Verfügbarkeit: Grundkurs Informatik

Grundkurs Informatik: Grundlagen und Konzepte für die erfolgreiche IT-Praxis - Eine umfassende, praxisorientierte Einführung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Hauptverfasser:	Ernst, Hartmut 1949- (VerfasserIn), Schmidt, Jochen 1972- (VerfasserIn), Beneken, Gerd Hinrich 1971- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	Wiesbaden Springer Vieweg [2020]
Ausgabe:	7., erweiterte und aktualisierte Auflage
Schlagworte:	Informatik Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltstext Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	Die 1. Aufl. 1999 und die 2. Aufl. 2000 erschienen unter dem Titel "Grundlagen und Konzepte der Informatik"
Beschreibung:	xx, 860 Seiten Illustrationen, Diagramme
ISBN:	9783658303303

Internformat

MARC


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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS WEBSEITE, HINWEISE, ERRATA IX 1 EINFUEHRUNG 1 1.1 WAS IST EIGENTLICH INFORMATIK? ..................................................................................... 1 1.2 ZUR GESCHICHTE DER INFORMATIK ..................................................................................... 3 1.2.1 FRUEHE ZAEHL-UND RECHENSYSTEME ...................................................................... 3 1.2.2 DIE ENTWICKLUNG VON RECHENMASCHINEN ......................................................... 4 1.2.3 DIE COMPUTER-GENERATIONEN ............................................................................ 7 1.3 PRINZIPIELLER AUFBAU VON COMPUTERN ............................................................................ 12 1.3.1 ZENTRALEINHEIT UND BUSSTRUKTUR ......................................................................... 12 1.3.2 SYSTEMKOMPONENTEN ......................................................................................... 15 1.4 ZAHLENSYSTEME UND BINAERE ARITHMETIK ......................................................................... 17 1.4.1 DARSTELLUNG VON ZAHLEN ..................................................................................... 17 1.4.2 UMWANDLUNG VON ZAHLEN IN VERSCHIEDENE DARSTELLUNGSSYSTEME ................... 18 1.4.3 BINAERE ARITHMETIK ............................................................................................ 24 1.4.4 GLEITKOMMAZAHLEN ............................................................................................ 30 LITERATUR ..................................................................................................................................... 35 2 NACHRICHT UND INFORMATION 37 2.1 ABGRENZUNG DER BEGRIFFE NACHRICHT UND INFORMATION ................................................ 37 2.2 BIOLOGISCHE ASPEKTE ..................................................................................................... 39 2.2.1 SINNESORGANE ..................................................................................................... 39 2.2.2 DATENVERARBEITUNG IM GEHIRN ............................................................................ 39 2.2.3 DER GENETISCHE CODE ........................................................................................ 40 2.3 DISKRETISIERUNG VON NACHRICHTEN .................................................................................. 43 2.3.1 ABTASTUNG ........................................................................................................... 43 2.3.2 QUANTISIERUNG ..................................................................................................... 45 2.4 WAHRSCHEINLICHKEIT UND KOMBINATORIK ......................................................................... 47 2.4.1 DIE RELATIVE HAEUFIGKEIT ..................................................................................... 47 2.4.2 DIE MATHEMATISCHE WAHRSCHEINLICHKEIT ......................................................... 47 2.4.3 TOTALE WAHRSCHEINLICHKEIT UND BAYES-FORMEL ................................................ 49 2.4.4 STATISTISCHE KENNGROESSEN .................................................................................. 54 2.4.5 FAKULTAET UND BINOMIALKOEFFIZIENTEN ............................................................... 55 2.4.6 KOMBINATORIK ..................................................................................................... 56 2.5 INFORMATION UND WAHRSCHEINLICHKEIT ............................................................................ 60 2.5.1 DER INFORMATIONSGEHALT EINER NACHRICHT ......................................................... 60 2.5.2 DIE ENTROPIE EINER NACHRICHT ............................................................................ 62 2.5.3 ZUSAMMENHANG MIT DER PHYSIKALISCHEN ENTROPIE ......................................... 64 LITERATUR ..................................................................................................................................... 68 XII INHALTSVERZEICHNIS 3 CODIERUNG 69 3.1 GRUNDBEGRIFFE .................................................................................................................. 69 3.1.1 MITTLERE WORTLAENGE UND CODE-REDUNDANZ ...................................................... 70 3.1.2 BEISPIELE FUER CODES ............................................................................................ 71 3.2 QUELLENCODIERUNG UND DATENKOMPRESSION .................................................................. 75 3.2.1 CODEBAEUME ........................................................................................................ 76 3.2.2 DER HUFFMAN-ALGORITHMUS ............................................................................... 77 3.2.3 DER FANO-ALGORITHMUS ..................................................................................... 81 3.2.4 ARITHMETISCHE CODIERUNG .................................................................................. 82 3.2.5 LAUFLAENGEN-CODIERUNG ..................................................................................... 85 3.2.6 DIFFERENZ-CODIERUNG ......................................................................................... 86 3.2.7 DER LZW-ALGORITHMUS ..................................................................................... 90 3.2.8 DATENREDUKTION DURCH UNITAERE TRANSFORMATIONEN (JPEG) ............................ 94 3.3 CODESICHERUNG UND KANALCODIERUNG ............................................................................... 102 3.3.1 STELLENDISTANZ UND HAMMING-DISTANZ ............................................................... 102 3.3.2 M-AUS-N-CODES ..................................................................................................... 105 3.3.3 CODES MIT PARITAETSBITS ........................................................................................ 105 3.3.4 FEHLERTOLERANTE GRAY-CODES ............................................................................... 109 3.3.5 DEFINITION LINEARER CODES ..................................................................................... 111 3.3.6 LINEARE HAMMING-CODES ..................................................................................... 114 3.3.7 ZYKLISCHE CODES UND CODE-POLYNOME ............................................................... 118 3.3.8 CRC-CODES ........................................................................................................... 120 3.3.9 SICHERUNG NICHT-BINAERER CODES ............................................................................ 123 3.3.10 REED-SOLOMON CODES ........................................................................................ 127 LITERATUR ........................................................................................................................................ 135 4 VERSCHLUESSELUNG 137 4.1 KLASSISCHE VERFAHREN ........................................................................................................ 140 4.1.1 SUBSTITUTIONS-CHIFFREN ........................................................................................ 140 4.1.2 TRANSPOSITIONS-CHIFFREN UND ENIGMA .................................................................. 