Einführung in die Informationsverarbeitung - ijewski.de V.pdf · Modularisierung "Modularisierung"...

Abschnitt V

Dr.-Ing. Peter Ijewski 1/56

Kontrollfragen

17:13 Informationsverarbeitung Abschnitt V

Aufgaben des letzten Praxisteils

2/56

Vom Algorithmus zum Programm

Software Engineering

Programmiersprachen

Praxisteil

17:13 4/56 Informationsverarbeitung Abschnitt V

• Was ist Boolesche Algebra?

• Warum ist die Boolesche Algebra so wichtig für die Informatik?

• Welche „elementare Gleichungen“ kennen sie?

• Welches sind die sechs Eigenschaften eines Algorithmus?

• Was ist ein Pseudocode?

• Welche Aufgabe hat ein Pseudocode?

• Welche Alternative gibt es zum Pseudocode?


• Drücken Sie die „Ampelaufgabe“ in Form eines Booleschen Terms aus.

p= (¬r˄¬e˄ g)

˅ (¬r˄ e˄¬g)

˅ ( r˄¬e˄¬g)

˅ ( r˄ e˄¬g)

¬p= (¬r˄¬e˄¬g)

˅ (¬r˄ e˄ g)

˅ ( r˄¬e˄ g)

˅ ( r˄ e˄ g)


p = ( r*~e* g)

+ (~r* e*~g)

+ ( r*~e*~g)

+ ( r* e*~g)

~p= (~r*~e*~g)

+ (~r* e* g)

+ ( r*~e* g)

+ ( r* e* g)

Ausmultipliziert: ~r~eg+~re~g+r~e~g+re~g

Sortierung => ~eg~r+e~g~r+~e~gr+e~gr

Axiom 9': e~g~r + e~gr = e~g => ~eg~r+e~g+~e~gr

Axiom 9x': ~e~gr + e~g =~gr + e~g => ~eg~r+e~g+~gr

Ergebnis: p=~eg~r+e~g+~gr

Ausmultipliziert: ~r~e~g+~reg+r~eg+reg

Sortierung => ~e~g~r+eg~r+~egr+egr

Axiom 9': eg~r + egr = eg => ~e~g~r+eg+~egr

Axiom 9x': ~egr + eg = gr + eg => ~e~g~r+eg+gr

Ergebnis: ~p=~e~g~r+eg+gr

p=~e*g*~r+e~g+~g*r

~p=~e*~g*~r+e*g+g*r

~~p=~(~e*~g*~r+e*g+g*r) Ergebnis: p=~gr+e~g+~eg~r

p=(~e*g*~r+e~g+~g*r)*(~gr+e~g+~eg~r) Ergebnis: p=~gr+e~g+~eg~r

p=(¬g ˄ r)˅(e ˄ ¬g)˅(¬e ˄ g ˄ ¬r)

Siehe auch: http://www.elektroniker-bu.de/boolesche.htm


• Beschreiben Sie den Vorgang des Aufstehens am Sonntag (Sie haben vergessen den Wecker auszuschalten!)

function sonntag()

{

schlafe bis auf weiteres

{

falls der Wecker klingelt

{

falls nicht ausreichend Schlaf

{

Schlummertaste bedienen

}

anderenfalls

{

beende schlafen

}

}

falls selbstständiges Aufwachen

{

beende schlafen

}

}

Aufstehen

Waschen

Anziehen

Frühstücken

…

}


• Beschreiben Sie die Aufgabe „Solange würfeln bis eine sechs fällt“ in Pseudocode.

function würfeln()

{

wiederhole bis eine 6 fällt

{

würfle eine Zahl

}

}

function würfeln()

{

wiederhole

{

würfle eine Zahl

falls (Zahl==6)

{

beende Schleife

}

}

}


Begriffsdefinition

Algorithmus

Programm (Software)

• Grundlage jeglicher maschineller Informationsverarbeitung

• Beispiele aus dem Alltag: • Kochrezepte, Bedienungsanleitungen, Aufbauvorschriften • Mathematische Berechnungsverfahren

• (endliche) Folge von (eindeutigen) Anweisungen an einen Rechner => Handlungsvorschrift


Vorgehensweise

Problem

Algorithmus

Programm

Entwicklung eines geeigneten Algorithmus für die Problemlösung

Notation in der gewählten Programmiersprache

„handwerkliche“ Leistung

„künstlerische“ intellektuelle Leistung


Begriffsdefinition

Programmieren

Unter „Programmieren“ versteht man • das Notieren • eines zuvor erarbeiteten Algorithmus • in einer für den gewählten Rechner • lesbaren und ausführbaren Form.


