.4.1 Linux.........................................................................................................519
6.4.2 Das UNIX-Dateisystem............................................................................520
6.4.3 Dateinamen...............................................................................................521
6.4.4 Dateirechte................................................................................................521
6.4.5 Pfade..........................................................................................................522
6.4.6 Special
6.4.7
6.4.8 UNIX-Shells..............................................................................................524
6.4.9 UNIX-Kommandos...................................................................................524
6.4.10 Optionen....................................................................................................525
6.4.11 Datei-Muster.............................................................................................527
6.4.12 Standard-Input/Standard-Output...............................................................527
6.4.13 Dateibearbeitung.......................................................................................528
6.4.14 Reguläre Ausdrücke..................................................................................529
6.5 UNIX-Prozesse........................................................................................530
6.5.1
6.5.2 Sind
6.5.3 Prozess-Steuerang.....................................................................................533
6.5.4 Multitasking..............................................................................................535
6.5.5 UNIX-Shell-Programmierang...................................................................537
6.5.6 DieC-Shell................................................................................................537
6.5.7 Kommando-Verknüpfungen......................................................................538
6.5.8 Variablen...................................................................................................538
6.5.9 Shell-Scripts..............................................................................................540
6.5.10 Ausführung von Shell-Scripts...................................................................540
6.5.11 UNIX-Kommandos und Shell-Kommandos.............................................540
6.5.12 UNIX als Mehrbenutzersystem.................................................................542
6.5.13 Verbindung zu anderen Rechnern.............................................................543
6.5.14 Weltweiter Rechnerzugang.......................................................................543
6.5.15 UNIX-Tools...............................................................................................544
6.5.16 Editoren.....................................................................................................544
6.5.17 CundC-H-.................................................................................................546
6.5.18 Scanner-und Parsergeneratoren................................................................547
6.5.19 Projektbearbeitung....................................................................................548
6.6
6.6.1 Window-Manager und Terminal Emulator...............................................550
6.6.2 Grafische Oberflächen..............................................................................551
6.7 MS-DOS und MS-Windows....................................................................551
6.7.1 Dynamic Link Libraries............................................................................553
6.7.2
6.7.3
6.7.4
6.8
XVIII
7 Rechnernetze 559
7.1 Rechner-Verbindungen............................................................................560
7.1.1 Signalübertragung.....................................................................................560
7.1.2 Physikalische Verbindung.........................................................................562
7.1.3 Synchronisation........................................................................................564
7.1.4 Bitcodierungen..........................................................................................565
7.2 Datenübertragung mit Telefonleitungen..................................................566
7.2.1 ISDN.........................................................................................................567
7.2.2 DSL, ADSL und T-DSL...........................................................................568
7.2.3 ADSL2+....................................................................................................570
7.3 Protokolle und Netze...............................................................................570
7.3.1 Das OSI-Modell........................................................................................571
7.3.2 Netze.........................................................................................................573
7.3.3 Netztopologien..........................................................................................574
7.3.4 Netze von Netzen......................................................................................576
7.3.5 Zugriffsverfahren......................................................................................579
7.3.6 Wettkampfverfahren: CSMA-CD.............................................................579
7.4 Netztechnologien.....................................................................................581
7.4.1 Ethernet.....................................................................................................581
7.4.2 FDDI.........................................................................................................582
7.4.3 ATM..........................................................................................................582
7.4.4 SONET/SDH............................................................................................584
7.5 Drahtlose Netze.......................................................................................586
7.5.1 Bluetooth...................................................................................................587
7.5.2 WLAN......................................................................................................588
8 Das Internet 595
8.0.1 Bildung von Standards im Internet...........................................................596
8.1 Die TCP/IP Protokolle.............................................................................598
8.1.1 Die Protokolle TCP und
8.1.2 Das
8.2 IP-Adressen..............................................................................................603