143 4.2 MODERNE SYMMETRISCHE VERFAHREN .................................................................................. 150 4.2.1 DER DATA ENCRYPTION STANDARD (DES) ................................................................ 150 4.2.2 DER ADVANCED ENCRYPTION STANDARD (AES) ...................................................... 151 4.2.3 ONE-TIME-PADS UND STROMCHIFFREN ..................................................................... 154 4.3 MODERNE ASYMMETRISCHE VERFAHREN .................................................................................. 156 4.3.1 DIFFIE-HELLMAN SCHLUESSELAUSTAUSCH .................................................................. 156 4.3.2 DER RSA-ALGORITHMUS ........................................................................................ 160 4.3.3 DIGITALE UNTERSCHRIFT ........................................................................................... 165 4.3.4 ELLIPTISCHE-KURVEN-KRYPTOGRAPHIE ..................................................................... 166 LITERATUR ........................................................................................................................................ 171 5 COMPUTERHARDWARE UND MASCHINENSPRACHE 173 5.1 DIGITALE GRUNDSCHALTUNGEN ............................................................................................... 173 5.1.1 STROMKREISE ........................................................................................................... 173 5.1.2 DIODEN, TRANSISTOREN UND INTEGRIERTE SCHALTKREISE ............................................ 175 5.1.3 LOGISCHE GATTER ..................................................................................................... 178 INHALTSVERZEICHNIS XIII 5.2 BOOLESCHE ALGEBRA UND SCHALTFUNKTIONEN ..................................................................... 181 5.2.1 AUSSAGENLOGIK ..................................................................................................... 181 5.2.2 DER BOOLESCHE VERBAND ........................................................................................ 183 5.2.3 DAS BOOLESCHE NORMALFORM-THEOREM ............................................................... 185 5.2.4 VEREINFACHEN BOOLESCHER AUSDRUECKE .................................................................. 186 5.3 SCHALTNETZE UND SCHALTWERKE ........................................................................................... 189 5.3.1 SCHALTNETZE ........................................................................................................... 189 5.3.2 SPEZIELLE SCHALTNETZE ........................................................................................... 190 5.3.3 SCHALTWERKE ........................................................................................................... 193 5.4 DIE FUNKTION EINER CPU AM BEISPIEL DES M68000 ...................................................... 198 5.4.1 DIE ANSCHLUESSE DER CPU M68000 .................................................................. 198 5.4.2 DER INNERE AUFBAU DER CPU M68000 ............................................................ 203 5.4.3 BEFEHLSFORMATE UND BEFEHLSAUSFUEHRUNG ........................................................... 208 5.4.4 ADRESSIERUNGSARTEN .............................................................................................. 211 5.5 MASCHINENSPRACHE UND ASSEMBLER .................................................................................. 217 5.5.1 EINFUEHRUNG ........................................................................................................... 217 5.5.2 DER BEFEHLSSATZ DES M68000 ............................................................................ 218 5.5.3 PROGRAMMBEISPIELE .............................................................................................. 227 LITERATUR ................................................................................................................. 230 6 RECHNERARCHITEKTUR 231 6.1 UEBERBLICK .......................................................................................................................... 231 6.2 DIE VON-NEUMANN-ARCHITEKTUR ........................................................................................ 235 6.2.1 KOMPONENTEN EINES VON-NEUMANN-RECHNERS .................................................. 235 6.2.2 OPERATIONSPRINZIP ................................................................................................. 237 6.3 DER TYPISCHE DESKTOP-PC UND LAPTOP ............................................................................ 238 6.4 BEFEHLSSATZ ....................................................................................................................... 240 6.4.1 MIKROPROGRAMME UND CISC .............................................................................. 241 6.4.2 REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER: RISC ........................................................242 6.4.3 ABWAERTSKOMPATIBILITAET ........................................................................................242 6.5 KLASSIFIKATION NACH FLYNN .................................................................................................242 6.6 PARALLELITAET INNERHALB EINER BEFEHLSSEQUENZ .....................................................................244 6.6.1 FLIESSBANDVERARBEITUNG - OPTIMIERTE BEFEHLSAUSFUEHRUNG ..................................244 6.6.2 SUPERSKALARE MIKROPROZESSOREN ........................................................................246 6.6.3 VLIW - VERY LONG INSTRUCTION WORD ..............................................................246 6.7 PARALLELITAET IN DATEN NUTZEN: VEKTORPROZESSOREN ........................................................... 247 6.8 PARALLELE AUSFUEHRUNG MEHRERER BEFEHLSSEQUENZEN ........................................................ 248 6.8.1 SIMULTANES MULTI-THREADING INNERHALB EINER CPU . . ...................................... 250 6.8.2 MULTI-CORE-CPU ................................................................................................. 250 6.8.3 MULTIPROZESSOR-SYSTEME ..................................................................................... 251 6.8.4 MULTICOMPUTER-SYSTEME .....................................................................................252 6.9 SPEICHERHIERARCHIE ...........................................................................................................252 6.9.1 SPEICHERTECHNOLOGIEN: REGISTER, CACHE UND HAUPTSPEICHER ............................252 6.9.2 CACHING .................................................................................................................254 6.9.3 MEMORY MANAGEMENT UNIT UND VIRTUELLER SPEICHER ........................................256 6.9.4 FESTPLATTEN ...........................................................................................................256 XIV INHALTSVERZEICHNIS 6.9.5 FLASH-SPEICHER UND SOLID STATE DISKS ................................................................ 257 6.10 EIN- UND AUSGABE: INTERRUPTS UND DMA .........................................................................258 6.11 VERBINDUNGSSTRUKTUREN ..................................................................................................... 260 6.11.1 GEMEINSAMER BUS .............................................................................................. 260 6.11.2 ZUGRIFFSPROTOKOLLE FUER BUSSE UND GEMEINSAME SPEICHER .................................. 262 6.11.3 PUNKT-ZU-PUNKT VERBINDUNGEN: PCI-EXPRESS UND SATA ................................ 263 6.11.4 WEITERE VERBINDUNGSSTRUKTUREN ........................................................................... 263 6.11.5 ALLGEMEINE TOPOLOGISCHE VERBINDUNGSSTRUKTUREN .............................................265 6.12 MIKROCONTROLLER UND SPEZIALPROZESSOREN ........................................................................ 266 LITERATUR ........................................................................................................................................ 