Beispiel

Problemstellung

Berechne zu einer gegebenen Anfangs- und Endezeit einer Fernsehsendung ihre Dauer in Minuten. Voraussetzung: keine Sendung dauert länger als 24 Stunden.


Beispiel

Modellbildung

Eingangs-Information

Daten

Ausgangs-Information

Daten Maschinelle Datenverarbeitung

Repräsentation Interpretation


Beispiel

Modellbildung

• Abstraktion, geeigneten Ausschnitt der realen Welt bilden

• Erstellen des rechnerinternen Modells der realen Welt

• Fragestellungen - Was ist wie zu verarbeiten?

EVA - Prinzip

Eingabe: Anfangszeit (z. B.: 20:15), Endezeit (z. B.: 21:35)

Ausgabe: Dauer der Sendung (z. B.: 80 min)

Verarbeitung: Umwandung der Eingabedaten in Ausgabedaten


Beispiel

Pseudocode function SendungsDauer

{

input hA, mA, hE, mE falls (Sendung geht nicht über Mitternacht)

{

Dauer der Sendung = (hE * 60 + mE) – (hA * 60 + mA);

}

anderenfalls

{

Dauer der Sendung = ((hE + 24) * 60 + mE) – (hA * 60 + mA);

}

output Dauer der Sendung

}


Alternative Darstellungsformen

Ablaufdiagramm Quelle: Bundesministerium der Finanzen


Alternative Darstellungsformen

Nassi-Shneidermann-Diagramm Quelle: www.mathematik.net


Exaktheit. Die Funktion f kann präzise auf formale Weise beschrieben werden.

Finitheit. Die Beschreibung von f ist endlich lang.

Eigenschaften

Vollständigkeit. Die Beschreibung von f umfasst alle vorkommenden Fälle.

Effektivität. Die Einzelschritte sind elementar und real ausführbar.

Terminierung. Die Funktion f hält nach endlich vielen Schritten an und liefert ein Resultat.

Determinismus. Die Funktion f liefert bei gleichen Eingabewerten stets das gleiche Ergebnis, wobei die Folge der Einzelschritte für jeden Eingabewert genau festgelegt ist.


Beispiel

Pseudocode function SendungsDauer

{

input hA, mA, hE, mE Anfang_min = hA * 60 + mA; Ende_min = hE * 60 + mE; falls (Ende_min < Anfang_min)

{

Ende_min = Ende_min + 24 *60;

}

Dauer der Sendung = Ende_min - Anfang_min;

output Dauer der Sendung

}


Beispiel

Programm (C#) using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

namespace ConsoleApplication1

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

// Variablendeklaration

int h_anfang=0;

int min_anfang=0;

int h_ende=0;

int min_ende=0;

int Anfang_min=0;

int Ende_min=0;

int Dauer=0;

// Hole Eingabewerte

Console.WriteLine("Anfangszeit [h]");

h_anfang= Convert.ToInt32(Console.ReadLine());

Console.WriteLine("Anfangszeit [min]");

min_anfang=Convert.ToInt32(Console.ReadLine());

Console.WriteLine("Endezeit [h]");

h_ende=Convert.ToInt32(Console.ReadLine());

Console.WriteLine("Endezeit [min]");

min_ende=Convert.ToInt32(Console.ReadLine());

// Rechne Zeitangaben in Minuten um

Anfang_min = h_anfang * 60 + min_anfang;

Ende_min = h_ende * 60 + min_ende;

if (Ende_min < Anfang_min) Ende_min = Ende_min + 24 *60;

Dauer = Ende_min - Anfang_min;

// Ausgabe auf der Konsole

Console.WriteLine("Dauer: "+Dauer);

Console.ReadLine();

}

}

}


Begriffsdefinition

„Zielorientierte Bereitstellung und systematische Verwendung von • Prinzipien, • Methoden • und Werkzeugen für die • arbeitsteilige, • ingenieurmäßige Entwicklung und Anwendung von umfangreichen Softwaresystemen.“ Quelle: Helmut Balzert: Lehrbuch der Software-Technik. Bd.1. Software-Entwicklung


