Т.Рисингера Информатика для инженеров и ученых. Яркое введение в программирование с помощью C и Java

Ein Computer kann heute mit Zahlen rechnen, Texte und Bilder verarbeiten, spielen und vieles mehr. Damit das möglich wird, müssen die jeweiligen Objekte so dargestellt werden, dass diese Darstellungen automatisiert verarbeitet werden können.

Man wird in diesem Aufsatz zunächst mit einigen allgemeinen Grundlagen der Informatik Bekanntschaft machen und dabei feststellen, dass auch das nicht ganz ohne Konzentration und Geduld funktioniert. So richtig geht es aber erst nach den Grundlagen los, sobald man beginnt, die ersten Programme zu schreiben. Programmieren kann man nicht einfach so im Vorbeigehen, sozusagen durch Fingerschnippen, sondern nur, indem man sich erstens mit den Eigenarten der jeweiligen Programmiersprache vertraut macht und zweitens in aller Ruhe versucht, das Problem mithilfe eines Programms zu lösen.

Eine Programmiersprache ist eine formale Sprache, die zur Formulierung von Computerprogrammen verwendetwird. Die Anweisungen (Befehle) können dabei entweder in Maschinencode geschrieben sein, der vom Prozessorausgeführt wird, oder in Form eines abstrakteren, für Menschen besser lesbaren Quelltextes angegeben, derautomatisiert in Maschinencode übersetzt werden kann.

In diesem Aufsatz handelt es um die Programmiersprachen C und Java.

Prinzip der manuellen und der maschinellen Datenverarbeitung und das EVA-Prinzip: Zuerst werden Daten eingegeben, dann werden sie nach bestimmten Regeln und Methoden verarbeitet, wobei unter Umst¨anden noch weitere Daten herangezogen werden, und schließlich werden die Ergebnisse ausgegeben. 

Das ist ein so grundlegendes Prinzip der gesamten Datenverarbeitung, dass es einen eigenen Namen bekommen hat. Man nennt es das EVA-Prinzip und fast damit die Anfangsbuchstaben der drei Schlusselwörter Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe in einer eing¨angigen Abkurzung zusammen. Da aber in der Informatik alles möglichst auf Englisch formuliert sein muss, gibt es auch eine englische Variante des EVA-Prinzips. Sie mussen nur bedenken, dass Eingabe, Input, Verarbeitung Process und Ausgabe Output heißt, und schon haben Sie alles zusammen, um auch die Abkürzung IPO-Prinzip zu verstehen.

EVA-Prinzip

Die Datenverarbeitung verläuft in aller Regel nach dem EVA-Prinzip, das heißt nach dem Prinzip Eingabe → Verarbeitung → Ausgabe, oder in englischer Sprache Input → Process → Output, weshalb man auch vom IPOPrinzip spricht.

Kann es Ihnen also egal sein, ob Sie Ihre Datenverarbeitung maschinell oder manuell erledigen lassen, wenn doch das Prinzip immer das gleiche ist? Sicher nicht, denn auch bei gleichen Prinzipien gibt es doch in der Ausfuhrung recht deutliche Unterschiede.

Was jedem vielleicht zuerst einfällt, ist die unterschiedliche Geschwindigkeit. Das merken Sie schon, wenn Sie eine einfache Multiplikation schriftlich ausfuhren oder mit Hilfe eines Taschenrechners und dabei die Zeit messen. Noch viel deutlicher wird das naturlich, wenn es um die Verarbeitung großer Datenmengen geht, also zum Beispiel um die Lohnbuchhaltung in einem großen Unternehmen. Die Routinearbeit des Datensuchens und Berechnens der Ergebnisse lässt sich mit einem Rechner sehr schnell durchfuhren, von Hand wäre es fast eine Lebensaufgabe. Aber Vorsicht: der Geschwindigkeitsvorteil bezieht sich vor allem auf Routineaufgaben, sobald es um sehr spezielle Aufgaben geht, die ein gewisses Maß an Kreativität erfordern, kann es ein Mensch immer noch oft mit einem Computer aufnehmen.

Ein Algorithmus ist eine endliche Menge von eindeutig festgelegten Verfahrensvorschriften zur Lösung eines Problems durch eine in der Regel endliche Menge von Einzelschritten. 

Ubrigens klingt das Wort Algorithmus zwar sehr griechisch, kommt aber aus der arabischen Sprache und lehnt sich an den Namen des arabischen Mathematikers und Astronomen Mohamed ibn Musa al-Hwarizmi aus dem neunten Jahrhundert an, der zwar sicher keine Computerprogramme geschrieben, aber immerhin als erster arabischer Mathematiker das Ihnen vertraute Dezimalsystem benutzt und systematisch beschrieben hat. Es handelt sich also um ein reines Kunstwort, und das ist auch in Ordnung, denn schließlich ist ein Algorithmus auch etwas Kunstliches.

Fuhrt man nun einen Algorithmus aus, so spricht man von einem Prozess, und der Ausfuhrende ist der Prozessor. Wer dabei die Rolle des Prozessors spielt, hängt ganz vom Einzelfall ab.

