Einführung in die Informatik:
Gespeichert in:
| Hauptverfasser: | , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Oldenbourg
2004
|
| Ausgabe: | 6., vollst. überarb. und erw. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Klappentext |
| Beschreibung: | XXI, 876 S. graph. Darst. |
| ISBN: | 3486273892 |
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|---|---|
| adam_text | Inhalt
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 Hexziffern.....................................................................................................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 ASCn-Code................................................................................................11
1.3.3 ASCn-Erweiterangen.................................................................................12
1.3.4 Unicode und UCS.......................................................................................13
1.3.5 UTF-8..........................................................................................................13
1.3.6 Zeichenketten..............................................................................................15
1.3.7 Logische Werte und logische Verknüpfungen.............................................15
1.3.8 Programme..................................................................................................16
1.3.9 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................................................................................29
1.5.4 Informationsverarbeitung - Datenverarbeitung..........................................30
1.6
1.6.1
1.6.2 Aufbau von Computersystemen..................................................................32
1.6.3 Der Rechner von außen...............................................................................33
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...........................................................................................47
1.6.9 Magnetplatten.............................................................................................47
1.6.10 Disketten.....................................................................................................49
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...............................................................................55
1.7 Von der Hardware zum Betriebssystem.....................................................55
1.7.1 Schnittstellen und Treiber...........................................................................57
1.7.2 BIOS...........................................................................................................59
1.7.3 Die Aufgaben des Betriebssystems.............................................................60
1.7.4 Prozess-und Speicherverwaltung...............................................................60
1.7.5 Dateiverwaltung..........................................................................................61
1.7.6 DOS, Windows und Linux..........................................................................63
1.7.7 Bediensysteme............................................................................................64
1.8 Anwendungsprogramme............................................................................67
1.8.1 Textverarbeitung.........................................................................................67
1.8.2 Zeichen und Schriftarten.............................................................................68
1.8.3 Formatierung...............................................................................................68
1.8.4 Desktop Publishing.....................................................................................70
1.8.5 Textbeschreibungssprachen........................................................................71
1.8.6 Tabellenkalkulation:
1.8.7 Der Rechner als Fenster zur Welt...............................................................76
1.8.8 Wie geht es weiter?.....................................................................................78
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 Programmieramgebungen...........................................................................84
2.1.6 BASIC.........;...............................................................................................85
2.1.7 Pascal..........................................................................................................85
2.1.8 Java.............................................................................................................86
2.1.9 Prolog..........................................................................................................87
2.2 Spezifikationen, Algorithmen, Programme...............................................89
2.2.1 Spezifikationen............................................................................................89
2.2.2 Algorithmen................................................................................................91
2.2.3 Algorithmen als Lösung von Spezifikationen.............................................94
2.2.4
2.2.5 Elementare Aktionen...................................................................................96
2.2.6 Elementaraktionen in Programmiersprachen..............................................96
2.2.7 Vom Algorithmus zum Programm..............................................................97
2.2.8 Ressourcen................................................................................................100
2.3 Daten und Datenstrukturen......................................................................101
2.3.1 Der Begriff der Datenstraktur...................................................................101
2.3.2 Die Analogie zwischen Taschenrechner und Datenstraktur.....................102
2.3.3 Der Datentyp
2.3.4 Der Datentyp Natürliche Zahl...................................................................105
2.3.5 Der Datentyp Integer.................................................................................106
2.3.6 Rationale Zahlen.......................................................................................107
2.3.7 Die Datenstraktur Real..............................................................................107
2.3.8 Mehrsortige Datenstrukturen....................................................................108
2.3.9 Zeichen......................................................................................................109
2.3.10 Einfache und zusammengesetzte Typen -
2.3.11
2.3.12 Benutzerdefinierte Datenstrukturen..........................................................112
2.3.13 Informationsverarbeitung und Datenverarbeitung....................................114
2.3.14 Variablen und Speicher.............................................................................115
2.3.15 Deklarationen............................................................................................116
2.3.16 Initialisierung............................................................................................117
2.3.17 Typkorrekte Ausdrücke.............................................................................117
2.3.18 Auswertung von Ausdrücken....................................................................119
2.3.19 Verkürzte Auswertung...............................................................................119
2.3.20 Typfehler...................................................................................................120
2.3.21 Seiteneffekte..............................................................................................120
2.4 Der Kern imperativer Sprachen...............................................................121
2.4.1 Zuweisungen.............................................................................................121
2.4.2 Kontrollstrukturen.....................................................................................123
2.4.3 Drei Kontrollstrukturen genügen..............................................................123
2.4.4 Die Sequentielle Komposition..................................................................124
2.4.5 Die Alternativanweisung...........................................................................126