Kernprozesse

1. Planung • Anforderungserhebung • Lastenheft (Anforderungsdefinition) • Pflichtenheft (Mit technischen Ansätzen verfeinertes Lastenheft) • Aufwandsschätzung • Vorgehensmodell

2. Analyse • Auswertung • Mock-up • Prozessanalyse / Prozessmodell • Systemanalyse • Strukturierte Analyse (SA) • Objektorientierte Analyse (OOA)


Kernprozesse

3. Entwurf • Softwarearchitektur • Strukturiertes Design • Objektorientiertes Design

• Fundamental Modeling Concepts

4. Programmierung • Normierte Programmierung

• Strukturierte Programmierung • Objektorientierte Programmierung (OOP)

• Funktionale Programmierung


Kernprozesse

5. Validierung und Verifikation • Modeless (Low-Level-Test) • Integrationstests (Low-Level-Test) • Systemtests (High-Level-Test) • Akzeptanztests (High-Level-Test)


Unterstützungsprozesse

6. Anforderungsmanagement 7. Projektmanagement 8. Qualitätsmanagement 9. Konfigurationsmanagement 10. Softwareeinführung 11. Dokumentation

• Die genannten Teilschritte werden nicht bei jedem Projekt komplett durchlaufen.

• Vielmehr werden die erforderlichen Prozesse spezifisch für die jeweilige Anforderung gewählt.

• Dies ist schon aus Sicht der Kosten- und Verwaltungsreduzierung dringend erforderlich.


Gründe

Eine Studie der Standish Group (1994) zeigte auf, dass

• nur 16% aller Softwareprojekte erfolgreich (hinsichtlich Zeit-, Budget und Funktionsvorgaben) abgeschlossen werden.

• Rund 53% der Softwareprojekte werden mit erheblichen Defiziten zu Ende gebracht.

• und 31% der Projekte scheitern gänzlich!


Teufelsquadrat für IT-Projekte nach Sneed

Qualität

Kosten

Funktionalität

Zeit

Konzentration auf ein Ziel erzwingt bei gleichen Rahmenbedingungen die Vernachlässigung mindes-tens eines anderen Ziels. (Verbesserung im Bild bedeutet ziehen des Schwerpunkts in diese Richtung.)

generelle Verbesserung nur durch Verbesserung der Rahmenbedingungen (z.B. der Prozesse).

Quelle: Stephan Kleuker, Grundkurs Software Engineering mit UML


Prinzipien bei der Entwicklung von Softwaresystemen

Abstraktion Hervorhebung des Wesentlichen, absehen von speziellen, untergeordneten Details, erkennen gleicher Merkmale

Hierarchisierung Anordnung der Elemente in einer Rangordnung. Elemente gleicher Rangordnung stehen auf derselben Stufe und bilden eine Schicht oder Ebene. Grundsatz: Innerhalb der Hierarchie dürfen keine zirkulären Beziehungen auftreten

Modularisierung "Modularisierung" ist ein allgemeines Prinzip aus den Ingenieur-wissenschaften und dient insbesondere der Erzeugung überschaubarer Systeme, deren Komponenten unter Umständen auch in anderen Systemen wiederverwendet werden können. Auf die Softwareentwicklung angewandt fordert dieses Prinzip die Aufteilung des Systems in überschaubare Teile, mit klar definierten Schnittstellen. Dabei sollen einzelne Module ausgetauscht oder geändert werden können, ohne dass Veränderungen im übrigen System erforderlich sind.

Lokalität Alle wichtigen Informationen, die zu derselben Situation gehören, sind an einem Platz vorhanden. Optimale Lokalität liegt vor, wenn die jeweils benötigten Informationen auf einer Seite stehen. Lokalität ist damit auch ein Strukturierungsprinzip.

integrierte Dokumentation

Ein Software-System besteht aus "Programmcode und Dokumentation" und ist letztlich nur so gut wie diese. Die Dokumentation muss integraler Bestandteil der Softwareentwicklung sein.

Quelle: www.spolwig.de/is/softwareprojekte/prinzipien.htm


Programmiersprachen

Auf einem Rechner wird ein Betriebssystem (Windows, Linux, Unix, etc.) installiert, um dem Anwender bei der Lösung seiner Aufgaben zu unterstützen.