268 7 RECHNERNETZE 271 7.1 WAS IST EIN RECHNERNETZ? .................................................................................................. 271 7.2 DAS OSLSCHICHTENMODELL DER DATENKOMMUNIKATION .................................................. 273 7.3 BITUEBERTRAGUNGSSCHICHT ..................................................................................................... 277 7.3.1 KUPFER, GLASFASER UND DER FREIE RAUM ...............................................................277 7.3.2 LEITUNGSCODIERUNG ..............................................................................................278 7.3.3 MODULATION, MULTIPLEXING UND MULTIPLE ACCESS ...............................................279 7.3.4 NETZTOPOLOGIEN ..................................................................................................... 284 7.4 TECHNOLOGIEN DER SICHERUNGSSCHICHT ...............................................................................285 7.4.1 NETZE IM NAHBEREICH (PAN UND WPAN) ............................................................ 285 7.4.2 LOKALE NETZE: LAN UND WLAN ........................................................................287 7.4.3 VORGRIFF: LEITUNGS- UND PAKETVERMITTLUNG ........................................................292 7.4.4 ZUGANG ZUM INTERNET: VON DSL BIS ZU LTE ..................................................... 293 7.4.5 DIE BEHANDLUNG VON UEBERTRAGUNGSFEHLERN ........................................................ 299 7.5 NETZWERK- UND TRANSPORTSCHICHT: TCP/IP UND DAS INTERNET ............................................ 300 7.5.1 UEBERBLICK UEBER DAS INTERNET .................................................................................. 300 7.5.2 IP: INTERNET PROTOCOL ........................................................................................... 303 7.5.3 IPV6 ........................................................................................................................ 307 7.5.4 ICMP: INTERNET CONTROL MESSAGE PROTOCOL ........................................................309 7.5.5 TCP: TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL .................................................................. 309 7.5.6 TLS UND SSL: TRANSPORT LEVEL SECURITY ........................................................... 311 7.5.7 UDP: USER DATAGRAM PROTOCOL ........................................................................... 311 7.6 ANWENDUNGSSCHICHT: VON DNS BIS HTTP UND URIS ......................................................312 7.6.1 DNS: DOMAIN NAME SYSTEM ............................................................................... 312 7.6.2 E-MAIL ................................................................................................................. 313 7.6.3 FTP: FILE TRANSFER PROTOCOL ............................................................................... 313 7.6.4 SSH: SECURE SHELL UND TELNET: TELETYPE NETWORK ............................................314 7.6.5 HTTP UND HTTPS: HYPERTEXT TRANSFER PROTOCOL ............................................314 7.6.6 URI: UNIFORM RESOURCE IDENTIFIER ..................................................................... 315 LITERATUR ....................................................................................................................................... 317 8 BETRIEBSSYSTEME 319 8.1 UEBERBLICK ............................................................................................................................ 319 8.1.1 AUFGABEN .............................................................................................................. 321 8.1.2 BETRIEBSARTEN ........................................................................................................ 322 INHALTSVERZEICHNIS XV 8.2 BETRIEBSSYSTEM-ARCHITEKTUREN ........................................................................................ 323 8.3 AUFGABEN EINES BETRIEBSSYSTEMS IM DETAIL ..................................................................... 327 8.3.1 PROZESSVERWALTUNG .............................................................................................. 327 8.3.2 SYNCHRONISATION .................................................................................................. 331 8.3.3 INTERPROZESS-KOMMUNIKATION ............................................................................... 335 8.3.4 SPEICHERVERWALTUNG UND VIRTUELLER SPEICHER ..................................................... 336 8.3.5 GERAETEVERWALTUNG UND -TREIBER ........................................................................... 338 8.3.6 DATEIVERWALTUNG ................................................................................................. 338 8.4 BENUTZERSCHNITTS TEILE: SHELL, GUI UND NUI ..................................................................... 341 8.4.1 KOMMANDOZEILEN-INTERPRETER AM BEISPIEL UNIX ............................................ 341 8.4.2 BESONDERHEITEN AM BEISPIEL DER UNIX-SHELL .................................................. 342 8.4.3 GRAFISCHE BENUTZERSCHNITTSTELLE ...........................................................................344 8.4.4 NATUERLICHE BENUTZERSCHNITTSTELLE (NUI) ........................................................... 346 8.5 BEISPIELE FUER BETRIEBSSYSTEME ........................................................................................... 346 8.5.1 MICROSOFT-WINDOWS ........................................................................................... 347 8.5.2 UNIX, LINUX UND ANDROID .............................................................................. 347 8.6 BETRIEBSSYSTEM-VIRTUALISIERUNG ........................................................................................349 8.6.1 ANWENDUNGSBEREICHE ........................................................................................... 350 8.6.2 HYPERVISOREN ............................................................................... 350 8.6.3 VIRTUELLE MASCHINEN ........................................................................................... 353 8.6.4 GRUNDLEGENDE AKTIVITAETEN DER VIRTUALISIERUNG .................................................. 353 8.7 CONTAINER AM BEISPIEL DOCKER ........................................................................................354 8.7.1 IMAGESUNDCONTAINER ........................................................................................ 355 8.7.2 BETRIEBSMITTEL: NETZWERK UND VERZEICHNISSE ..................................................... 355 8.7.3 EIGENE IMAGES ERZEUGEN ..................................................................................... 356 8.7.4 DOCKER AUF WINDOWS UND LINUX ......................................................................... 356 LITERATUR ....................................................................................................................................... 357 9 HOEHERE PROGRAMMIERSPRACHEN UND C 359 9.1 ZUR STRUKTUR HOEHERER PROGRAMMIERSPRACHEN .................................................................. 359 9.1.1 EBENEN DES INFORMATIONSBEGRIFFS IN PROGRAMMIERSPRACHEN ............................. 364 9.1.2 SYSTEME UND STRUKTUREN ..................................................................................... 366 9.2 METHODEN DER SYNTAXBESCHREIBUNG .................................................................................. 369 9.2.1 DIE BACKUS-NAUR FORM ........................................................................................ 369 9.2.2 SYNTAXGRAPHEN .................................................................................................... 373 9.2.3 EINE EINFACHE SPRACHE ALS BEISPIEL: C- - ........................................................... 373 9.3 EINFUEHRUNG IN DIE PROGRAMMIERSPRACHE C ..................................................................... 378 9.3.1 DER AUFBAU VON C-PROGRAMMEN ..................................... 378 9.3.2 EINFACHE DATENTYPEN ........................................................................................... 382 9.3.3 STRUKTURIERTE STANDARD-DATENTYPEN ..................................................................... 