8.2.1 Adressklassen............................................................................................604
8.2.2 Adressübersetzung....................................................................................606
8.3 Das System der Domain-Namen.............................................................609
8.3.1 DNS-lookup in Java..................................................................................612
8.3.2 Programmierung einer TCP-Verbindung..................................................614
8.4 Intranets, Firewalls und virtuelle private Netzwerke...............................618
8.5 Die Dienste im Internet............................................................................620
8.5.1 E-Mail.......................................................................................................621
8.5.2 News.........................................................................................................626
8.5.3 FTP............................................................................................................626
8.5.4
8.5.5
Inhalt__________________________________________________________________
8.6 Das World Wide Web...............................................................................628
8.6.1 HTTP.........................................................................................................630
8.6.2 HTML.......................................................................................................631
8.6.3 Die Struktur eines HTML-Dokumentes....................................................634
8.6.4 Querverweise: Links.................................................................................635
8.6.5 Tabellen und Frames.................................................................................636
8.6.6 Formulare..................................................................................................638
8.6.7 StyleSheets...............................................................................................639
8.6.8 Weitere Möglichkeiten von HTML...........................................................640
8.7 Web-Programmierung..............................................................................640
8.7.1 JavaScript..................................................................................................640
8.7.2 Applets......................................................................................................643
8.7.3 Die Struktur eines Applets........................................................................644
8.7.4 Der Lebenszyklus eines Applet.................................................................645
8.7.5 Interaktionen.............................................................................................645
8.7.6 PHP...........................................................................................................648
8.7.7 XML..........................................................................................................650
8.7.8 DOM, Ajax und Web 2.0..........................................................................659
9 Theoretische Informatik und Compilerbau 661
9.1 Analyse von Programmtexten..................................................................661
9.1.1 Lexikalische Analyse................................................................................662
9.1.2 Syntaxanalyse............................................................................................663
9.2 Reguläre Sprachen...................................................................................664
9.2.1 Reguläre Ausdrücke..................................................................................665
9.2.2 Automaten und ihre Sprachen...................................................................667
9.2.3 Implementierung endlicher Automaten.....................................................669
9.2.4
9.2.5 Automaten für reguläre Sprachen.............................................................670
9.2.6 Von nichtdeterministischen zu deterministischen Automaten..................671
9.2.7 Anwendung:
9.3 Kontextfreie Sprachen.............................................................................673
9.3.1 Kontextfreie Grammatiken........................................................................674
9.3.2 Ableitungen...............................................................................................675
9.3.3 Stackautomaten (Kellerautomaten)...........................................................676
9.3.4 Stackautomaten für beliebige kontextfreie Sprachen................................678
9.3.5 Nichtdetermmistische Algorithmen und
9.3.6 Inhärent nichtdeterministische Sprachen..................................................681
9.3.7 Ableitungsbaum, Syntaxbaum..................................................................681
9.3.8 Abstrakte Syntaxbäume............................................................................682
XX
9.4 Grundlagen des Compilerbaus.................................................................683
9.4.1
9.4.2 LL(
9.4.3 Äquivalente Grammatiken........................................................................687
9.4.4
9.4.5
9.4.6 Die Arbeitsweise von Shift-Reduce-Parsern............................................691
9.4.7
9.4.8 Konflikte...................................................................................................693
9.4.9 Ein nichtdeterministischer Automat mit Stack.........................................693
9.4.10 Übergang zum deterministischen Automaten...........................................696
9.4.11 Präzedenz..................................................................................................698
9.4.12 LR(l)undLALR(l)..................................................................................699
9.4.13 Parsergeneratoren......................................................................................700
9.4.14 lex/flex & yacc/bison................................................................................701
9.4.15 Grammatische Aktionen...........................................................................703
9.4.16 Fehlererkennung.......................................................................................705
9.4.17 Synthetisierte Werte..................................................................................705
9.4.18 Symboltabellen.........................................................................................706
9.4.19 Codeoptimierung......................................................................................706
9.5 Berechenbarkeit.......................................................................................707
9.5.1 Berechenbare Funktionen.........................................................................708