Aufbauend auf der Betriebssystemschnittstelle müssen dazu Anwendungsprogramme bereit gestellt werden.

Die Erstellung derartiger Anwendungsprogramme (wie auch des Betriebssystems und anderer Softwarekomponenten ) erfolgt mittels Programmiersprachen.

Unter einer Programmiersprache versteht man eine formale Sprache, mit der eine auf einer Hardware ablauffähige Software entwickelt werden kann.

Beispiele: Java, C++, C#, Pascal, Cobol, Visual Basic, PHP, u.v.m.


Aufbau von Programmiersprachen

Eine Programmiersprache ist eine formale Sprache zur Formulierung von: • Datenstrukturen • und Algorithmen, d. h. von Rechenvorschriften, die von einem Computer ausgeführt werden können.

Sie setzen sich aus Anweisungen nach einem vorgegebenen Muster zusammen, der sogenannten Syntax.


Aufbau von Programmiersprachen

Die ersten Programmiersprachen orientierten sich sehr an den Eigenschaften der jeweiligen Rechner (Maschinensprachen).

Heute verwendet man meistens problemorientierte Sprachen, sogenannte Hochsprachen.

Diese erlauben grundsätzlich eine abstraktere und (für den Menschen) besser verständliche Ausdrucksweise.

In diesen Hochsprachen geschriebene Programme werden automatisiert in Maschinensprache übersetzt.


Entwicklung der Programmiersprachen

Quelle: goessner.net


Klassen von Programmiersprachen

• Maschinensprache, Assemblersprachen oder C (C++, C#) erlauben eine hardwarenahe Programmierung.

• CNC-Programmiersprachen (z. B. SPS, Sinumerik Operate) dienen der Erzeugung von Steuerungsinformationen für Werkzeugmaschinen.

• Datenbanksprachen (z. B. SQL) sind für den Einsatz in und die Abfrage von Datenbanken gedacht.


Klassen von Programmiersprachen

• Sprachen mit visuellen Programmierumgebungen (Visual Studio, etc.) erleichtern oder ermöglichen gar erst die graphische Gestaltung von Benutzeroberflächen.

• Skriptsprachen (cmd.exe, VBScript, sh, Perl, etc.) dienen zur einfachen Steuerung von Rechnern, wie bei der Stapelverarbeitung.

• Esoterische Programmiersprachen sind experimentelle Sprachen mit teilweise interessanten Konzepten.

Quelle: Wikipedia

• oder auch im WWW serverseitig (PHP, etc.) und clientseitig (JavaScript, etc.) zur Erstellung dynamischer Webseiten.


Übersetzungsprozess

In Hochsprachen geschriebene Programme werden automatisiert in Maschinensprache übersetzt.

• Kompilierende Programmiersprachen (Fortran, C, Pascal, etc.) Der Programmtext wird in Maschinensprache übersetzt und kann dann ausgeführt werden.

• Halbkompilierende Programmiersprachen (Java, C#, etc.) Der Quelltext wird in einen zunächst prozessorunabhängigen Zwischencode übersetzt und innerhalb einer Laufzeitumgebung (JVM, etc.) interpretierend ausgeführt.

• Interpretierende Programmiersprachen (JavaScript, Python, VBScript, etc.) Der Programmtext wird von einem Programm, dem sog. Interpreter schrittweise übersetzt und ausgeführt.


Übersetzungsprozess, vereinfachte Darstellung

Quelle: www.s-line.de


Übersetzungsprozess

• Der Quelltext (source code) als Anweisungsfolge wird in eine Datei geschrieben.

• Ein Compiler oder Interpreter übersetzt den Text in ausführbaren Maschinencode (Objekt-, Binärcode).

• Ein Binder (Linker) fügt ggfs. weitere Programmbibliotheken hinzu und rechnet relative in absolute Adressen um.

• Ein Lader (loader) als Dienst der jeweiligen Laufzeitumgebung (z.B. Betriebssystem) lädt das Programm in den Hauptspeicher und führt es aus.

Quelle: goessner.net


Vielfältige Programmiersprachen

www.99-bottles-of-beer.net one program in 1500 variations

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Elemente einer Programmiersprache

Quelle: www.s-line.de

Variablen Zuweisen, Auslesen und Ändern von Speicherinhalten

Mathematische Operationen zumindest die vier Grundrechenarten

Verzweigungen

Abhängig von einer Bedingung wird ein anderer Programmfluss ausgewählt

Schleifen Wiederholen von Programmsequenzen

Blockbildung Zusammenfassung mehrerer Befehle

nicht mathematische Elemente

z. B. Text, Bilder, Video, Sound, etc.

