Lehrbuch Grundlagen der Informatik. Konzepte und Notationen in UML, Java und C++ Algorithmik und Software-Technik, Anwendungen

953 Pages·1999·8.97 MB·German

by  Helmut Balzert

Balzert, Helmut
Lehrbuch Grundlagen der
Informatik
Konzepte und Methoden in Java, C++ und UML,
Algorithmik und Software-Technik
1999, 960 S., inkl. CD-ROM, Geb.
DM 148,- /öS 1081,- /sFr 131,-
ISBN 3-8274-0358-8
Lehrbuch

Inhalt
In diesem durchgehend zweifarbigen Lehrbuch werden in innovativer Weise die
Grundlagen der Informatik vermittelt. Ausgangspunkt sind die Konzepte der
objektorientierten Programmierung, die in den Notationen UML (unified modeling
language), Java und C++ dargestellt werden. Neben dem »Programmieren im
Kleinen« werden die Grundlagen der Algorithmik und Software-Technik behandelt.
Anhand von kaufmännischen, technischen, grafischen und multimedialen
Anwendungsbeispielen wird die praktische Anwendung der Kenntnisse gezeigt.
Ein Medienverbund aus klassischem Buch, elektronischem Buch, multimedialem
Computer Based Training (CBT) und Software-Werkzeugen ermöglicht einen
optimalen Einstieg in die Grundlagen der Informatik. Umfangreiche grafische
Darstellungen einschließlich multimedialer Animationen (auf der CD-ROM)
verdeutlichen die Zusammenhänge und dynamischen Abläufe.
Durch moderne Didaktik kann das Buch zur Vorlesungsbegleitung, zum
Selbststudium und zum Nachschlagen verwendet werden.
Das Buch richtet sich an Studierende der Informatik im Haupt- und Nebenfach an
Universitäten und Fachhochschulen sowie an Software-Ingenieure und
Programmierer in der Praxis.
Lehrbücher der Informatik
Herausgegeben von
Prof. Dr.-Ing. habil. Helmut Balzert
Helmut Balzert
Lehrbuch der Software-Technik
Software-Entwicklung
Helmut Balzert
Lehrbuch der Software-Technik
Software-Management
Software-Qualitätssicherung
Unternehmensmodellierung
Heide Balzert
Lehrbuch der Objektmodellierung
Analyse und Entwurf
Zu diesen Bänden sind jeweils CD-ROMs mit den Inhalten
der Bücher als PowerPoint-Präsentationen zum Einsatz
in Vorlesungen, Schulungen und Seminaren erhältlich.
Weitere Informationen finden Sie unter
http://www.spektrum-verlag.com und
http://www.software-technik.de
II
Helmut Balzert
Lehrbuch
Grundlagen der
Informatik
Konzepte und Notationen
in UML, Java und C++
Algorithmik und Software-Technik
Anwendungen
mit 2 CD-ROMs
Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg · BerlinIII
Autor:
Prof. Dr.-Ing. habil. Helmut Balzert
Lehrstuhl für Software-Technik
Ruhr-Universität Bochum
e-mail: [email protected]
http://www.swt.ruhr-uni-bochum.de
Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme
Lehrbuch Grundlagen der Informatik [Medienkombination]
Konzepte, Notationen in UML, Java, C++, Algorithmik und Software-
Technik ; mit CD-ROM / Helmut Balzert. - Heidelberg ; Berlin
Spektrum, Akad. Verl.
(Lehrbücher der Informatik)
ISBN 3-8274-0358-8
Buch. 1999
CD-ROMs. 1999
Titelbild: Gerd Struwe: »Temporary Tenderness« (1999)
Diesem Buch sind zwei CD-ROMs mit Informationen, Demonstrationen,
Animationen, begrenzten Vollversionen und Vollversionen von Software-
Produkten beigefügt. Der Verlag und der Autor haben alle Sorgfalt walten
lassen, um vollständige und akkurate Informationen in diesem Buch und
den beiliegenden CD-ROMs zu publizieren.
Der Verlag übernimmt weder Garantie noch die juristische Verantwortung
oder irgendeine Haftung für die Nutzung dieser Informationen, für deren
Wirtschaftlichkeit oder fehlerfreie Funktion für einen bestimmten Zweck.