9.5.2 Beispiele berechenbarer Funktionen.........................................................709
9.5.3 Diagonalisierung.......................................................................................711
9.5.4 Nicht berechenbare Funktionen................................................................712
9.5.5 Algorithmenbegriff und Churchsche These..............................................712
9.5.6 Turingmaschinen.......................................................................................713
9.5.7
9.5.8 Turing-berechenbare Funktionen..............................................................716
9.5.9 Registermaschinen....................................................................................717
9.5.10 GOTO-Programme...................................................................................718
9.5.11
9.5.12
9.5.13 Effiziente Algorithmen als For-Programme.............................................721
9.5.14 Elementare (primitive) Rekursion............................................................722
9.5.15 Allgemeine Rekursion (ji-Rekursion).......................................................724
9.5.16 Die Ackermannfunktion...........................................................................725
9.5.17 Berechenbare Funktionen - Churchsche These........................................726
9.5.18 Gödelisierung............................................................................................726
9.5.19 Aufzählbarkeit und Entscheidbarkeit........................................................728
9.5.20 Unlösbare Aufgaben.................................................................................728
9.5.21 Semantische Probleme sind unentscheidbar.............................................729
Inhalt________________________________________________^^^^^ XXI
9.6 Komplexitätstheorie.................................................................................731
9.6.1 Rückführung auf ja/nein-Probleme...........................................................732
9.6.2 Entscheidungsprobleme und Sprachen.....................................................732
9.6.3 Maschmenmodelle und Komplexitätsmaße..............................................733
9.6.4 Sprachen und ihre Komplexität.................................................................734
9.6.5 Effiziente parallele Lösungen...................................................................734
9.6.6 Nichtdeterminismus..................................................................................736
9.6.7 Die Klasse NP...........................................................................................737
9.6.8 Reduzierbarkeit.........................................................................................738
9.6.9 Der Satz von Cook....................................................................................740
9.6.10 NP-Vollständigkeit....................................................................................742
9.6.11 CLIQUE ist NP-vollständig......................................................................742
9.6.12 Praktische Anwendung von SAT-Problemen............................................743
9.6.13
10 Datenbanksysteme 747
10.1 Datenbanken und Datenbanksysteme......................................................747
10.2 Datenmodelle...........................................................................................749
10.2.1 Entity/Relationship-Modell.......................................................................749
10.2.2 Das Relationale Datenbankmodell............................................................751
10.2.3 Relationen.................................................................................................752
10.2.4 Die relationale Algebra.............................................................................753
10.2.5 Erweiterungen des relationalen Datenmodells..........................................754
10.2.6 Abbildung eines E/R-Datenmodells in ein relationales Modell................754
10.3 Die Anfragesprache SQL.........................................................................755
10.3.1 Datendefmition..........................................................................................755
10.3.2 Einfache Anfragen....................................................................................757
10.3.3 Gruppierung und Aggregate......................................................................758
10.3.4 Verknüpfung verschiedener Relationen....................................................759
10.3.5 Einfügen, Ändern und Löschen von Datensätzen.....................................759
10.3.6 Mehrbenutzerbetrieb.................................................................................760
10.4 Anwendungsprogrammierung in Java.....................................................762
10.4.1 Das SQL-Paket in Java..............................................................................763
10.4.2 Aufbau einer Verbindung..........................................................................764
10.4.3 Anfragen....................................................................................................764
10.5 Zusammenfassung...................................................................................766
11 Grafikprogrammierung 767
11.1 Hardware..................................................................................................767
11.1.1 Auflösungen..............................................................................................768
11.1.2 Farben........................................................................................................768
11.2 Grafikroutinen für Rastergrafik...............................................................769
11.2.1
XXII Inhalt
11.3 Einfache Programmierbeispiele...............................................................772
11.3.1 Mandelbrot-und Julia-Mengen................................................................774
11.3.2 Turtle-Grafik.............................................................................................778
11.3.3 L-Systeme.................................................................................................782
11.3.4 Ausblick....................................................................................................785
11.4
11.4.1 Sichtbarkeit...............................................................................................786
11.4.2 Beleuchtungsmodelle................................................................................787
11.4.3 Ray-Tracing..............................................................................................790
11.4.4 Die Radiosity Methode.............................................................................791
11.4.5 Ausblick....................................................................................................792