387 9.3.4 OPERATOREN UND AUSDRUECKE .................................................................................390 9.3.5 ANWEISUNGEN ........................................................................................................ 393 9.3.6 FUNKTIONEN ........................................................................................................... 397 9.3.7 EIN- UND AUSGABEFUNKTIONEN .............................................................................. 401 9.3.8 VERARBEITUNG VON ZEICHENKETTEN ........................................................................ 403 9.3.9 DAS ZEIGERKONZEPT IN C ..................................................................................... 404 XVI INHALTSVERZEICHNIS LITERATUR ........................................................................................................................................413 10 OBJEKTORIENTIERTE PROGRAMMIERSPRACHEN UND JAVA 415 10.1 ENTSTEHUNG OBJEKTORIENTIERTER SPRACHEN ...........................................................................415 10.2 EINFUEHRUNG IN DIE PROGRAMMIERSPRACHE JAVA ..................................................................418 10.2.1 GRUNDLEGENDER AUFBAU EINES JAVA-PROGRAMMS .................................................. 420 10.2.2 SYNTAX AEHNLICH WIE IN C ..................................................................................... 422 10.2.3 DATENTYPEN UND VARIABLEN: STATISCHE TYPISIERUNG ............................................423 10.3 KLASSEN UND OBJEKTE ........................................................................................................428 10.3.1 ATTRIBUTE UND METHODEN ..................................................................................... 429 10.3.2 STATISCHE ATTRIBUTE UND METHODEN ..................................................................... 430 10.3.3 PAKETE (PACKAGES) .............................................................................................. 432 10.3.4 KAPSELUNG UND GEHEIMNISPRINZIP ..................................................................... 433 10.3.5 VERERBUNG UND POLYMORPHIE ...............................................................................435 10.4 FORTGESCHRITTENE JAVA-THEMEN ........................................................................................ 439 10.4.1 GENERISCHE KLASSEN, BEHAELTER UND ALGORITHMEN ............................................... 439 10.4.2 AUSNAHMEN UND FEHLERBEHANDLUNG ..................................................................... 442 10.4.3 ANNOTATIONEN UND REFLECTION .............................................................................. 444 10.4.4 TESTGETRIEBENE ENTWICKLUNG MIT JAVA .................................................................. 445 10.4.5 THREADS, STREAMS UND PARALLELE VERARBEITUNG .................................................. 446 10.4.6 LAMBDA-AUSDRUECKE UND FUNKTIONALE PROGRAMMIERUNG .................................. 450 10.4.7 DAS JAVA-OEKOSYSTEM ........................................................................................... 451 LITERATUR ....................................................................................................................................... 453 11 AUTOMATENTHEORIE UND FORMALE SPRACHEN 455 11.1 GRUNDBEGRIFFE DER AUTOMATENTHEORIE ..............................................................................455 11.1.1 ENDLICHE AUTOMATEN ........................................................................................... 455 11.1.2 DARSTELLUNG VON AUTOMATEN ..............................................................................458 11.1.3 DIE AKZEPTIERTE SPRACHE VON AUTOMATEN .......................................................... 460 11.1.4 KELLERAUTOMATEN ................................................................................................. 466 11.1.5 TURING-MASCHINEN .............................................................................................. 470 11.2 EINFUEHRUNG IN DIE THEORIE DER FORMALEN SPRACHEN ......................................................... 477 11.2.1 DEFINITION VON FORMALEN SPRACHEN .................................................................... 477 11.2.2 DIE CHOMSKY-HIERARCHIE .....................................................................................478 11.2.3 REGULAERE AUSDRUECKE ........................................................................................... 485 11.2.4 DAS PUMPING-THEOREM ........................................................................................ 487 11.2.5 DIE ANALYSE VON WOERTERN ................................................................................. 490 11.2.6 COMPILER .............................................................................................................. 494 LITERATUR ....................................................................................................................................... 499 12 ALGORITHMEN - BERECHENBARKEIT UND KOMPLEXITAET 501 12.1 BERECHENBARKEIT ................................................................................................................ 503 12.1.1 ENTSCHEIDUNGSPROBLEM UND CHURCH-TURING THESE ............................................. 503 12.1.2 DAS HALTEPROBLEM ..............................................................................................506 12.1.3 SATZ VON RICE UND WEITERE UNENTSCHEIDBARE PROBLEME .....................................508 12.1.4 LOOP-, WHILE-UND GOTO-BERECHENBARKEIT ............................................... 510 INHALTSVERZEICHNIS XVII 12.1.5 PRIMITIV REKURSIVE UND G-REKURSIVE FUNKTIONEN .............................................. 512 12.2 KOMPLEXITAET ........................................................................................................................ 517 12.2.1 DIE ORDNUNG DER KOMPLEXITAET: ^-NOTATION ..................................................... 518 12.2.2 ANALYSE VON ALGORITHMEN ..................................................................................522 12.2.3 DIE KOMPLEXITAETSKLASSEN P UND NP .................................................................. 526 12.2.4 NP-VOLLSTAENDIGE PROBLEME .................................................................................. 527 12.2.5 WEITERE KOMPLEXITAETSKLASSEN ..............................................................................532 12.3 PROBABILISTISCHE ALGORITHMEN ...........................................................................................534 12.3.1 PSEUDO-ZUFALLSZAHLEN ........................................................................................... 534 12.3.2 MONTE-CARLO-METHODEN ..................................................................................... 538 12.3.3 PROBABILISTISCHER PRIMZAHLTEST ...........................................................................542 12.4 REKURSION ........................................................................................................................... 545 12.4.1 DEFINITION UND EINFUEHRENDE BEISPIELE ............................................................... 545 12.4.2 REKURSIVE PROGRAMMIERUNG UND ITERATION ........................................................ 546 12.4.3 BACKTRACKING ........................................................................................................ 548 LITERATUR ....................................................................................................................................... 551 13 SUCHEN UND SORTIEREN 555 13.1 EINFACHE SUCHVERFAHREN .............................................................................. 555 13.1.1 SEQUENTIELLE SUCHE .............................................................................................. 555 13.1.2 BINAERE SUCHE ........................................................................................................ 556 13.1.3 INTERPOLATIONSSUCHE .............................................................................................. 