2.4.6 Die while-Schleife.....................................................................................127
2.5 Formale Beschreibung von Programmiersprachen..................................129
2.5.1 Lexikalische Regehi..................................................................................129
2.5.2 Syntaktische Regem..................................................................................130
2.5.3 Semantische Regem..................................................................................133
2.6 Erweiterung der Kernsprache..................................................................133
2.6.1 Bedingte Anweisung.................................................................................134
2.6.2 Fallunterscheidung....................................................................................136
2.6.3 Repeat-Schleife und do-Schleife..............................................................138
2.6.4 Angemeinere Schleifenkonstrukte............................................................139
2.6.5 Die for-Schleife in Pascal.........................................................................140
2.6.6 Die for-Schleife in Java............................................................................142
2.7. Unterprogramme......................................................................................143
2.7.1 Prozedurale Abstraktion...........................................................................144
2.7.2 Funktionale Abstraktion...........................................................................145
2.7.3 Funktionale und prozedurale Abstraktion in
2.7.4 Top-Down-Entwurf...................................................................................146
2.7.5 Kommunikation zwischen Haupt- und Unterprogramm..........................151
2.7.6 Variablen-Parameter..................................................................................151
2.7.7 Prozeduren als Funktionsersatz................................................................154
2.7.8 Funktionen und Prozeduren in
2.7.9 Schachtelung von Unterprogrammen.......................................................154
2.7.10 Blockstrakturierang in
2.8 Rekursive Funktionen und Prozeduren....................................................157
2.8.1 Rekursive Prozeduren...............................................................................158
2.8.2 Die Türme von Hanoi...............................................................................159
2.8.3 Spielstrategien als rekursive Prädikate -
2.8.4 Wechselseitige Rekursion.........................................................................162
2.8.5 Induktion - Rekursion..............................................................................163
2.8.6 Allgemeine Rekursion..............................................................................164
2.8.7 Endrekursion.............................................................................................165
2.8.8 Lineare Rekursion.....................................................................................166
2.8.9 Eine Programmtransformation..................................................................169
2.9 Konstruktion neuer Datentypen...............................................................170
2.9.1 Mengenkonstraktionen.............................................................................170
2.9.2 Typdefinitionen.........................................................................................171
2.9.3 Aufzählungstypen.....................................................................................172
2.9.4 Teübereichstypen......................................................................................172
2.9.5 Arraytypen................................................................................................173
2.9.6 Anwendung:
2.9.7 Aggregation..............................................................................................175
2.9.8 Disjunkte Vereinigungen...........................................................................176
2.9.9 Mengentypen............................................................................................178
2.9.10 Dateien und Ströme...................................................................................179
2.9.11 Dateiprotokoll...........................................................................................179
2.9.12 Induktiv definierte Typen..........................................................................181
2.9.13 Pointer-Datentypen...................................................................................184
2.9.14 Dynamische Datenstrakturen mittels Pointern.........................................184
2.9.15 Induktive Definitionen in Java..................................................................187
2.10 Verifikation..............................................................................................187
2.10.1 Vermeidung von Fehlern...........................................................................188
2.10.2 Zwischenbehauptungen.............................................................................189
2.10.3 Partielle Korrektheit..................................................................................190
2.10.4 Zerlegung durch Zwischenbehauptungen.................................................191
2.10.5 Zuweisungsregel.......................................................................................192
2.10.6 Rückwärtsbeweis.......................................................................................194
2.10.7 if-then-else-Regel......................................................................................196
2.10.8 Abschwächungsregel und einarmige Alternative......................................196
2.10.9 Invarianten und while-Regel.....................................................................197
2.10.10 Starke und schwache Invarianten..............................................................200
2.10.11 Programm-Verifizierer..............................................................................202
2.10.12 repeat-Schleife...........................................................................................203
2.10.13 for-Schleife................................................................................................204
2.10.14 Terminierang.............................................................................................205
2.10.15 Beweis eines Programmschemas..............................................................206
2.11 Programmieren im Großen......................................................................207
2.11.1 Modulares Programmieren........................................................................208
2.11.2 Objektorientiertes Programmieren (OOP)................................................209
2.11.3 Datenkapselung.........................................................................................210
2.11.4 Vererbung..................................................................................................211
2.11.5 Zusammenfassung.....................................................................................213
Die Programmiersprache Java 215
3.1 Geschichte von Java.................................................................................217
3.2 Die lexikalischen Elemente von Java......................................................217
3.2.1 Kommentare..............................................................................................218
3.2.2 Bezeichner.................................................................................................218
3.2.3 Schlüsselwörter.........................................................................................218
3.2.4 Literale......................................................................................................219
3.2.5 Ganzzahlige Literale...... ...........................................................................219
3.2.6 Gleitpunkt-Literale....................................................................................219
3.2.7 Literale für Zeichen und Zeichenketten....................................................220
3.3 Datentypen und Methoden.......................................................................220