Kommentare Kommentare beeinflussen den Programmablauf nicht. Sie dokumentieren den Quellcode.


Variablen

Im allgemeinsten Sinne ist eine Variable ein Behälter für Rechen-größen , die im Verlauf eines (Rechen-)prozesses auftreten.

Jede Variable ist gekennzeichnet durch:

• einen Namen • einen Datentyp

• eine Größe • den Inhalt

Die Wahl von Variablennamen bleibt im Allgemeinen völlig dem Programmierer überlassen.

Aber: Zur Vereinfachung der Nachvollziehbarkeit empfiehlt es sich dringend, möglichst selbsterklärende Variablennamen zu verwenden.

Oft verwendet man die sog. Ungarische Notation.

{Datentyp} {Bezeichner} z. B.: nStunde, cBezeichnung


Variablentypen

Präfix Datentyp Beispiel

n Integer nSize

b Boolean bBusy

sz null-terminierter String szLastName

p Zeiger pMemory

a Array aCounter

ch char chName

dw Double Word, 32 Bit dwNumber

w Word, 16 Bit wNumber


Initialisierung von Variablen

Variablen müssen vor Verwendung initialisiert werden.

// Variablendeklaration

int h_anfang=0;

int min_anfang=0;

int h_ende=0;

int min_ende=0;

int Anfang_min=0;

int Ende_min=0;

int Dauer=0;


Scope von Variablen

Quelle: wikipedia


Mathematische Operationen

In jeder Programmiersprache sind mindestens die vier Grundrechenarten verfügbar.

nWerta = nWertb+1;

nWerta = nWertb-1;

nWerta = nWertb*2;

nWerta = nWertb/3;

nWerta++;

nWerta--;


Verzweigungen

Abhängig von einer Bedingung wird durch Verzweigung ein anderer Programmfluss ausgewählt.


if (Ende_min < Anfang_min)

{


}


Wiederholungen

Wiederholen von Programmsequenzen werden durch verschiedene Schleifenkonstrukte erreicht.

Dauer=0;

for (i=0; i<6; i++)

{

Dauer++;

//Ausgabe auf der Konsole

Console.WriteLine("Dauer:

"+Dauer);

}

Dauer=0;

i=0;

while (i<6)

{

i++;

Dauer++;



"+Dauer);

}


Blockbildung

Wiederholen von Programmsequenzen werden durch verschiedene Schleifenkonstrukte erreicht.

Dauer=0;

for (i=0; i<6; i++)

{

Dauer++;



"+Dauer);

}

if (Ende_min < Anfang_min)

{


}


Bearbeitung nicht mathematischer Elemente

Hierzu gehören die Bearbeitung von Texten, Bildern, etc.


nLength = chName.Length;

private void button1_Paint(object sender, PaintEventArgs e) {

Bitmap bmp = new Bitmap(255, 255);

for (int i = 0; i < 255; i++)

for (int j = 0; j < 255; j++)

bmp.SetPixel(j, i, Color.FromArgb(i, 0, j));

e.Graphics.DrawImage(bmp, 0, 0);

}


Kommentare

Kommentare beeinflussen den Programmablauf nicht. Sie dokumentieren den Quellcode. // Hole Eingabewerte

Console.WriteLine("Anfangszeit [h]");


Console.WriteLine("Anfangszeit [min]");

min_anfang=Convert.ToInt32(Console.ReadLine());

Console.WriteLine("Endezeit [h]");

h_ende=Convert.ToInt32(Console.ReadLine());

Console.WriteLine("Endezeit [min]");

min_ende=Convert.ToInt32(Console.ReadLine());

// Rechne Zeitangaben in Minuten um

Anfang_min = h_anfang * 60 + min_anfang;

Ende_min = h_ende * 60 + min_ende;


Dauer = Ende_min - Anfang_min;

// Ausgabe auf der Konsole

Console.WriteLine("Dauer: "+Dauer);


Aufgabe • Starten von Visual Studio (C#) • Erstellen des ersten Programms „Hello World“ • Programm „SendungsDauer“ • Programm „99 bottles of beer”


Danke für heute!

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