557 13.1.4 RADIX-SUCHE ........................................................................................................559 13.2 SUCHEN VON MUSTERN IN ZEICHENKETTEN ........................................................................... 560 13.2.1 MUSTERABGLEICH DURCH SEQUENTIELLES VERGLEICHEN ............................................... 560 13.2.2 MUSTERABGLEICH DURCH AUTOMATEN ..................................................................... 561 13.2.3 DIE VERFAHREN VON BOYER-MOORE UND KNUTH-MORRIS-PRATT ............................... 562 13.2.4 AEHNLICHKEIT VON MUSTERN UND LEVENSHTEIN-DISTANZ ........................................ 564 13.3 GESTREUTE SPEICHERUNG (HASHING) .....................................................................................566 13.3.1 HASH-FUNKTIONEN ................................................................................................. 566 13.3.2 KOLLISIONSBEHANDLUNG ........................................................................................... 568 13.3.3 KOMPLEXITAETSBERECHNUNG ..................................................................................... 573 13.4 DIREKTE SORTIERVERFAHREN ................................................................................................. 575 13.4.1 VORBEMERKUNGEN ................................................................................................. 575 13.4.2 SORTIEREN DURCH DIREKTES EINFUEGEN (INSERTION SORT) ............................................ 578 13.4.3 SORTIEREN DURCH DIREKTES AUSWAEHLEN (SELECTION SORT) ..................................... 580 13.4.4 SORTIEREN DURCH DIREKTES AUSTAUSCHEN (BUBBLESORT) ........................................582 13.5 HOEHERE SORTIERVERFAHREN ............................................................... 585 13.5.1 SHELLSORT .............................................................................................................. 585 13.5.2 QUICKSORT ..............................................................................................................586 13.5.3 VERGLEICH DER SORTIERVERFAHREN ........................................................................... 590 13.6 SORTIEREN EXTERNER DATEIEN ..............................................................................................592 13.6.1 GRUNDPRINZIPIEN DES SEQUENTIELLEN DATENZUGRIFFS ............................................592 13.6.2 SEQUENTIELLE SPEICHERORGANISATION ..................................................................... 595 13.6.3 DIREKTES MISCHEN (DIRECT MERGE, MERGESORT) ......................... 599 13.6.4 NATUERLICHES MISCHEN (NATURAL MERGE) ...............................................................602 XVIII INHALTSVERZEICHNIS 13.6.5 N-BAND-MISCHEN ................................................................................................. 604 LITERATUR ........................................................................................................................................ 607 14 DATENSTRUKTUREN, BAEUME UND GRAPHEN 609 14.1 SEQUENTIELLE DATENSTRUKTUREN ........................................................................................... 610 14.1.1 LINEARE LISTEN ..................................................................................................... 610 14.1.2 STAPEL, SCHLANGEN UND RINGPUFFER ..................................................................... 614 14.2 BINAERBAEUME ........................................................................................................................617 14.2.1 SPEICHERN UND DURCHSUCHEN VON BINAERBAEUMEN ............................................... 619 14.2.2 BINAERE SUCHBAEUME .............................................................................................. 624 14.2.3 AUSGLEICHEN VON BAEUMEN UND AVL-BAEUME ..................................................... 631 14.2.4 HEAPS UND HEAPSORT ........................................................................................... 635 14.3 VIELWEGBAEUME ................................................................................................................. 642 14.3.1 RUECKFUEHRUNG AUF BINAERBAEUME ........................................................................... 642 14.3.2 DEFINITION VON (A,Z?)-BAEUMEN UND B-BAEUMEN ..................................................643 14.3.3 OPERATIONEN AUF B-BAEUMEN ............................................................................... 646 14.4 GRAPHEN .............................................................................................................................. 654 14.4.1 DEFINITIONEN UND EINFUEHRENDE BEISPIELE ............................................................ 654 14.4.2 SPEICHERUNG VON GRAPHEN .................................................................................. 658 14.4.3 SUCHEN, EINFUEGEN UND LOESCHEN VON KNOTEN UND KANTEN ............................... 663 14.4.4 DURCHSUCHEN VON GRAPHEN .................................................................................. 666 14.4.5 HALBORDNUNG UND TOPOLOGISCHES SORTIEREN ........................................................ 679 14.4.6 MINIMAL SPANNENDE BAEUME .................................................................................. 680 14.4.7 UNION-FIND ALGORITHMEN ..................................................................................... 682 LITERATUR .......................................................................................................................................689 15 SOFTWARE-ENGINEERING 691 15.1 UEBERBLICK ........................................................................................................................... 691 15.1.1 WAS IST SOFTWARE? ................................................................................................. 691 15.1.2 WAS BEDEUTET ENGINEERING? .................................................................................. 692 15.1.3 WARUM IST SOFTWARE-ENGINEERING SCHWIERIG? .................................................. 693 15.2 TAETIGKEITEN IM SOFTWARE-LEBENSZYKLUS ........................................................................... 694 15.2.1 ANFORDERUNGSANALYSE UND SPEZIFIKATION ............................................................ 694 15.2.2 ARCHITEKTURENTWURF .............................................................................................. 696 15.2.3 IMPLEMENTIERUNG ................................................................................................. 696 15.2.4 TEST UND INTEGRATION ........................................................................................... 696 15.2.5 INBETRIEBNAHME .....................................................................................................697 15.2.6 WARTUNG UND WEITERENTWICKLUNG ........................................................................ 697 15.3 QUERSCHNITTSDISZIPLINEN .....................................................................................................697 15.3.1 PROJEKTMANAGEMENT .............................................................................................. 697 15.3.2 QUALITAETSMANAGEMENT ........................................................................................... 699 15.3.3 KONFIGURATIONSMANAGEMENT .............................................................................. 700 15.4 VORGEHENSMODELLE .............................................................................................................. 701 15.4.1 BASISMODELLE ........................................................................................................702 15.4.2 V-MODELL XT ALS PLANGETRIEBENES VORGEHENSMODELL ........................................ 704 15.4.3 SERUM ALS AGILES VORGEHENSMODELL (-FRAMEWORK) ............................................ 706 INHALTSVERZEICHNIS XIX 15.5 MODELLE IM SOFTWARE-ENGINEERING ..................................................................................708 15.5.1 VOM PROBLEM ZUR LOESUNG .................................................................................. 708 15.5.2 DIE UNIFIED MODELING LANGUAGE ........................................................................709 15.5.3 AUSGEWAEHLTE DIAGRAMME DER UML IM DETAIL ................................................... 