Ferner kann der Verlag für Schäden, die auf einer Fehlfunktion von Pro-
grammen oder ähnliches zurückzuführen sind, nicht haftbar gemacht
werden. Auch nicht für die Verletzung von Patent- und anderen Rechten
Dritter, die daraus resultieren. Eine telefonische oder schriftliche Beratung
durch den Verlag über den Einsatz der Programme ist nicht möglich.
Der Verlag übernimmt keine Gewähr dafür, daß die beschriebenen Verfah-
ren, Programme usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe
von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annah-
me, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-
Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann
benutzt werden dürften.
© 1999 Spektrum Akademischer Verlag GmbH Heidelberg · Berlin
Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in fremde Sprachen, sind
vorbehalten. Kein Teil des Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des
Verlages photokopiert oder in irgendeiner anderen Form reproduziert oder
in eine von Maschinen verwendbare Form übertragen oder übersetzt
werden.
Es konnten nicht sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen ermittelt
werden. Sollte dem Verlag gegenüber der Nachweis der Rechtsinhaberschaft
geführt werden, wird das branchenübliche Honorar nachträglich gezahlt.
Lektorat: Dr. Georg W. Botz / Bianca Alton (Ass.)
Herstellung: Katrin Frohberg
Gesamtgestaltung: GorbachBüro für Gestaltung und Realisierung,
Buchendorf
Satz: Hagedorn Kommunikation, Viernheim
Druck und Verarbeitung: Franz Spiegel Buch GmbH, Ulm
IV
Vorwort
Vorwort
Parallel zur stürmischen Entwicklung der Computer- und Software-
Technik entstand die Wissenschaftsdisziplin Informatik. Sie ist heu-
te eine Strukturwissenschaft, ähnlich wie die Mathematik. Die breite
Durchdringung unzähliger Anwendungsbereiche und fast aller
Wissenschaftsdisziplinen durch die Informatik führt dazu, daß die
Grundlagen der Informatik von immer mehr Menschen beherrscht
werden müssen.
Um Ihnen, liebe Leserin, lieber Leser, einen optimalen Einstieg in Schwerpunkte
die Grundlagen der Informatik zu ermöglichen, habe ich dieses
Lehr- und Lernbuch geschrieben. Schwerpunktmäßig werden Kon-
zepte, Notationen und Methoden des »Programmierens im Kleinen«
Grundlagen der Algorithmik und Software-Technik sowie Anwen-
dungen behandelt.
Besonderer Wert wird auf die Trennung von Konzepten und Nota- Konzepte,
tionen gelegt. Konzepte stellen die Theorie, Notationen die prakti- Notationen: UML,
Java, C++
sche Umsetzung der Theorie dar. Als Notationen werden die UML
(unified modeling language) und die Programmiersprachen Java
und C++ behandelt.
Die Grundlagen der Programmierung werden anhand der Sprache Programmierbuch
Java vermittelt. Es werden die wichtigsten Sprachkonzepte von Java für Java
ausführlich dargestellt. Daher ist dieser Teil des Buches auch ein
Programmierbuch für die Sprache Java. Es gibt jedoch einige Beson-
derheiten, die es von anderen Programmierbüchern unterscheidet:
– Die Didaktik orientiert sich an den Konzepten der objektorien-
tierten Programmierung und nicht an der Syntax von Java.
– Umfangreiche grafische Darstellungen einschließlich multime-
dialer Animationen (auf der CD-ROM 1) veranschaulichen die Zu-
sammenhänge und dynamischen Abläufe.
– Die Einführung in die Java-Programmierung erfolgt objektorien-
tiert und nicht wie in vielen Programmierbüchern prozedural.
– Es werden von Anfang an grafische Benutzungsoberflächen er-
stellt, und es wird auf eine strikte Trennung zwischen Oberfläche
und Fachkonzept geachtet.
Das Buch gliedert sich in fünf Teile: behandelte
(cid:1) Einführung (2 Lehreinheiten) Gebiete
(cid:1) Grundlagen der Programmierung (10 Lehreinheiten)
(cid:1) Algorithmik und Software-Technik (6 Lehreinheiten)
(cid:1) Anwendungen (4 Lehreinheiten)
(cid:1) Ausblicke (2 Lehreinheiten)
V
Vorwort
Einführungs- Vom Umfang und Inhalt bietet dieses Buch meiner Meinung nach
vorlesung den Stoff für eine zweisemestrige Einführungsvorlesung in die
»Grundlagen der Informatik« (2 Vorlesungs- und 1 Übungsstunde
pro Woche).