3.3.1 Variablen...................................................................................................221
3.3.2 Default-Werte............................................................................................222
3.3.3 Referenz-Datentypen.................................................................................222
3.3.4
3.3.5 Methoden..................................................................................................223
3.3.6 Klassen und Instanzen...............................................................................225
3.3.7 Objekte und Referenzen............................................................................226
3.3.8 Objekt- und Klassenkomponenten............................................................227
3.3.9 Attribute....................................................................................................228
3.3.10
3.3.11 Konstruktoren............................................................................................230
3.4 Ausführbare
3.4.1 Java-Dateien - Übersetzungseinheiten.....................................................234
3.4.2 Programme................................................................................................234
3.4.3
3.4.4
3.5 Ausdrücke und Anweisungen..................................................................238
3.5.1 Arithmetische Operationen.......................................................................238
3.5.2 Vergleichsoperationen...............................................................................238
3.5.3 Boolesche Operationen.............................................................................239
3.5.4 Bitweise Operationen................................................................................240
3.5.5 Zuweisungsausdrücke...............................................................................240
3.5.6 Anweisungsausdrücke...............................................................................241
3.5.7 Sonstige Operationen................................................................................242
3.5.8 Präzedenz der Operatoren.........................................................................243
3.5.9 Einfache Anweisungen.............................................................................244
3.5.10 Blöcke.......................................................................................................244
3.5.11 Alternativ-Anweisungen...........................................................................245
3.5.12 switch-Anweisung....................................................................................246
3.5.13 Schleifen...................................................................................................247
3.5.14 Die
3.5.15
3.6 Klassen und Objekte................................................................................250
3.6.1 Vererbung..................................................................................................252
3.6.2 Späte Bindung
3.6.3 Finale Komponenten.................................................................................257
3.6.4 Zugriffsrechte von Feldern und Methoden...............................................258
3.6.5 Attribute von Klassen...............................................................................259
3.6.6 Abstrakte Klassen.....................................................................................259
3.6.7 Rekursiv definierte Klassen................................. .....................................261
3.6.8 Schnittstellen (Interfaces).........................................................................263
3.6.9
3.6.10 Ausnahmen...............................................................................................267
3.6.11
3.6.12
3.7 Grafische Benutzeroberflächen mit Java (AWT).....................................277
3.7.1 Ein erstes Fenster......................................................................................278
3.7.2 Ereignisse..................................................................................................279
3.7.3 Beispiel für eine Ereignisbehandlung.......................................................280
3.7.4 Buttons......................................................................................................282
3.7.5 Grafikausgabe in Fenstern........................................................................283
3.7.6 Maus-Ereignisse........................................................................................284
3.7.7
3.7.8 Weitere Bedienelemente von Programmen und Fenstern.........................289
3.8 Dateien: Ein- und Ausgabe......................................................................289
3.8:1 Dateidialog................................................................................................289
3.8.2 Schreiben einer Datei................................................................................290
3.8.3 Lesen einer Datei.......................................................................................291
3.8.4 Testen von Dateieigenschaften..................................................................292
3.8.5 Retrospektive und Vergleich mit Smalltalk...............................................292
4 Algorithmen und Datenstrukturen 295
4.1 Suchalgorithmen......................................................................................297
4.1.1 Lineare Suche............................................................................................298
4.1.2 Binäre Suche.............................................................................................299
4.1.3 Lineare Suche
4.1.4 Komplexität von Algorithmen..................................................................302
4.2 Einfache Sortierverfahren........................................................................304
4.2.1 Datensätze und Schlüssel..........................................................................304
4.2.2 BubbleSort................................................................................................307
4.2.3 SelectionSort.............................................................................................310
4.2.4 InsertionSort..............................................................................................312
4.2.5 Laufzeitvergleiche der einfachen Sortieralgorithmen...............................314
4.2.6 ShellSort und CombSort...........................................................................315
4.3 Schnelle Sortieralgorithmen....................................................................316
4.3.1
4.3.2
4.3.3 Die Partitionierung..........;.........................................................................319
4.3.4 Korrektheit von
4.3.5 Komplexität von
4.3.6 MergeSort..................................................................................................321
4;3.7 DistributionSort.........................................................................................323
4.3.8 Wieso und wie gut funktioniert DistributionSort?....................................325
4.3.9 Einsatz und Implementierung von DistributionSort.................................326
4.3.10 Laufzeit der schnellen Sortieralgorithmen................................................328
4.3.11 Externes Sortieren.....................................................................................330
4.4 Abstrakte Datenstrukturen.......................................................................331
4.4.1 Datenstruktur = Menge + Operationen.....................................................331
4.4.2 Die
4.5 Stacks.......................................................................................................332
4.5.1 Stackoperationen.......................................................................................333
4.5.2 Implementierung durch ein
4.5.3 Implementierung durch eine Liste............................................................337
4.5.4 Auswertung von Postfix-Ausdrücken.......................................................338
4.5.5 Entrekursivierung......................................................................................339
4.5.6 Stackpaare.................................................................................................340