712 15.6 HILFSMITTEL FUER DEN ENTWURF VON ALGORITHMEN ...............................................................719 15.6.1 PSEUDOCODE ...........................................................................................................719 15.6.2 FLUSSDIAGRAMME .................................................................................................719 15.6.3 STRUKTOGRAMME NACH NASSI-SHNEIDERMAN ........................................................ 720 15.6.4 ENTSCHEIDUNGSTABELLEN ........................................................................................723 LITERATUR ....................................................................................................................................... 726 16 DATENBANKEN 729 16.1 EINFUEHRUNG UND DEFINITION ..............................................................................................729 16.2 RELATIONALE DATENBANKMANAGEMENT-SYSTEME ............................................................... 733 16.2.1 RELATIONEN ........................................................................................................... 733 16.2.2 SCHLUESSEL ..............................................................................................................734 16.2.3 BEZIEHUNGEN (RELATIONSHIPS) .............................................................................. 735 16.3 RELATIONALE ALGEBRA ........................................................................................................... 735 16.4 DIE DATENBANKSPRACHE SQL ...........................................................................................739 16.4.1 SQL ALS DEKLARATIVE SPRACHE .............................................................................. 740 16.4.2 DEFINITION DES DATENBANKSCHEMAS ..................................................................... 740 16.4.3 EINFUEGEN, AENDERN UND LOESCHEN VON DATEN ........................................................ 742 16.4.4 SUCHEN MIT SELECT ........................................................................................... 742 16.4.5 PROGRAMMIERSPRACHEN UND SQL ........................................................................ 744 16.5 NOSQL .............................................................................................................................. 745 16.6 TRANSAKTIONEN, OLTP UND ACID ..................................................................................... 747 16.7 OLAP, DATA WAREHOUSING UND DATA-MINING ..................................................................748 16.8 SEMI-STRUKTURIERTE DATEN MIT XML .................................................................................. 751 16.8.1 DER AUFBAU VON XML-DOKUMENTEN .................................................................. 752 16.8.2 WOHLGEFORMTHEIT UND VALIDITAET ........................................................................... 753 16.8.3 XML-SCHEMA ........................................................................................................ 754 16.8.4 XPATH .................................................................................................................... 755 16.8.5 XSL: EXTENDED STYLE SHEET LANGUAGE .............................................................. 756 LITERATUR ....................................................................................................................................... 758 17 ANWENDUNGSPROGRAMMIERUNG IM INTERNET 759 17.1 CLIENT-SERVER-SYSTEME ....................................................................................................759 17.2 GRUNDLEGENDE TECHNOLOGIEN ........................................................ 760 17.2.1 HTML ................................................................................................................. 760 17.2.2 DOM: DOCUMENT OBJECT MODEL ........................................................................ 766 17.2.3 CSS: CASCADING STYLE SHEETS .............................................................................. 767 17.3 WEBANWENDUNGEN .............................................................................................................. 771 17.3.1 HTML FORMULARE ................................................................................................. 771 17.3.2 AUSWERTUNG VON FORMULAREN .............................................................................. 773 17.4 JAVASCRIPT .......................................................................................................................... 775 17.4.1 GRUNDLEGENDE EIGENSCHAFTEN .............................................................................. 775 XX INHALTSVERZEICHNIS 17.4.2 FUNKTIONEN ........................................................................................................... 778 17.4.3 OBJEKTE UND PROTOTYPEN ..................................................................................... 780 17.4.4 KLASSEN SEIT ES6 ..................................................................................................783 17.4.5 JSON: JAVASCRIPT OBJECT NOTATION ..................................................................... 783 17.4.6 JAVASCRIPT UND DOM ........................................................................................... 784 17.4.7 EREIGNISGESTEUERTE PROGRAMMIERUNG MIT JAVASCRIPT ......................................... 786 17.4.8 AJAX: ASYNCHRONOUS JAVASCRIPT AND XML .....................................................787 17.5 SERVERSEITIGE SKRIPTE MIT PHP ....................................................................................... 788 17.5.1 GRUNDLEGENDE EIGENSCHAFTEN ...............................................................................788 17.5.2 ARRAYS .................................................................................................................... 791 17.5.3 FUNKTIONEN ........................................................................................................... 792 17.5.4 OBJEKTORIENTIERTE PROGRAMMIERUNG IN PHP ........................................................ 794 17.5.5 DATENUEBERGABE VON HTML-FORMULAREN AN PHP-SKRIPTE ................................795 17.5.6 SITZUNGSDATEN: SESSION UND COOKIE .................................................................. 796 17.5.7 DATENBANKZUGRIFF MIT PHP .................................................................................. 797 LITERATUR ....................................................................................................................................... 799 18 MASCHINELLES LERNEN: DEEP LEARNING MIT NEURONALEN NETZEN 801 18.1 KLASSIFIKATION UND REGRESSION ........................................................................................ 802 18.2 NEURONALE NETZE ..............................................................................................................804 18.2.1 DAS PERZEPTRON-NEURONENMODELL ........................................................................ 804 18.2.2 AKTIVIERUNGSFUNKTIONEN .....................................................................................806 18.2.3 MEHRSCHICHTPERZEPTRON ........................................................................................ 808 18.3 BILDERKENNUNG: NEURONALE FALTUNGSNETZE (CNN) ............................................................ 815 18.4 NORMALISIERUNG UND REGULARISIERUNG ..............................................................................823 18.5 BEWERTUNG VON KLASSIFIKATOREN ........................................................................................ 826 18.6 AUSBLICK .............................................................................................................................. 829 LITERATUR ....................................................................................................................................... 831 INDEX 835 DIE AUTOREN 861