Der Algorithmus selbst ist zwar völlig unabhängig von einer verwendeten Programmiersprache, um ihn aber dem Computer verständlich zu machen, braucht man eine Formulierung in einer Programmiersprache, möglichst auch noch in einer, die der verwendete Computer versteht. Es wird Ihnen also nichts anderes ubrig bleiben, als Ihren Algorithmus in einer Programmiersprache als Programm zu formulieren und dann dem Computer zur Kenntnis zu geben. Welche Programiersprache Sie dabei verwenden, hängt von Ihrem Geschmack und von der Sachlage ab. Zunächst einmal unterscheidet man zwischen zwei Klassen von Programmiersprachen: den maschinennahen Programmiersprachen und den h¨oheren Programmiersprachen.

Standardbeispiele fur maschinennahe Sprachen sind die Assembler-Sprachen, und auch  an höheren Programmiersprachen herrscht kein Mangel, der Autor nennt  nur FORTRAN, COBOL, Basic, Pascal, C und Java, ohne jeden Anspruch auf Vollst¨andigkeit.

Java ist eine objektorientierte und plattformunabhängige Programmiersprache: na gut, das kann jeder sagen, es ist auf den ersten Blick sicher nicht klarer als die klassische Selbstbeschreibung des alten Mephisto, er sei ein Teil von jener Kraft, die stets das Böse will und stets das Gute schafft.

Das Internet gibt es schon sehr viel länger als die Programmiersprache Java, und in seinen Anf¨angen hatte Java auch rein gar nichts mit dem Internet zu tun. Das diente nämlich in grauer Vorzeit, als man in den sechziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts begann, sich uber eine weitläufige Vernetzung Gedanken zu machen, zu nichts anderem als zum Austausch von Informationen, vor allem unter Wissenschaftlern. Kein Gedanke an farbige Bildchen, an graphische Benutzeroberfl¨achen oder gar an Chatr¨aume, das kam erst viel später. 

Ein Java-Programm wird mit Hilfe eines Compilers in plattformunabhängigen Bytecode ubersetzt. Dieser Bytecode wird dann von der plattformabhängigen Java Virtual Machine (JVM) interpretiert und zur Ausfuhrung gebracht.

Jedes Java-Programm muss in einer Klasse enthalten sein, die durch class Klassenname deklariert wird. Der Einstieg in eine Applikation findet immer uber die main()-Methode statt, die sowohl public als auch static sein muss, also fur jeden zugänglich ist und eine Klassenmethode darstellt, die man ohne existierende Objekte verwenden kann. Die Ausgabe am Bildschirm findet mit dem Kommando System.out.println() statt, das Zeichenketten am Bildschirm ausgibt. Der Programmtext wird in einer Datei mit der Endung java abgespeichert, deren Name mit dem der Klasse ubereinstimmt. Verwendet man das Java Development Kit (JDK) von Sun Microsystems, so erfolgt die Kompilierung durch das Kommando javac Dateiname.java, die Ausfuhrung durch java Dateiname.

Die Eingabe von der Tastatur wir mithilfe eines Objekts der vordefinierten Klasse BufferedReader vorgenommen. Von der Standardeingabe System.in wird die Eingabe einem InputStreamReader ubertragen, dessen Aufgabe darin besteht, aus dem Bytestrom einen Strom aus characters zu machen, also ein Feld aus einzelnen Zeichen. Dieses Feld wird dem BufferedReader-Objekt ubergeben und kann dann einer String-Variablen zugewiesen werden, wobei die Methode readLine() angewendet wird. Um die Ein- und Ausgabeoperationen vornehmen zu k¨onnen, muss das Paket java.io durch das Kommando import java.io.* eingebunden werden. Weiterhin mussen m ¨ ¨ogliche Fehler durch den Einsatz der try-catchKonstruktion aufgefangen werden. Bei der Eingabe ganzer Zahlen muss der eingegebene String in eine ganze Zahl umgewandelt werden. Das geschieht mit Hilfe der vordefinierten Klasse Integer und der Methode intValue().

Das Buch führt in die Grundlagen der Informatik und Datenverarbeitung ein. Vor allem aber befähigt es den Leser, in den beiden wichtigen Programmiersprachen C und Java zu programmieren. Mit der Kombination aus beiden Sprachen, die in den Anwendungen weit verbreitet sind, stellt dieses Buch ein neues Angebot dar.

Die Themen des Buches werden nicht nur angerissen. Vielmehr erwirbt der Leser echtes Handlungswissen, so dass er nach Lektüre des Buches konkrete Programme in beiden Sprachen schreiben kann.

Zahlreiche Übungsaufgaben, insbesondere Programmieraufgaben, mit ausführlichen Lösungen unterstützen ihn dabei. Ein lesenswerter Einstieg in die Informatik und das Programmieren für Ingenieure und andere Studierende.

Das Buch beschreibt C und Java in allen wichtigen Einzelheiten und vermittelt darüber hinaus allgemeine Programmiertechniken, die auch in anderen Sprachen Gültigkeit haben.