4.6 Queues, Puffer, Warteschlangen..............................................................342
4.6.1 Implementierung durch ein „zirkuläres
4.6.2 Implementierung durch eine zirkuläre Liste.............................................344
4.6.3 Anwendung von Puffern...........................................................................344
4.7 Listen.......................................................................................................345
4.7.1 Einfach verkettete Listen..........................................................................346
4.7.2 Der Listeniterator forEach........................................................................349
4.7.3 Listen als Verallgemeinerung von Stacks und Queues.............................350
4.7.4 Doppelt verkettete Listen..........................................................................351
4.7.5 Geordnete Listen und
4.7.6
4.7.7
4.8 Bäume......................................................................................................356
4.8.1 Beispiele von Bäumen..............................................................................357
4.8.2 Binärbäume...............................................................................................358
4.8.3 Implementierung von Binärbäumen..............................................,..........359
4.8.4 Traversierangen........................................................................................360
4.8.5 Kenngrößen von Binärbäumen.................................................................363
4.8.6 Binäre Suchbäume....................................................................................364
4.8.7 Implementierung von binären Suchbäumen.............................................365
4.8.8 Balancierte Bäume....................................................................................372
4.8.9 AVL-Bäume..............................................................................................374
4.8.10 2-3-4-Bäume.............................................................................................376
4.8.11 B-Bäume...................................................................................................377
4.8.12 Vollständige Bäume..................................................................................378
4.8.13
4.8.14 HeapSort...................................................................................................382
4.8.15
4.8.16 Bäume mit variabler Anzahl von Teübäumen..........................................383
4.9 Graphen....................................................................................................384
4.9.1 Wege und Zusammenhang........................................................................385
4.9.2 Repräsentationen von Graphen.................................................................386
4.9.3 Traversierangen........................................................................................389
4.9.4 Tiefensuche...............................................................................................390
4.9.5 Breitensuche..............................................................................................391
4.9.6 Transitive Hülle........................................................................................392
4.9.7 Kürzeste Wege..........................................................................................393
4.9.8 Schwere Probleme für Handlungsreisende...............................................396
4.9.9 Eine Implementierung des TSP................................................................397
4.10 Zeichenketten...........................................................................................401
4.10.1 Array-Implementierung............................................................................401
4.10.2 Nullterminierte
4.10.3
4.10.4 Grandoperationen.....................................................................................402
4.10.5 Suchen in Zeichenketten...........................................................................403
4.10.6 Der Boyer-Moore-Algorithmus................................................................404
5 Rechnerarchitektur 407
5.1 Vom Transistor zum Chip........................................................................407
5.1.1 Chips.........................................................................................................408
5.1.2 Chipherstellung.........................................................................................409
5.1.3 Kleinste Chip-Strukturen..........................................................................410
5.1.4 Chipfläche und Anzahl der Transistoren...................................................411
5.1.5 Weitere Chip-Parameter............................................................................411
5.1.6 Speicherbausteine......................................................................................412
5.1.7 Logikbausteine..........................................................................................412
5.1.8 Schaltungsentwurf.....................................................................................413
5.2 Boolesche Algebra...................................................................................414
5.2.1 Serien-parallele Schaltungen.....................................................................414
5.2.2 Serien-parallele Schaltglieder...................................................................416
5.2.3 Boolesche
5.2.4 Schaltfunktionen.......................................................................................418
5.2.5 Gleichungen..............................................................................................418
5.2.6 SP-Schaltungen sind monoton..................................................................420
5.2.7 Negation....................................................................................................420
5.2.8 Boolesche
5.2.9 Dualität......................................................................................................422
5.2.10 Realisierung von Schaltfunktionen...........................................................423
5.2.11 Konjunktive Normalform..........................................................................424
5.2.12 Aussagenlogik...........................................................................................425
5.2.13 Mengenalgebra..........................................................................................426
5.3 Digitale Logik..........................................................................................426
5.3.1 Gatter mit mehreren Ausgängen...............................................................431
5.3.2 Logik-Gitter..............................................................................................432
5.3.3 Programmierbare Gitterbausteine.............................................................434
5.3.4 Rückgekoppelte Schaltungen....................................................................435
5.3.5 Anwendungen von Flip-Flops...................................................................437
5.3.6 Technische Schwierigkeiten......................................................................438
5.3.7 Die Konstruktion der Hardwarekomponenten..........................................439
5.3.8 Schalter, Codierer, Decodierer..................................................................439
5.3.9 Speicherzellen...........................................................................................440
5.3.10 Register.....................................................................................................441
5.3.11 Die Arithmetisch-Logische Einheit...............................................•............443
5.4 Von den Schaltgliedern zur CPU.............................................................447
5.4.1 Busse.........................................................................................................448
5.4.2 Mikrocodegesteuerte Operationen............................................................449
5.4.3 Der Zugang zum Hauptspeicher................................................................452
5.4.4 Der Mikrobefehlsspeicher - das ROM.....................................................454