Voraussetzungen Für dieses Einführungsbuch in die Informatik werden fast keine
Voraussetzungen verlangt. Alle wichtigen Begriffe und grundlegen-
des Wissen werden in der Einführung behandelt.
Der Leser sollte jedoch über folgendes Wissen und folgende Fä-
higkeiten verfügen:
– Einen PC mit Tastatur und Maus bedienen können.
– Das Betriebssystem Windows (95/98/NT) in den Grundzügen be-
dienen können.
– Ordner und Dateien anlegen, löschen, verschieben und wieder-
finden können.
– Mit einem Textsystem Texte erfassen und ändern können.
– Bilder mit einem Scanner einlesen, bearbeiten und speichern
können.
methodisch- Um Ihnen, liebe Leserin, lieber Leser, das Lernen optimal zu erleich-
didaktische tern, werden folgende methodisch-didaktischen Elemente benutzt:
Elemente (cid:1) Dieses Buch stellt einen Medienverbund aus klassischem Buch,
elektronischem Buch, multimedialem Computer Based Training
(CBT) und Software-Werkzeugen dar.
(cid:1) Dieses Buch ist in 24 Lehreinheiten (für jeweils eine Vorlesungs-
doppelstunde) gegliedert.
(cid:1) Jede Lehreinheit ist unterteilt in Lernziele, Voraussetzungen, In-
haltsverzeichnis, Text, Glossar, Zusammenhänge, Literatur und
Aufgaben.
(cid:1) Zusätzlich sind die Themen nach fachlichen Gesichtspunkten in
Kapitel gegliedert.
(cid:1) Knapp 300 Begriffe sind im Glossar definiert.
(cid:1) Mehr als 175 Literaturangaben verweisen auf weiterführende Li-
teratur.
(cid:1) Zur Lernkontrolle stehen über 300 Aufgaben zur Verfügung, die
in Muß-, Kann- und Klausur-Aufgaben gegliedert sind.
(cid:1) Klausuraufgaben gehen davon aus, daß als Hilfsmittel nur ein
handbeschriebenes DIN-A4-Blatt und kein Computersystem ver-
wendet wird. Die Lösungen befinden sich nur auf der separat er-
hältlichen Dozenten-CD-ROM »Präsentationen zu Grundlagen der
Informatik«.
(cid:1) Zu jeder Aufgabe gibt es eine Zeitangabe, die hilft, das eigene
Zeitbudget zu planen. Zur Lösung aller Aufgaben werden rund
150 Stunden benötigt.
(cid:1) Es wurde eine neue Typographie mit Marginalienspalte und Pikto-
grammen entwickelt.
(cid:1) Als Schrift wurde Lucida ausgewählt, die für dieses Lehrbuch be-
sonders gut geeignet ist, da sie über verschiedene Schriftschnitte
VI
Vorwort
verfügt, um Text (mit Serifen), Abbildungsbeschriftungen (ohne
Serifen) und Programme (Monospace) gut unterscheiden zu kön-
nen.
(cid:1) Das Buch ist durchgehend zweifarbig gestaltet.
(cid:1) Zur Veranschaulichung enthält es mehr als 500 Grafiken und Ta-
bellen.
(cid:1) Wichtige Inhalte sind zum Nachschlagen in Boxen angeordnet.
Durch diese moderne Didaktik kann das Buch zur Vorlesungsbeglei-
tung, zum Selbststudium und zum Nachschlagen verwendet wer-
den.
Auf der beigefügten CD-ROM 1 befinden sich:
(cid:1) auf über 500 Seiten die vollständigen Lösungen zu den Muß- und
Kann-Aufgaben,
(cid:1) alle im Buch behandelten Programme,
(cid:1) über 200 lauffähige Programme,
(cid:1) das alphabetisch sortierte Gesamtglossar mit knapp 300 Begrif-
fen,
(cid:1) die Multimedia-Präsentationen »Farbgestaltung« und »Fit am
Computer«,
(cid:1) eine eingeschränkte Version des multimedialen Lehr- und Lern-
systems Object Lab ,
Web
(cid:1) über 20 Software-Werkzeuge, Programmierumgebungen und
Compiler verschiedener CASE-Hersteller (von Demonstrations-
versionen bis zu Vollversionen).