adam_txt	INHALTSVERZEICHNIS WEBSEITE, HINWEISE, ERRATA IX 1 EINFUEHRUNG 1 1.1 WAS IST EIGENTLICH INFORMATIK? . 1 1.2 ZUR GESCHICHTE DER INFORMATIK . 3 1.2.1 FRUEHE ZAEHL-UND RECHENSYSTEME . 3 1.2.2 DIE ENTWICKLUNG VON RECHENMASCHINEN . 4 1.2.3 DIE COMPUTER-GENERATIONEN . 7 1.3 PRINZIPIELLER AUFBAU VON COMPUTERN . 12 1.3.1 ZENTRALEINHEIT UND BUSSTRUKTUR . 12 1.3.2 SYSTEMKOMPONENTEN . 15 1.4 ZAHLENSYSTEME UND BINAERE ARITHMETIK . 17 1.4.1 DARSTELLUNG VON ZAHLEN . 17 1.4.2 UMWANDLUNG VON ZAHLEN IN VERSCHIEDENE DARSTELLUNGSSYSTEME . 18 1.4.3 BINAERE ARITHMETIK . 24 1.4.4 GLEITKOMMAZAHLEN . 30 LITERATUR . 35 2 NACHRICHT UND INFORMATION 37 2.1 ABGRENZUNG DER BEGRIFFE NACHRICHT UND INFORMATION . 37 2.2 BIOLOGISCHE ASPEKTE . 39 2.2.1 SINNESORGANE . 39 2.2.2 DATENVERARBEITUNG IM GEHIRN . 39 2.2.3 DER GENETISCHE CODE . 40 2.3 DISKRETISIERUNG VON NACHRICHTEN . 43 2.3.1 ABTASTUNG . 43 2.3.2 QUANTISIERUNG . 45 2.4 WAHRSCHEINLICHKEIT UND KOMBINATORIK . 47 2.4.1 DIE RELATIVE HAEUFIGKEIT . 47 2.4.2 DIE MATHEMATISCHE WAHRSCHEINLICHKEIT . 47 2.4.3 TOTALE WAHRSCHEINLICHKEIT UND BAYES-FORMEL . 49 2.4.4 STATISTISCHE KENNGROESSEN . 54 2.4.5 FAKULTAET UND BINOMIALKOEFFIZIENTEN . 55 2.4.6 KOMBINATORIK . 56 2.5 INFORMATION UND WAHRSCHEINLICHKEIT . 60 2.5.1 DER INFORMATIONSGEHALT EINER NACHRICHT . 60 2.5.2 DIE ENTROPIE EINER NACHRICHT . 62 2.5.3 ZUSAMMENHANG MIT DER PHYSIKALISCHEN ENTROPIE . 64 LITERATUR . 68 XII INHALTSVERZEICHNIS 3 CODIERUNG 69 3.1 GRUNDBEGRIFFE . 69 3.1.1 MITTLERE WORTLAENGE UND CODE-REDUNDANZ . 70 3.1.2 BEISPIELE FUER CODES . 71 3.2 QUELLENCODIERUNG UND DATENKOMPRESSION . 75 3.2.1 CODEBAEUME . 76 3.2.2 DER HUFFMAN-ALGORITHMUS . 77 3.2.3 DER FANO-ALGORITHMUS . 81 3.2.4 ARITHMETISCHE CODIERUNG . 82 3.2.5 LAUFLAENGEN-CODIERUNG . 85 3.2.6 DIFFERENZ-CODIERUNG . 86 3.2.7 DER LZW-ALGORITHMUS . 90 3.2.8 DATENREDUKTION DURCH UNITAERE TRANSFORMATIONEN (JPEG) . 94 3.3 CODESICHERUNG UND KANALCODIERUNG . 102 3.3.1 STELLENDISTANZ UND HAMMING-DISTANZ . 102 3.3.2 M-AUS-N-CODES . 105 3.3.3 CODES MIT PARITAETSBITS . 105 3.3.4 FEHLERTOLERANTE GRAY-CODES . 109 3.3.5 DEFINITION LINEARER CODES . 111 3.3.6 LINEARE HAMMING-CODES . 114 3.3.7 ZYKLISCHE CODES UND CODE-POLYNOME . 118 3.3.8 CRC-CODES . 120 3.3.9 SICHERUNG NICHT-BINAERER CODES . 123 3.3.10 REED-SOLOMON CODES . 127 LITERATUR . 135 4 VERSCHLUESSELUNG 137 4.1 KLASSISCHE VERFAHREN . 140 4.1.1 SUBSTITUTIONS-CHIFFREN . 140 4.1.2 TRANSPOSITIONS-CHIFFREN UND ENIGMA . 143 4.2 MODERNE SYMMETRISCHE VERFAHREN . 150 4.2.1 DER DATA ENCRYPTION STANDARD (DES) . 150 4.2.2 DER ADVANCED ENCRYPTION STANDARD (AES) . 151 4.2.3 ONE-TIME-PADS UND STROMCHIFFREN . 154 4.3 MODERNE ASYMMETRISCHE VERFAHREN . 156 4.3.1 DIFFIE-HELLMAN SCHLUESSELAUSTAUSCH . 156 4.3.2 DER RSA-ALGORITHMUS . 160 4.3.3 DIGITALE UNTERSCHRIFT . 165 4.3.4 ELLIPTISCHE-KURVEN-KRYPTOGRAPHIE . 166 LITERATUR . 171 5 COMPUTERHARDWARE UND MASCHINENSPRACHE 173 5.1 DIGITALE GRUNDSCHALTUNGEN . 173 5.1.1 STROMKREISE . 173 5.1.2 DIODEN, TRANSISTOREN UND INTEGRIERTE SCHALTKREISE . 175 5.1.3 LOGISCHE GATTER . 178 INHALTSVERZEICHNIS XIII 5.2 BOOLESCHE ALGEBRA UND SCHALTFUNKTIONEN . 181 5.2.1 AUSSAGENLOGIK . 181 5.2.2 DER BOOLESCHE VERBAND . 183 5.2.3 DAS BOOLESCHE NORMALFORM-THEOREM . 185 5.2.4 VEREINFACHEN BOOLESCHER AUSDRUECKE . 186 5.3 SCHALTNETZE UND SCHALTWERKE . 189 5.3.1 SCHALTNETZE . 189 5.3.2 SPEZIELLE SCHALTNETZE . 190 5.3.3 SCHALTWERKE . 193 5.4 DIE FUNKTION EINER CPU AM BEISPIEL DES M68000 . 198 5.4.1 DIE ANSCHLUESSE DER CPU M68000 . 198 5.4.2 DER INNERE AUFBAU DER CPU M68000 . 203 5.4.3 BEFEHLSFORMATE UND BEFEHLSAUSFUEHRUNG . 208 5.4.4 ADRESSIERUNGSARTEN . 211 5.5 MASCHINENSPRACHE UND ASSEMBLER . 217 5.5.1 EINFUEHRUNG . 217 5.5.2 DER BEFEHLSSATZ DES M68000 . 218 5.5.3 PROGRAMMBEISPIELE . 227 LITERATUR . 230 6 RECHNERARCHITEKTUR 231 6.1 UEBERBLICK . 231 6.2 DIE VON-NEUMANN-ARCHITEKTUR . 235 6.2.1 KOMPONENTEN EINES VON-NEUMANN-RECHNERS . 235 6.2.2 OPERATIONSPRINZIP . 237 6.3 DER TYPISCHE DESKTOP-PC UND LAPTOP . 238 6.4 BEFEHLSSATZ . 240 6.4.1 MIKROPROGRAMME UND CISC . 241 6.4.2 REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER: RISC .242 6.4.3 ABWAERTSKOMPATIBILITAET .242 6.5 KLASSIFIKATION NACH FLYNN .242 6.6 PARALLELITAET INNERHALB EINER BEFEHLSSEQUENZ .244 6.6.1 FLIESSBANDVERARBEITUNG - OPTIMIERTE BEFEHLSAUSFUEHRUNG .244 6.6.2 SUPERSKALARE MIKROPROZESSOREN .246 6.6.3 VLIW - VERY LONG INSTRUCTION WORD .246 6.7 PARALLELITAET IN DATEN NUTZEN: VEKTORPROZESSOREN . 247 6.8 PARALLELE AUSFUEHRUNG MEHRERER BEFEHLSSEQUENZEN . 248 6.8.1 SIMULTANES MULTI-THREADING INNERHALB EINER CPU . . . 250 6.8.2 MULTI-CORE-CPU . 250 6.8.3 MULTIPROZESSOR-SYSTEME . 251 6.8.4 MULTICOMPUTER-SYSTEME .252 6.9 SPEICHERHIERARCHIE .252 6.9.1 SPEICHERTECHNOLOGIEN: REGISTER, CACHE UND HAUPTSPEICHER .252 6.9.2 CACHING .254 6.9.3 MEMORY MANAGEMENT UNIT UND VIRTUELLER SPEICHER .256 6.9.4 FESTPLATTEN .256 XIV INHALTSVERZEICHNIS 6.9.5 FLASH-SPEICHER UND SOLID STATE DISKS . 257 6.10 EIN- UND AUSGABE: INTERRUPTS UND DMA .258 6.11 VERBINDUNGSSTRUKTUREN . 260 6.11.1 GEMEINSAMER BUS . 260 6.11.2 ZUGRIFFSPROTOKOLLE FUER BUSSE UND GEMEINSAME SPEICHER . 262 6.11.3 PUNKT-ZU-PUNKT VERBINDUNGEN: PCI-EXPRESS UND SATA . 263 6.11.4 WEITERE VERBINDUNGSSTRUKTUREN . 263 6.11.5 ALLGEMEINE TOPOLOGISCHE VERBINDUNGSSTRUKTUREN .265 6.12 MIKROCONTROLLER UND SPEZIALPROZESSOREN . 266 LITERATUR . 268 7 RECHNERNETZE 271 7.1 WAS IST EIN RECHNERNETZ? . 271 7.2 DAS OSLSCHICHTENMODELL DER DATENKOMMUNIKATION . 273 7.3 BITUEBERTRAGUNGSSCHICHT . 277 7.3.1 KUPFER, GLASFASER UND DER FREIE RAUM .277 7.3.2 LEITUNGSCODIERUNG .278 7.3.3 MODULATION, MULTIPLEXING UND MULTIPLE ACCESS .279 7.3.4 NETZTOPOLOGIEN . 284 7.4 TECHNOLOGIEN DER SICHERUNGSSCHICHT .285 7.4.1 NETZE IM NAHBEREICH (PAN UND WPAN) . 285 7.4.2 LOKALE NETZE: LAN UND WLAN .287 7.4.3 VORGRIFF: LEITUNGS- UND PAKETVERMITTLUNG .292 7.4.4 ZUGANG ZUM INTERNET: VON DSL BIS ZU LTE . 293 7.4.5 DIE BEHANDLUNG VON UEBERTRAGUNGSFEHLERN . 299 7.5 NETZWERK- UND TRANSPORTSCHICHT: TCP/IP UND DAS INTERNET . 300 7.5.1 UEBERBLICK UEBER DAS INTERNET . 300 7.5.2 IP: INTERNET PROTOCOL . 303 7.5.3 IPV6 . 307 7.5.4 ICMP: INTERNET CONTROL MESSAGE PROTOCOL .309 7.5.5 TCP: TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL . 309 7.5.6 TLS UND SSL: TRANSPORT LEVEL SECURITY . 311 7.5.7 UDP: USER DATAGRAM PROTOCOL . 311 7.6 ANWENDUNGSSCHICHT: VON DNS BIS HTTP UND URIS .312 7.6.1 DNS: DOMAIN NAME SYSTEM . 312 7.6.2 E-MAIL . 313 7.6.3 FTP: FILE TRANSFER PROTOCOL . 313 7.6.4 SSH: SECURE SHELL UND TELNET: TELETYPE NETWORK .314 7.6.5 HTTP UND HTTPS: HYPERTEXT TRANSFER PROTOCOL .314 7.6.6 URI: UNIFORM RESOURCE IDENTIFIER . 315 LITERATUR . 317 8 BETRIEBSSYSTEME 319 8.1 UEBERBLICK . 319 8.1.1 AUFGABEN . 321 8.1.2 BETRIEBSARTEN . 322 INHALTSVERZEICHNIS XV 8.2 BETRIEBSSYSTEM-ARCHITEKTUREN . 323 8.3 AUFGABEN EINES BETRIEBSSYSTEMS IM DETAIL . 327 8.3.1 PROZESSVERWALTUNG . 327 8.3.2 SYNCHRONISATION . 331 8.3.3 INTERPROZESS-KOMMUNIKATION . 335 8.3.4 SPEICHERVERWALTUNG UND VIRTUELLER SPEICHER . 336 8.3.5 GERAETEVERWALTUNG UND -TREIBER . 338 8.3.6 DATEIVERWALTUNG . 338 8.4 BENUTZERSCHNITTS TEILE: SHELL, GUI UND NUI . 341 8.4.1 KOMMANDOZEILEN-INTERPRETER AM BEISPIEL UNIX . 341 8.4.2 BESONDERHEITEN AM BEISPIEL DER UNIX-SHELL . 342 8.4.3 GRAFISCHE BENUTZERSCHNITTSTELLE .344 8.4.4 NATUERLICHE BENUTZERSCHNITTSTELLE (NUI) . 346 8.5 BEISPIELE FUER BETRIEBSSYSTEME . 346 8.5.1 MICROSOFT-WINDOWS . 347 8.5.2 UNIX, LINUX UND ANDROID . 347 8.6 BETRIEBSSYSTEM-VIRTUALISIERUNG .349 8.6.1 ANWENDUNGSBEREICHE . 350 8.6.2 HYPERVISOREN . 350 8.6.3 VIRTUELLE MASCHINEN . 353 8.6.4 GRUNDLEGENDE AKTIVITAETEN DER VIRTUALISIERUNG . 353 8.7 CONTAINER AM BEISPIEL DOCKER .354 8.7.1 IMAGESUNDCONTAINER . 355 8.7.2 BETRIEBSMITTEL: NETZWERK UND VERZEICHNISSE . 355 8.7.3 EIGENE IMAGES ERZEUGEN . 356 8.7.4 DOCKER AUF WINDOWS UND LINUX . 356 LITERATUR . 357 9 HOEHERE PROGRAMMIERSPRACHEN UND C 359 9.1 ZUR STRUKTUR HOEHERER PROGRAMMIERSPRACHEN . 359 9.1.1 EBENEN DES INFORMATIONSBEGRIFFS IN PROGRAMMIERSPRACHEN . 364 9.1.2 SYSTEME UND STRUKTUREN . 366 9.2 METHODEN DER SYNTAXBESCHREIBUNG . 369 9.2.1 DIE BACKUS-NAUR FORM . 369 9.2.2 SYNTAXGRAPHEN . 373 9.2.3 EINE EINFACHE SPRACHE ALS BEISPIEL: C- - . 373 9.3 EINFUEHRUNG IN DIE PROGRAMMIERSPRACHE C . 378 9.3.1 DER AUFBAU VON C-PROGRAMMEN . 378 9.3.2 EINFACHE DATENTYPEN . 382 9.3.3 STRUKTURIERTE STANDARD-DATENTYPEN . 387 9.3.4 OPERATOREN UND AUSDRUECKE .390 9.3.5 ANWEISUNGEN . 