5.4.5 Sprünge.....................................................................................................454
5.4.6 Berechnete Sprünge..................................................................................455
5.4.7 Der Adressrechner.....................................................................................457
5.4.8 Ein Mikroprogramm.................................................................................458
5.4.9 Maschinenbefehle.....................................................................................459
5.4.10 DerMaschinenspracheinterpretierer.........................................................461
5.4.11 Argumente.................................................................................................462
5.5 Assemblerprogrammierung.....................................................................463
5.5.1 Maschinensprache und Assembler............................................................463
5.5.2 Register der
5.5.3 Allzweckregister und Spezialregister.......................................................466
5.5.4 Fläg-Register.............................................................................................466
5.5.5 Arithmetische
5.5.6 Größenvergleiche......................................................................................469
5.5.7 Logische Operationen...............................................................................471
5.5.8 Sprünge.....................................................................................................472
5.5.9 Struktur eines vollständigen Assemblerprogrammes................................473
5.5.10 Ein Beispielprogramm..............................................................................474
5.5.11 Testen von Assemblerprogrammen...........................................................476
5.5.12 Speicheradressierung................................................................................477
5.5.13 Operationen auf Speicherblöcken.............................................................478
5.5.14 Multiplikation und Division......................................................................479
5.5.15 Shift-Operationen......................................................................................480
5.5.16 LOOP-Befehle..........................................................................................482
5.5.17 Der Stack...................................................................................................482
5.5.18 Einfache Unterprogramme........................................................................483
5.5.19 Parameteriibergabe und Stack...................................................................485
5.5.20 Prozeduren und Funktionen......................................................................486
5.5.21 Makros......................................................................................................487
5.5.22 Assembler unter DOS...............................................................................488
5.5.23 Assembler unter Windows........................................................................490
5.6 RISC-Architekturen.................................................................................491
5.6.1 CISC..........................................................................................................491
5.6.2 Von CISC zu RISC....................................................................................492
5.6.3 RISC-Prozessoren.....................................................................................492
5.6.4
5.6.5 Superskalare Architekturen.......................................................................495
5.6.6 Cache-Speicher.........................................................................................496
5.6.7 Leistungsvergleich....................................................................................496
5.6.8 Konkrete RISC-Architekturen..................................................................497
5.7 Die Architektur der Intel-PC-Mikroprozessorfamilie..............................499
5.7.1 Adressierung.............................................................................................503
5.7.2 Die Segmentierangseinheit.......................................................................504
5.7.3 Adressübersetzung....................................................................................505
5.7.4 Datenstrukturen und Befehle des Pentium................................................506
5.7.5 MMX-Befehle...........................................................................................507
5.7.6 Betriebsarten des Pentium........................................................................507
5.7.7 Ausblick....................................................................................................507
Betriebssysteme 509
. 6.0.1
6.1 Betriebsarten............................................................................................512
6.1.1 Teilhaberbetrieb.........................................................................................512
6.1.2 Client-Server-Systeme..............................................................................512
6.2 Verwaltung der Ressourcen.....................................................................514
6.2.1 Dateisystem...............................................................................................514
6.2.2 Dateioperationen.......................................................................................516
6.2.3 Prozesse.....................................................................................................516
6.2.4 Bestandteile eines Prozesses.....................................................................517
6.2.5
6.2.6 Prozessverwaltung.....................................................................................518
6.2.7 Prozesskommunikation.............................................................................520
6.2.8 Kritische Abschnitte - wechselseitiger Ausschluss..................................521
6.2.9
6.2.10
6.2.11 Speicherverwaltung...................................................................................525
6.3 Das Betriebssystem UNIX.......................................................................529
6.3.1 Linux.........................................................................................................530
6.3.2 Das UNIX-Dateisystem............................................................................530
6.3.3 Dateinamen...............................................................................................532
6.3.4 Dateirechte................................................................................................532
6.3.5 Pfade..........................................................................................................532
6.3.6 Special
6.3.7 Externe Dateisysteme................................................................................534
6.3.8 UNIX-Shells..............................................................................................534
6.3.9 UNIX-Kommandos...................................................................................535
6.3.10 Optionen....................................................................................................536
6.3.11 Datei-Muster.............................................................................................537
6.3.12 Standard-Input/Standard-Output...............................................................538
6.3.13 Dateibearbeitung.......................................................................................538
6.3.14 Reguläre Ausdrücke..................................................................................540
6.4 UNIX-Prozesse........................................................................................541
6.4.1
6.4.2 Sind
6.4.3 Prozess-Steuerang.....................................................................................544
6.4.4 Multitasking..............................................................................................546
6.4.5 UNIX-Shell-Programmierang...................................................................547
6.4.6 DieC-Shell................................................................................................547