Auf der beigefügten CD-ROM 2 befinden sich einige ausgewählte
Werkzeuge und Compiler, die eine integrierte Entwicklung von ei-
nem Analysemodell bis zum lauffähigen Programm ermöglichen.
Im Band 1 meines »Lehrbuchs der Software-Technik« sind in der Lehreinheit 1 vom
ersten Lehreinheit der Aufbau und die Struktur von Lehrbüchern »Lehrbuch der
dieser Buchreihe ausführlich beschrieben. Für den interessierten Software-Technik
(Band 1)« befindet
Leser befindet sich die Lehreinheit 1 des Buches »Lehrbuch der
sich auf beigefüg-
Software-Technik« auf der beigefügten CD-ROM 1.
ter CD-ROM 1.
Dieses Buch ist für folgende Zielgruppen geschrieben: Zielgruppen
(cid:1) Studenten im Haupt- und Nebenfach der Informatik an Universi-
täten, Fachhochschulen und Berufsakademien.
(cid:1) Software-Ingenieure und Programmierer in der Praxis.
Zur Vermittlung der Lerninhalte werden Beispiele und Fallstudien Beispiele, Fall-
verwendet. Um dem Leser diese unmittelbar kenntlich zu machen, studien, Szenarien
sind sie in blauer Schrift gesetzt. blaue Schrift
Ein Lehrbuch darf nicht zu »trocken« geschrieben sein. Auf der
anderen Seite darf es aber auch nicht aus lauter Anekdoten und
Gags bestehen, so daß das Wesentliche und der »rote Faden« kaum
noch sichtbar sind.
In diesem Buch stehen die »Konzepte der Programmierung« im roter Faden
Mittelpunkt und, die durch viele Beispiele anschaulich vermittelt
werden.
VII
Vorwort
Kurzbiographien Zusätzlich werden innovative Forscher und Praktiker durch Kurz-
biographien mit Bild in der Marginalienspalte vorgestellt.
Unter der Lupe Für den Leser, der in die Tiefe eindringen möchte, werden ab und
zu noch Informationen angeboten, die mit dem Piktogramm »Unter
der Lupe« gekennzeichnet sind. Diese Abschnitte können beim er-
sten Lesen übersprungen werden. Ihr Inhalt wird im weiteren Ver-
lauf nicht als bekannt vorausgesetzt.
Visualisierung Da ein Bild oft mehr aussagt als 1000 Worte, wurden möglichst
viele Sachverhalte veranschaulicht.
Begriffe, Glossar In diesem Lehrbuch wurde sorgfältig überlegt, welche Begriffe
halbfett, blau eingeführt und definiert werden. Ziel ist es, die Anzahl der Begriffe
möglichst gering zu halten. Alle wichtigen Begriffe sind im Text
halbfett und blau gesetzt. Die so markierten Begriffe sind am Ende
einer Lehreinheit in einem Glossar alphabetisch angeordnet und de-
finiert. Dabei wurde oft versucht, die Definition etwas anders abzu-
fassen, als es im Text der Fall war, um dem Lernenden noch eine an-
dere Sichtweise zu vermitteln. Alle Glossareinträge dieses Buches
befinden sich alphabetisch sortiert zusätzlich auf der beiliegenden
CD-ROM 1. Begriffe, die in sachlogisch vorangehenden Lehreinhei-
ten behandelt wurden, werden nicht wiederholt, sondern können
dort nachgelesen werden.
Zusammenhänge Damit sich der Lernende eine Zusammenfassung der jeweiligen
Lehreinheit ansehen kann, werden nach dem Glossar nochmals die
Zusammenhänge verdeutlicht. Jeder definierte Begriff des Glossars
taucht in den Zusammenhängen nochmals auf. Es wird auch hier
versucht, eine etwas andere Perspektive darzustellen.
Aufgaben Der Lernende kann nur durch das eigenständige Lösen von Auf-
gaben überprüfen, ob er die Lernziele erreicht hat. In diesem Buch
wird versucht, alle Lernziele durch geeignete Aufgaben abzudek-
ken.
Vor jeder Aufgabe wird das Lernziel zusammen mit der Zeit, die
zur Lösung dieser Aufgabe benötigt werden sollte, angegeben. Das
ermöglicht es dem Lernenden, seine Zeit einzuteilen. Außerdem
zeigt ihm ein massives Überschreiten dieser Zeit an, daß er die
Lehrinhalte nicht voll verstanden hat.