12 Software-Entwicklung 793
12.1 Methoden und Werkzeuge für Projekte...................................................794
12.2 Vorgehensmodelle....................................................................................796
12.2.1 Code and fix-Verfahren.............................................................................796
12.2.2 Wasserfall-Modelle...................................................................................797
12.2.3 Transformations-Modelle.........................................................................800
12.2.4 Nichtsequentielle Vorgehensmodelle........................................................800
12.2.5
12.2.6 Modelle zur inkrementellen Systementwicklung.....................................802
12.2.7 Evolutionäre Entwicklungsmodelle..........................................................802
12.2.8 Modelle zur objektorientierten Systementwicklung.................................803
12.3 Traditionelle Methoden zur Programmentwicklung................................805
12.3.1 Strukturierte Programmierung..................................................................805
12.3.2 Schrittweise Verfeinerung und Top-down-Entwurf..................................805
12.3.3 Geheimnisprinzip, Daten-Abstraktion und Modularisierung...................806
12.3.4 Strukturierte Analyse-und Entwurfstechniken.........................................807
12.3.5 Entity/Relationship-Modellierang............................................................808
12.3.6 Systematische Test-, Review- und Inspektionsverfahren.........................809
12.4 Objektorientierte Software-Entwicklungsmethoden................................809
12.4.1 Prinzipien der Objektorientierang............................................................809
12.4.2 Objektorientierter Entwurf........................................................................810
12.5 Objektorientierte Analyse und Modellierung...........................................811
12.5.1 Standardisierung der objektorientierten Modellierung.............................812
12.5.2 Die Modellierangssprache UML..............................................................812
12.5.3 Software-Architektur................................................................................816
12.5.4 Entwurfsmuster und Frameworks.............................................................817
12.5.5 Aspekt-orientierte Entwicklung................................................................817
12.5.6 Modell-getriebene Architektur.................................................................818
12.6 Projekt-Management................................................................................819
12.6.1 Projektinitialisierung und-planung..........................................................819
12.6.2 Projektsteuerung und
12.6.3 Projektabschluss und
Inhalt_________________________________________________________________
12.7 Software-Qualitätssicherung....................................................................821
12.7.1 Qualitätsnormen und Zertifizierung..........................................................823
12.8 Werkzeuge und Programmierumgebungen..............................................825
12.8.1 Klassifizierung von Werkzeugen..............................................................825
12.8.2 Werkzeuge zur Analyse und Modellierung...............................................826
12.8.3 Werkzeuge für Spezifikation und Entwurf................................................826
12.8.4 Programmier-Werkzeuge..........................................................................827
12.8.5 Test- und Fehlerbehebungs-Werkzeuge....................................................827
12.8.6 Tätigkeitsübergreifende Werkzeuge..........................................................829
12.8.7 Entwicklungs-Umgebungen.....................................................................830
A
A.l Einführende Bücher.................................................................................833
A.2 Lehrbücher der Informatik.......................................................................834
A.3 Programmieren in Pascal.........................................................................835
A.4 Programmieren in Java............................................................................835
A.5 Algorithmen und Datenstrukturen...........................................................836
A.6 Rechnerarchitektur...................................................................................837
A.7 Betriebssysteme.......................................................................................838
A.8 Rechnernetze............................................................................................838
A.9 Internet.....................................................................................................839
A.10 Theoretische Informatik und Compilerbau..............................................840
A.ll Datenbanken............................................................................................841
A.12 Grafikprogrammierang............................................................................842
A.13 Software-Entwicklung.............................................................................843
A.14 Mathematischer Hintergrand...................................................................846
A.15 Sonstiges..................................................................................................846
Stichwortverzeichnis 847
Einführung in die Informatik
7, vollständig überarbeitete Auflage
Dieses Buch bietet eine umfassende und anschauliche
Diskussion fundamentaler Konzepte der Informatik. Es führt
in Grundlagen, Methoden und Theorien der Programmierung
ein, erklärt grundlegende Algorithmen und Datenstrukturen
der Informatik anhand von Java-Beispielprogrammen und
stellt die Architektur eines modernen Rechners vom Chip bis
hin zum RISC-Prozessor vor. Betriebssysteme werden ebenso
erklärt wie Rechnernetze. Die Auszeichnungssprache XML
hat sich als universelles Datenformat etabliert und wird im
Kapitel über das Internet detailliert beschrieben. Weiter¬
führende Themen der Informatik, darunter Compilerbau,
Grafikprogrammierung, Datenbanksysteme und Software-
Entwicklung werden exemplarisch vorgestellt und runden
dieses Grundlagenwerk ab.
Die Beispielprogramme und weitere Software stehen im
Internet zum Downlaod bereit.
Prof. Dr.
Heinz Peter Gumm
und Prof. Dr.
Manfred Sommer
lehren an der Philipps-
Universität Marburg.
Prof. Gumm ist in der
Theoretischen Informatik
beheimatet, wohingegen
der Schwerpunkt von Prof.
Sommer im Bereich der
Softwareentwicklung liegt.
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Teilbibliothek Mathematik & Informatik
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