6.4.7 Kommando-Verknüpfungen......................................................................548
6.4.8 Variablen...................................................................................................548
6.4.9 Shell-Scripts..............................................................................................550
6.4.10 Ausführung von Shell-Scripts...................................................................550
6.4.11 UNIX-Kommandos und Shell-Kommandos.............................................551
6.4.12 UNIX als Mehrbenutzersystem................................................................552
6.4.13 Verbindung zu anderen Rechnern.............................................................553
6.4.14 Weltweiter Rechnerzugang.......................................................................553
6.4.15 UNIX-Tools..............................................................................................554
6.4.16 Editoren.....................................................................................................555
6.4.17
6.4.18 Scanner-und Parsergeneratoren................................................................557
6.4.19 Projektbearbeitung....................................................................................559
6.5
6.5.1 Window-Manager und Terminal Emulator...............................................561
6.5.2 Grafische Oberflächen..............................................................................561
6.6 MS-DOS und MS-Windows....................................................................562
6.6.1 Dynamic Link Libraries............................................................................563
6.6.2
6.6.3
6.6.4
6.7
7
7.1 Rechner-Verbindungen............................................................................570
7.1.1 Signalübertragung.....................................................................................570
7.1.2 Physikalische Verbindung.........................................................................572
7.1.3 Synchronisation........................................................................................574
7.1.4 Bitcodierungen..........................................................................................575
7.2 Datenübertragung mit Telefonleitungen..................................................576
7.2.1 ISDN.........................................................................................................577
7.2.2 DSL, ADSL und T-DSL...........................................................................578
7.3 Protokolle und Netze...............................................................................580
7.3.1 Das OSI-Modell........................................................................................580
7.3.2 Netze.........................................................................................................583
7.3.3 Netztopologien..........................................................................................584
7.3.4 Netze von Netzen......................................................................................586
7.3.5 Zugriffsverfahren......................................................................................589
7.3.6 Wettkampfverfahren: CSMA-CD.............................................................589
7.4 Netztechnologien.....................................................................................591
7.4.1 Ethernet.....................................................................................................591
7.4.2 FDDI.........................................................................................................592
7.4.3 ATM..........................................................................................................592
7.4.4 SONET/SDH............................................................................................594
7.5 Drahtlose Netze.......................................................................................595
7.5.1 Bluetooth...................................................................................................596
7.5.2 WLAN......................................................................................................597
8 Das
8.0.1 Bildung von Standards im Internet...........................................................606
8.1 Die TCP/IP Protokolle.............................................................................608
8.1.1 Die Protokolle TCP und UDP...................................................................609
8.1.2 Das
8.2 IP-Adressen..............................................................................................613
8.2.1 Adressklassen............................................................................................614
8.2.2 Adressübersetzung....................................................................................616
8.3 Das System der Domain-Namen..............................................................620
8.3.1 DNS-lookup in Java..................................................................................622
8.3.2 Programmierung einer TCP Verbindungen...............................................624
8.4 Intranets, Firewalls und virtuelle private Netzwerke...............................628
8.5 Die Dienste im Internet............................................................................630
8.5.1 E-Mail.......................................................................................................630
8.5.2 News..........................................................................................................635
8.5.3 FTP............................................................................................................636
8.5.4
8.5.5
8.6 Das World Wide Web...............................................................................638
8.6.1 HTTP.........................................................................................................640
8.6.2 HTML.......................................................................................................641
8.6.3 Die Struktur eines HTML-Dokumentes....................................................644
8.6.4 Querverweise: Links.................................................................................645
8.6.5 Tabellen und Frames.................................................................................646
8.6.6 Formulare..................................................................................................647
8.6.7 StyleSheets...............................................................................................648
8.6.8 Weitere Möglichkeiten von HTML...........................................................649
8.7 Web-Programmierung..............................................................................649
8.7.1 JavaScript..................................................................................................650
8.7.2 Applets......................................................................................................652
8.7.3 Die Struktur eines Applets........................................................................653
8.7.4 Der Lebenszyklus eines Applets...............................................................654
8.7.5 Interaktionen.............................................................................................655
8.7.6 PHP...........................................................................................................657
8.7.7 XML..........................................................................................................660
9 Theoretische Informatik und Compilerbau 665
9.1 Analyse von Programmtexten..................................................................665
9.1.1 Lexikalische Analyse................................................................................666
9.1.2 Syntaxanalyse............................................................................................667
9.2 Reguläre Sprachen...................................................................................668
9.2.1 Reguläre Ausdrücke..................................................................................669
9.2.2 Automaten und ihre Sprachen...................................................................671