393 9.3.6 FUNKTIONEN . 397 9.3.7 EIN- UND AUSGABEFUNKTIONEN . 401 9.3.8 VERARBEITUNG VON ZEICHENKETTEN . 403 9.3.9 DAS ZEIGERKONZEPT IN C . 404 XVI INHALTSVERZEICHNIS LITERATUR .413 10 OBJEKTORIENTIERTE PROGRAMMIERSPRACHEN UND JAVA 415 10.1 ENTSTEHUNG OBJEKTORIENTIERTER SPRACHEN .415 10.2 EINFUEHRUNG IN DIE PROGRAMMIERSPRACHE JAVA .418 10.2.1 GRUNDLEGENDER AUFBAU EINES JAVA-PROGRAMMS . 420 10.2.2 SYNTAX AEHNLICH WIE IN C . 422 10.2.3 DATENTYPEN UND VARIABLEN: STATISCHE TYPISIERUNG .423 10.3 KLASSEN UND OBJEKTE .428 10.3.1 ATTRIBUTE UND METHODEN . 429 10.3.2 STATISCHE ATTRIBUTE UND METHODEN . 430 10.3.3 PAKETE (PACKAGES) . 432 10.3.4 KAPSELUNG UND GEHEIMNISPRINZIP . 433 10.3.5 VERERBUNG UND POLYMORPHIE .435 10.4 FORTGESCHRITTENE JAVA-THEMEN . 439 10.4.1 GENERISCHE KLASSEN, BEHAELTER UND ALGORITHMEN . 439 10.4.2 AUSNAHMEN UND FEHLERBEHANDLUNG . 442 10.4.3 ANNOTATIONEN UND REFLECTION . 444 10.4.4 TESTGETRIEBENE ENTWICKLUNG MIT JAVA . 445 10.4.5 THREADS, STREAMS UND PARALLELE VERARBEITUNG . 446 10.4.6 LAMBDA-AUSDRUECKE UND FUNKTIONALE PROGRAMMIERUNG . 450 10.4.7 DAS JAVA-OEKOSYSTEM . 451 LITERATUR . 453 11 AUTOMATENTHEORIE UND FORMALE SPRACHEN 455 11.1 GRUNDBEGRIFFE DER AUTOMATENTHEORIE .455 11.1.1 ENDLICHE AUTOMATEN . 455 11.1.2 DARSTELLUNG VON AUTOMATEN .458 11.1.3 DIE AKZEPTIERTE SPRACHE VON AUTOMATEN . 460 11.1.4 KELLERAUTOMATEN . 466 11.1.5 TURING-MASCHINEN . 470 11.2 EINFUEHRUNG IN DIE THEORIE DER FORMALEN SPRACHEN . 477 11.2.1 DEFINITION VON FORMALEN SPRACHEN . 477 11.2.2 DIE CHOMSKY-HIERARCHIE .478 11.2.3 REGULAERE AUSDRUECKE . 485 11.2.4 DAS PUMPING-THEOREM . 487 11.2.5 DIE ANALYSE VON WOERTERN . 490 11.2.6 COMPILER . 494 LITERATUR . 499 12 ALGORITHMEN - BERECHENBARKEIT UND KOMPLEXITAET 501 12.1 BERECHENBARKEIT . 503 12.1.1 ENTSCHEIDUNGSPROBLEM UND CHURCH-TURING THESE . 503 12.1.2 DAS HALTEPROBLEM .506 12.1.3 SATZ VON RICE UND WEITERE UNENTSCHEIDBARE PROBLEME .508 12.1.4 LOOP-, WHILE-UND GOTO-BERECHENBARKEIT . 510 INHALTSVERZEICHNIS XVII 12.1.5 PRIMITIV REKURSIVE UND G-REKURSIVE FUNKTIONEN . 512 12.2 KOMPLEXITAET . 517 12.2.1 DIE ORDNUNG DER KOMPLEXITAET: ^-NOTATION . 518 12.2.2 ANALYSE VON ALGORITHMEN .522 12.2.3 DIE KOMPLEXITAETSKLASSEN P UND NP . 526 12.2.4 NP-VOLLSTAENDIGE PROBLEME . 527 12.2.5 WEITERE KOMPLEXITAETSKLASSEN .532 12.3 PROBABILISTISCHE ALGORITHMEN .534 12.3.1 PSEUDO-ZUFALLSZAHLEN . 534 12.3.2 MONTE-CARLO-METHODEN . 538 12.3.3 PROBABILISTISCHER PRIMZAHLTEST .542 12.4 REKURSION . 545 12.4.1 DEFINITION UND EINFUEHRENDE BEISPIELE . 545 12.4.2 REKURSIVE PROGRAMMIERUNG UND ITERATION . 546 12.4.3 BACKTRACKING . 548 LITERATUR . 551 13 SUCHEN UND SORTIEREN 555 13.1 EINFACHE SUCHVERFAHREN . 555 13.1.1 SEQUENTIELLE SUCHE . 555 13.1.2 BINAERE SUCHE . 556 13.1.3 INTERPOLATIONSSUCHE . 557 13.1.4 RADIX-SUCHE .559 13.2 SUCHEN VON MUSTERN IN ZEICHENKETTEN . 560 13.2.1 MUSTERABGLEICH DURCH SEQUENTIELLES VERGLEICHEN . 560 13.2.2 MUSTERABGLEICH DURCH AUTOMATEN . 561 13.2.3 DIE VERFAHREN VON BOYER-MOORE UND KNUTH-MORRIS-PRATT . 562 13.2.4 AEHNLICHKEIT VON MUSTERN UND LEVENSHTEIN-DISTANZ . 564 13.3 GESTREUTE SPEICHERUNG (HASHING) .566 13.3.1 HASH-FUNKTIONEN . 566 13.3.2 KOLLISIONSBEHANDLUNG . 568 13.3.3 KOMPLEXITAETSBERECHNUNG . 573 13.4 DIREKTE SORTIERVERFAHREN . 575 13.4.1 VORBEMERKUNGEN . 575 13.4.2 SORTIEREN DURCH DIREKTES EINFUEGEN (INSERTION SORT) . 578 13.4.3 SORTIEREN DURCH DIREKTES AUSWAEHLEN (SELECTION SORT) . 580 13.4.4 SORTIEREN DURCH DIREKTES AUSTAUSCHEN (BUBBLESORT) .582 13.5 HOEHERE SORTIERVERFAHREN . 585 13.5.1 SHELLSORT . 585 13.5.2 QUICKSORT .586 13.5.3 VERGLEICH DER SORTIERVERFAHREN . 590 13.6 SORTIEREN EXTERNER DATEIEN .592 13.6.1 GRUNDPRINZIPIEN DES SEQUENTIELLEN DATENZUGRIFFS .592 13.6.2 SEQUENTIELLE SPEICHERORGANISATION . 595 13.6.3 DIREKTES MISCHEN (DIRECT MERGE, MERGESORT) . 599 13.6.4 NATUERLICHES MISCHEN (NATURAL MERGE) .602 XVIII INHALTSVERZEICHNIS 13.6.5 N-BAND-MISCHEN . 604 LITERATUR . 607 14 DATENSTRUKTUREN, BAEUME UND GRAPHEN 609 14.1 SEQUENTIELLE DATENSTRUKTUREN . 610 14.1.1 LINEARE LISTEN . 610 14.1.2 STAPEL, SCHLANGEN UND RINGPUFFER . 614 14.2 BINAERBAEUME .617 14.2.1 SPEICHERN UND DURCHSUCHEN VON BINAERBAEUMEN . 619 14.2.2 BINAERE SUCHBAEUME . 624 14.2.3 AUSGLEICHEN VON BAEUMEN UND AVL-BAEUME . 631 14.2.4 HEAPS UND HEAPSORT . 635 14.3 VIELWEGBAEUME . 642 14.3.1 RUECKFUEHRUNG AUF BINAERBAEUME . 642 14.3.2 DEFINITION VON (A,Z?)-BAEUMEN UND B-BAEUMEN .643 14.3.3 OPERATIONEN AUF B-BAEUMEN . 646 14.4 GRAPHEN . 654 14.4.1 DEFINITIONEN UND EINFUEHRENDE BEISPIELE . 654 14.4.2 SPEICHERUNG VON GRAPHEN . 658 14.4.3 SUCHEN, EINFUEGEN UND LOESCHEN VON KNOTEN UND KANTEN . 663 14.4.4 DURCHSUCHEN VON GRAPHEN . 666 14.4.5 HALBORDNUNG UND TOPOLOGISCHES SORTIEREN . 679 14.4.6 MINIMAL SPANNENDE BAEUME . 680 14.4.7 UNION-FIND ALGORITHMEN . 682 LITERATUR .689 15 SOFTWARE-ENGINEERING 691 15.1 UEBERBLICK . 691 15.1.1 WAS IST SOFTWARE? . 691 15.1.2 WAS BEDEUTET ENGINEERING? . 692 15.1.3 WARUM IST SOFTWARE-ENGINEERING SCHWIERIG? . 693 15.2 TAETIGKEITEN IM SOFTWARE-LEBENSZYKLUS . 694 15.2.1 ANFORDERUNGSANALYSE UND SPEZIFIKATION . 694 15.2.2 ARCHITEKTURENTWURF . 696 15.2.3 IMPLEMENTIERUNG . 696 15.2.4 TEST UND INTEGRATION . 696 15.2.5 INBETRIEBNAHME .697 15.2.6 WARTUNG UND WEITERENTWICKLUNG . 697 15.3 QUERSCHNITTSDISZIPLINEN .697 15.3.1 PROJEKTMANAGEMENT . 697 15.3.2 QUALITAETSMANAGEMENT . 699 15.3.3 KONFIGURATIONSMANAGEMENT . 700 15.4 VORGEHENSMODELLE . 701 15.4.1 BASISMODELLE .702 15.4.2 V-MODELL XT ALS PLANGETRIEBENES VORGEHENSMODELL . 704 15.4.3 SERUM ALS AGILES VORGEHENSMODELL (-FRAMEWORK) . 706 INHALTSVERZEICHNIS XIX 15.5 MODELLE IM SOFTWARE-ENGINEERING .708 15.5.1 VOM PROBLEM ZUR LOESUNG . 708 15.5.2 DIE UNIFIED MODELING LANGUAGE .709 15.5.3 AUSGEWAEHLTE DIAGRAMME DER UML IM DETAIL . 712 15.6 HILFSMITTEL FUER DEN ENTWURF VON ALGORITHMEN .719 15.6.1 PSEUDOCODE .719 15.6.2 FLUSSDIAGRAMME .719 15.6.3 STRUKTOGRAMME NACH NASSI-SHNEIDERMAN . 720 15.6.4 ENTSCHEIDUNGSTABELLEN .723 LITERATUR . 726 16 DATENBANKEN 729 16.1 EINFUEHRUNG UND DEFINITION .729 16.2 RELATIONALE DATENBANKMANAGEMENT-SYSTEME . 733 16.2.1 RELATIONEN . 733 16.2.2 SCHLUESSEL .734 16.2.3 BEZIEHUNGEN (RELATIONSHIPS) . 735 16.3 RELATIONALE ALGEBRA . 735 16.4 DIE DATENBANKSPRACHE SQL .739 16.4.1 SQL ALS DEKLARATIVE SPRACHE . 740 16.4.2 DEFINITION DES DATENBANKSCHEMAS . 740 16.4.3 EINFUEGEN, AENDERN UND LOESCHEN VON DATEN . 742 16.4.4 SUCHEN MIT SELECT . 742 16.4.5 PROGRAMMIERSPRACHEN UND SQL . 744 16.5 NOSQL . 745 16.6 TRANSAKTIONEN, OLTP UND ACID . 747 16.7 OLAP, DATA WAREHOUSING UND DATA-MINING .748 16.8 SEMI-STRUKTURIERTE DATEN MIT XML . 751 16.8.1 DER AUFBAU VON XML-DOKUMENTEN . 752 16.8.2 WOHLGEFORMTHEIT UND VALIDITAET . 753 16.8.3 XML-SCHEMA . 754 16.8.4 XPATH . 755 16.8.5 XSL: EXTENDED STYLE SHEET LANGUAGE . 756 LITERATUR . 758 17 ANWENDUNGSPROGRAMMIERUNG IM INTERNET 759 17.1 CLIENT-SERVER-SYSTEME .759 17.2 GRUNDLEGENDE TECHNOLOGIEN . 760 17.2.1 HTML . 760 17.2.2 DOM: DOCUMENT OBJECT MODEL . 766 17.2.3 CSS: CASCADING STYLE SHEETS . 767 17.3 WEBANWENDUNGEN . 771 17.3.1 HTML FORMULARE . 771 17.3.2 AUSWERTUNG VON FORMULAREN . 773 17.4 JAVASCRIPT . 775 17.4.1 GRUNDLEGENDE EIGENSCHAFTEN . 775 XX INHALTSVERZEICHNIS 17.4.2 FUNKTIONEN . 778 17.4.3 OBJEKTE UND PROTOTYPEN . 780 17.4.4 KLASSEN SEIT ES6 .783 17.4.5 JSON: JAVASCRIPT OBJECT NOTATION . 783 17.4.6 JAVASCRIPT UND DOM . 784 17.4.7 EREIGNISGESTEUERTE PROGRAMMIERUNG MIT JAVASCRIPT . 786 17.4.8 AJAX: ASYNCHRONOUS JAVASCRIPT AND XML .787 17.5 SERVERSEITIGE SKRIPTE MIT PHP . 788 17.5.1 GRUNDLEGENDE EIGENSCHAFTEN .788 17.5.2 ARRAYS . 791 17.5.3 FUNKTIONEN . 792 17.5.4 OBJEKTORIENTIERTE PROGRAMMIERUNG IN PHP . 794 17.5.5 DATENUEBERGABE VON HTML-FORMULAREN AN PHP-SKRIPTE .795 17.5.6 SITZUNGSDATEN: SESSION UND COOKIE . 796 17.5.7 DATENBANKZUGRIFF MIT PHP . 797 LITERATUR . 799 18 MASCHINELLES LERNEN: DEEP LEARNING MIT NEURONALEN NETZEN 801 18.1 KLASSIFIKATION UND REGRESSION . 802 18.2 NEURONALE NETZE .804 18.2.1 DAS PERZEPTRON-NEURONENMODELL . 804 18.2.2 AKTIVIERUNGSFUNKTIONEN .806 18.2.3 MEHRSCHICHTPERZEPTRON . 808 18.3 BILDERKENNUNG: NEURONALE FALTUNGSNETZE (CNN) . 815 18.4 NORMALISIERUNG UND REGULARISIERUNG .823 18.5 BEWERTUNG VON KLASSIFIKATOREN . 826 18.6 AUSBLICK . 829 LITERATUR . 831 INDEX 835 DIE AUTOREN 861
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