Viele der Zeitangaben wurden mit Studenten evaluiert. Es wurde
die Zeit ausgewählt, in der etwa 80 Prozent aller Studenten die Auf-
gabe gelöst haben. Aufgaben, die unbedingt bearbeitet werden sol-
len (klausurrelevant), sind als Muß-Aufgaben gekennzeichnet. Wei-
terführende Aufgaben sind als Kann-Aufgaben markiert.
Lösungen auf Zur Unterstützung des selbständigen Lernens müssen auch die
CD-ROM 1 Lösungen verfügbar sein. Um auf der einen Seite ausführliche Lö-
sungen bereitstellen zu können, auf der anderen Seite aber ein vor-
schnelles Nachsehen etwas zu erschweren, sind die Lösungen zu
den Muß- und Kann-Aufgaben dieses Buches auf der beigefügten
CD-ROM 1 enthalten.
VIII
Vorwort
Die Aufgaben zu jeder Lehreinheit sind in Wissens- und Ver- Aufgaben-
stehensaufgaben (WV-Aufgaben) sowie analytische und konstruk- gliederung
tive Aufgaben (AK-Aufgaben) gegliedert. Die Wissens- und Verste-
hensaufgaben befinden sich vollständig auf der beigefügten CD-
ROM 1 (Object Lab ). Diese Aufgaben sollten zumindest zufrieden-
Web
stellend gelöst werden, bevor die analytischen und konstruktiven
Aufgaben bearbeitet werden, die sich am Ende jeder Lehreinheit be-
finden.
Die Grundlagen der Informatik muß man sowohl theoretisch ver- learning by
stehen als auch praktisch begreifen. Praxis erhält man nur durch example
learning by
die Arbeit mit einem Computersystem, indem man vorhandene Pro-
analogy
gramme analysiert, modifiziert und erweitert. Beim Durcharbeiten
learning by
oder Nacharbeiten einer Lehreinheit sollten daher parallel am Com- doing
putersystem die behandelten Beispielprogramme ausgeführt und
analysiert werden. Beim Lösen der konstruktiven Aufgaben sollten
diese Beispielprogramme als Ausgangspunkt verwendet werden. Es
soll nicht alles neu gemacht, sondern Vorhandenes modifiziert und
erweitert werden. Das Lernen soll durch diese Beispiele, durch
Analogieschlüsse und durch aktives Arbeiten mit dem Computersy-
stem erfolgen.
Um sicherzustellen, daß Studenten genügend Erfahrungen mit Praktikum
Computersystemen sammeln, ist in meine Vorlesung »Grundlagen
der Informatik« ein Praktikum integriert. In insgesamt fünf Vor-
lesungswochen (verteilt auf zwei Semester) findet keine Vorlesung
statt, sondern jeder Student muß ein Praktikum am Computer ab-
solvieren. Für das Praktikum müssen Aufgaben vorbereitet werden,
die dann im Praktikum fertiggestellt werden. Die Aufgaben für die
Praktika sind im Anhang C dieses Buches aufgeführt.
Durch eine gute Buchgestaltung und Buch-»Ergonomie« soll die Buchgestaltung
Didaktik unterstützt werden. Aufbau und Struktur einer Lehreinheit
sind in Abb. 1 dargestellt.
Zur visuellen Orientierung befinden sich auf der inneren Buchsei- Piktogramme
te kleine Piktogramme mit folgenden Bedeutungen:
– Lernziele der Lehreinheit
– Voraussetzungen, die erfüllt sein sollten, um die Lehreinheit er-
folgreich durchzuarbeiten
– Detaillierte Inhaltsangabe der Lehreinheit.
– Unter der Lupe: Detaillierte Darstellung eines Sachverhalts für
den interessierten Leser.
– Zu dem beschriebenen Sachverhalt gibt es zusätzliche Informa-
tionen auf den dem Buch beigefügten CD-ROMs.
– Zu dem beschriebenen Sachverhalt gibt es zusätzliche Informa-
tionen im Internet. In der Marginalienspalte sind Internet-Adres-
sen angegeben. Durch die dynamische Entwicklung des Internets
werden immer wieder Adressen verändert und auch Seiten still-
gelegt.
IX