9.2.3 Implementierung endlicher Automaten....................................................673
9.2.4
9.2.5 Automaten für reguläre Sprachen.............................................................674
9.2.6 Von nichtdeterministischen zu deterministischen Automaten..................675
9.2.7 Anwendung:
9.3 Kontextfreie Sprachen.............................................................................677
9.3.1 Kontextfreie Grammatiken.......................................................................678
9.3.2 Ableitungen...............................................................................................679
9.3.3 Stackmaschinen (Kellerautomaten)..........................................................680
9.3.4 Stackmaschinen für beliebige kontextfreie Sprachen...............................681
9.3.5 Nichtdeterministische Algorithmen und
9.3.6 Inhärent nichtdeterministische Sprachen..................................................684
9.3.7 Ableitungsbaum, Syntaxbaum..................................................................685
9.3.8 Abstrakte Syntaxbäume............................................................................686
9.4 Grundlagen des Compilerbaus.................................................................687
9.4.1 Parsen durch rekursiven Abstieg
9.4.2 LL(1)-Grammatiken..................................................................................689
9.4.3 Äquivalente Grammatiken........................................................................691
9.4.4
9.4.5
9.4.6 Die Arbeitsweise von Shift-Reduce-Parsern............................................694
9.4.7
9.4.8 Konflikte...................................................................................................696
9.4.9 Ein nichtdeterministischer Automat mit Stack.........................................697
9.4.10 Übergang zum deterministischen Automaten...........................................699
9.4.11 Präzedenz..................................................................................................702
9.4.12 LR(l)undLALR(l)..................................................................................703
9.4.13 Parsergeneratoren......................................................................................704
9.4.14 lex/fiex & yacc/bison................................................................................705
9.4.15 Grammatische Aktionen...........................................................................707
9.4.16 Fehlererkennung.......................................................................................709
9.4.17 Synthetisierte Werte..................................................................................709
9.4.18 Symboltabellen.........................................................................................710
9.4.19 Codeoptimierung......................................................................................710
9.5 Berechenbarkeit........................................................................................711
9.5.1 Berechenbare Funktionen.........................................................................712
9.5.2 Beispiele berechenbarer Funktionen.........................................................713
9.5.3 Diagonalisierung.......................................................................................715
9.5.4 Nicht berechenbare Funktionen................................................................716
9.5.5 Algorithmenbegriff und Churchsche These..............................................716
9.5.6 Turingmaschinen.......................................................................................717
9.5.7
9.5.8
9.5.9 Registermaschinen....................................................................................721
9.5.10 GOTO-Programme....................................................................................722
9.5.11
9.5.12
9.5.13 Effiziente Algorithmen als
9.5.14 Elementare (primitive) Rekursion.............................................................726
9.5.15 Allgemeine Rekursion (u-Rekursion).......................................................728
9.5.16 Die Ackermannfunktion............................................................................729
9.5.17 Berechenbare Funktionen - Churchsche These.........................................730
9.5.18 Gödelisierang............................................................................................730
9.5.19 Aufzählbarkeit und Entscheidbarkeit........................................................731
9.5.20 Unlösbare Aufgaben..................................................................................732
9.5.21 Semantische Probleme sind unentscheidbar.............................................733
9.6 Komplexitätstheorie.................................................................................734
9.6.1 Rückführung auf ja/nein-Probleme...........................................................735
9.6.2 Entscheidungsprobleme und Sprachen.....................................................736
9.6.3 Maschinenmodelle und Komplexitätsmaße..............................................736
9.6.4 Sprachen und ihre Komplexität.................................................................737
9.6.5 Effiziente parallele Lösungen...................................................................738
9.6.6 Nichtdeterminismus..................................................................................739
9.6.7 Die Klasse NP...........................................................................................740
9.6.8 Reduzierbarkeit.........................................................................................741
9.6.9 Der Satz von Cook....................................................................................743
9.6.10 NP-Vollständigkeit....................................................................................745
9.6.11 CLIQUE ist NP-vollständig......................................................................746
9.6.12 Praktische Anwendung von SAT-Problemen............................................747
9.6.13 P = NP ?....................................................................................................749
10 Datenbanksysteme 751
10.1 Datenbanken und Datenbanksysteme......................................................751
10.2 Datenmodelle...........................................................................................753
10.2.1 Entity/Relationship-Modell.......................................................................753
10.2.2 Das Relationale Datenbankmodell............................................................755
10.2.3 Relationen.................................................................................................756
10.2.4 Die relationale Algebra.............................................................................757
10.2.5 Erweiterungen des relationalen Datenmodells..........................................757
10.2.6 Abbildung eines E/R-Datenmodells in ein relationales Modell................758
10.3 Die Anfragesprache SQL.........................................................................759
10.3.1 Datendefinition..........................................................................................759
10.3.2 Einfache Anfragen....................................................................................761
10.3.3 Gruppierung und Aggregate......................................................................762
10.3.4 Verknüpfung verschiedener Relationen....................................................763
10.3.5 Einfügen, Ändern und Löschen von Datensätzen.....................................763
10.3.6 Mehrbenutzerbetrieb.................................................................................764
10.4 Anwendungsprogrammierung in Java.....................................................766
10.4.1 Das SQL-Paket in Java.............................................................................767
10.4.2 Aufbau einer Verbindung..........................................................................767
10.4.3 Anfragen...................................................................................................768
10.4.4 Zusammenfassung....................................................................................770
11 Grafikprogrammierimg 771
11.1 Hardware..................................................................................................771
11.1.1- Auflösungen..............................................................................................772
11.1.2 Farben.......................................................................................................772
11.2 Grafikroutinen für Rastergrafik...............................................................773
11.2.1
11.3 Einfache Programmierbeispiele...............................................................776
11.3.1 Mandelbrot- und Julia-Mengen................................................................778
11.3.2 Turüe-Grafik.............................................................................................782
11.3.3 L-Systeme.................................................................................................785
11.3.4 Ausbück....................................................................................................788
11.4 3-D-Grafikprogrammierung.....................................................................789
11.4.1 Sichtbarkeit...............................................................................................790
11.4.2 Beleuchtungsmodelle................................................................................791
11.4.3 Ray-Tracing..............................................................................................793
11.4.4 Die Radiosity Methode.............................................................................794
11.4.5 Ausbück....................................................................................................795
12 Software-Entwicklung 797
12.1 Methoden und Werkzeuge für Projekte...................................................798
12.2 Vorgehensmodelle....................................................................................800
12.2.1 Code and fix-Verfahren.............................................................................800
12.2.2 WasserfaU-Modeüe...................................................................................801
12.2.3
12.2.4 Nichtsequentielle Vorgehensmodelle........................................................804
12.2.5
12.2.6 Modelle zur inkrementeUen Systementwicklung.....................................806
12.2.7 Evolutionäre EntwicklungsmodeUe..........................................................806
12.2.8 Modeüe zur objektorientierten Systementwicklung.................................807
12.3 Traditionelle Methoden zur Programmentwicklung................................809
12.3.1 Strukturierte Programmierung..................................................................809
12.3.2 Schrittweise Verfeinerung und Top-down-Entwurf..................................809
12.4 Daten- und Funktionsorientierte
Software-Entwicklungsmethoden............................................................810
12.4.1 Geheimnisprinzip, Daten-Abstraktion und Modularisierang...................811
12.4.2 Strukturierte Analyse- und Entwurfstechniken.........................................812
12.4.3 Entity/Relationship-ModeUierung............................................................813
12.4.4 Systematische Test-, Review- und Inspektionsverfahren.........................813
12.5 Objektorientierte Software-Entwicklungsrnethoden................................814
12.5.1 Prinzipien der Objektorientierang.............................................................814
12.5.2 Objektorientierter Entwurf........................................................................815
12.6 Objektorientierte Analyse........................................................................816
12.6.1 Standardisierung der objektorientierten Modellierung.............................816
12.6.2 Die Modellierungssprache UML...............................................................817
12.6.3 Software-Architekturen, Muster und Programmgerüste...........................821
12.7 Projekt-Management................................................................................822
12.7.1 Projektinitialisierung und -planung...........................................................823
12.7.2 Projektsteuerang und -koordination..........................................................823
12.7.3 Projektabschluss und
12.8 Software-Qualitätssicherung....................................................................824
12.8.1 Qualitätsnormen und Zertifizierung..........................................................827
12.9 Werkzeuge und Programmierumgebungen..............................................828
12.9.1 Klassifizierung von Werkzeugen..............................................................828
12.9.2 Werkzeuge zur Analyse und Modellierung...............................................830
12.9.3 Werkzeuge für Spezifikation und Entwurf................................................830
12.9.4 Programmier-Werkzeuge..........................................................................831
12.9.5 Test- und Fehlerbehebungs-Werkzeuge....................................................832
12.9.6 Weitere Werkzeuge zur Qualitätssicherung..............................................833
12.9.7 Tätigkeitsübergreifende Werkzeuge..........................................................833
12.9.8 Entwicklungs-Umgebungen.....................................................................835
A
A.1 Einführende Bücher.................................................................................837
A.2 Lehrbücher der Informatik.......................................................................837
A.3 Programmieren in Pascal.........................................................................838
A.4 Programmieren in Java............................................................................839
A.5 Algorithmen und Datenstrukturen...........................................................840
A.6 Rechnerarchitektur...................................................................................840
A.7 Betriebssysteme.......................................................................................841
A.8 Rechnernetze............................................................................................842
A.9 Internet.....................................................................................................842
A.10 Theoretische Informatik und Compilerbau..............................................844
A.ll Datenbanken............................................................................................845
A.12 Grafikprogrammierang............................................................................846
A.13 Software-Entwicklung.............................................................................847
A. 14 Mathematischer Hintergrund...................................................................849
A.15 Sonstiges..................................................................................................850
Stichwortverzeichnis 851
Dieses Buch bietet eine umfassende und anschauliche
Diskussion fundamentaler Konzepte der
Es führt in Grundlagen, Methoden und Theorie der
Ptiogrammierumg ein und stellt anschließend Java als
konkrete objektorientierte Programmiersprache vor. Die
grundlegenden Algorithmen und Datenstrukturen der
Informatik werden zusammen mit Java-Beispielpro-
gratiiiitiiiien erläutert. Der prinzipielle Aufbau eines Com¬
puters vom Transistor bis zur mikroprogrammierteni CPU
wird ausführlich erklärt. Anhand eines Simulators kann
der Leser ihre Funktionsweise experimentell! nachvoll-
ziehen. Die Diskussion von Maschinen- und Assembler¬
sprache mündet ¡nein Kapitel über Betriebssysteme, in
dem insbesondere auf UNIX eingegangen wird.
Nach einer allgemeinen Diskussion von Techniken und
Protokollen zur lokalen und weltweiten Vernetzung von
Computern führt ein eigenständiges Kapitel über das
Internet von den Grundlagen derTCP/lP-Protokolle bis
zur Programmierung von TCP-Verbindung in Java. Inter¬
net-Dienste wie E-Mail, FTP und WWW werden ebenso
ausführlich behandelt wie HTML, Java-Applets und
XML.
Neu hinzugekommen ist ein
Informatik,
keit
і
Die Beispielprogramme und weitere Software zu
diesem Buch sind im Internet erhältlich.
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