BIT I WiSe 2014 | Basisinformationstechnologie I - 10: Programmiersprachen III

1. Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung
Jan G. Wieners // jan.wieners@uni-koeln.de
Basisinformationstechnologie I
Wintersemester 2014/15
21. Januar 2015 – Programmiersprachen III. Algorithmen und Datenstrukturen

2. Abschlussklausur am 04.02.2015
von 12:15 (pünktlich) bis 13:45 in
Hörsaal XXX, Gyrhofstr. 15

3.  Drei-Schichten Architektur / MVC
 Programmiersprachen – Konzepte
 Variablen
 Auswahlanweisungen
 Kontrollstrukturen
 Objektorientierte Programmierung
 Objekt
 Kapselung / Information Hiding / Geheimnisprinzip
 Vererbung
Themenüberblick „Programmiersprachen II“

4.  Interpretiert vs. compiliert
 Typisierung: statisch, dynamisch, etc.
 Paradigmen:
 Funktional
 Objektorientiert
 Grundlegende Konzepte: Variablen, Arrays,
Kontrollstrukturen, Funktionen, Objekte
 Das Rad nicht neu erfinden: Design Patterns /
Entwurfsmuster, Strukturierungsmuster: MVC (u.a.)
 Modellierung
Programmiersprachen – Charakteristika, Konzepte und Methoden

6. Darstellung
Daten
Logik

7. Model!
Spielfeld: 3 x 3 Felder
Auf jedem Feld wird die ID des Spielers
abgelegt, der / die das Feld angeklickt hat
var gameBoard = [][];

8. Spielfluss und
Anwendungslogik

9. Präsentation und Interaktion – die Spielschleife
SOLANGE kein Spieler / keine Spielerin das Spiel
gewonnen hat, VERFAHRE WIE FOLGEND:
WENN ein leeres Spielfeld angeklickt wurde:
lege die aktuelle SpielerID im
zweidimensionalen Array „gameGrid“ ab
und stelle das Spielersymbol dar
IM ANDEREN FALLE:
tue nichts
Prüfe die Gewinnbedingung

10. Gewinn- und Abbruchbedingung
Ein Spieler / eine Spielerin hat das Spiel gewonnen,
WENN:
der Spieler drei seiner Symbole in
(unmittelbarer) horizontaler Reihenfolge
abgelegt hat
ODER
der Spieler drei Symbole in diagonaler
Reihenfolge abgelegt hat

11. Kontrollstrukturen

12. Unterscheidung von Kontrollstrukturen in:
 Auswahlanweisungen
 ?
 Wiederholungsanweisungen
 ?
 Sprunganweisungen
 ?
Kontrollstrukturen

13. Unterscheidung von Kontrollstrukturen in:
 Auswahlanweisungen
 if
 if else
 (switch)
 Wiederholungsanweisungen
 while
 for
 do while
 Sprunganweisungen
 return
 break
 continue
Kontrollstrukturen

14. Gewinn- und Abbruchbedingung
Ein Spieler / eine Spielerin hat das Spiel gewonnen,
WENN (IF):
der Spieler drei seiner Symbole in
(unmittelbarer) horizontaler Reihenfolge
abgelegt hat
ODER (II)
der Spieler drei Symbole in diagonaler
Reihenfolge abgelegt hat

15. Übung 1
Gewinnbedingung
Prüfen I: Hat ein Spieler / eine Spielerin drei ihrer
Symbole in (unmittelbarer) horizontaler
Reihenfolge abgelegt?
Prüfen II: Finden sich drei Symbole eines Spielers
in diagonaler Folge?

16. // Test horizontale Felder
if (gameBoard[0][0] === 1 &&
gameBoard[1][0] === 1 &&
gameBoard[2][0] === 1) {
alert(“Spielerin mit der ID 1 hat
gewonnen!“);
}
Übung 1

17. // Test diagonale Felder
if (gameBoard[0][0] === 1 &&
gameBoard[1][1] === 1 &&
gameBoard[2][1] === 1) {
alert(“Spielerin mit der ID 1 hat
gewonnen!“);
}
Übung 1

18. Präsentation und Interaktion – die Spielschleife
SOLANGE kein Spieler / keine Spielerin das Spiel
gewonnen hat, VERFAHRE WIE FOLGEND:
WENN ein leeres Spielfeld angeklickt wurde:
lege die aktuelle SpielerID im
zweidimensionalen Array „gameGrid“ ab
und stelle das Spielersymbol dar
IM ANDEREN FALLE:
tue nichts
Prüfe die Gewinnbedingung

19. while (ausdruck){
anweisung1
anweisung2
anweisung3
}
 „Führe anweisung1 und anweisung2 und
anweisung3 so lange aus, wie die Bedingung
„ausdruck“ WAHR (TRUE) ist.“
Wiederholungsanweisungen: while

20. do {
anweisung1
anweisung2
anweisung3
anweisung4
...
} while (ausdruck)
Wiederholungsanweisungen: do while

21. for(initialisierung;
abbruchbedingung;
inkrementierung) {
anweisung1
anweisung2
anweisung3
anweisung4
...
}
Wiederholungsanweisungen: for

22. Übung 2
SOLANGE kein Spieler / keine Spielerin das Spiel
gewonnen hat, VERFAHRE WIE FOLGEND:
WENN ein leeres Spielfeld angeklickt wurde:
lege die aktuelle SpielerID im
zweidimensionalen Array „gameGrid“ ab
und stelle das Spielersymbol dar
IM ANDEREN FALLE:
tue nichts
Prüfe die Gewinnbedingung

23.  Drei-Schichten Architektur / MVC
 Programmiersprachen – Konzepte
 Variablen
 Arrays
 Auswahlanweisungen
 Kontrollstrukturen
 Objektorientierte Programmierung
 Objekt
 Kapselung / Information Hiding / Geheimnisprinzip
 Vererbung
Themenüberblick „Programmiersprachen II“

24. Abb.: Balzert, Heide: Lehrbuch der Objektmodellierung. Heidelberg, 2005.

25. var game = {
name : '',
setName : function( gameName ) {
this.name = gameName;
},
state : '',
getGameState : function() {
return this.state;
},
setGameState : function( gameState ) {
this.state = gameState;
},
[…]
};
Objektorientierte Programmierung

26. Algorithmen und
Datenstrukturen

27. Datenstrukturen
 Stack / Kellerspeicher
 Queue
 Liste
 Baum
 Traversierungsarten
 Preorder
 Inorder
 Postorder
 Levelorder
Such- und Sortieralgorithmen
Themenüberblick „Algorithmen und Datenstrukturen“

28. Datentyp:
 Bauplan für eine Variable (benannte Speicherstelle im
Arbeitsspeicher des Rechners)
 Legt fest, welche Operationen mit einer Variable möglich
sind
 Bestimmt die interne Darstellung (Repräsentation) der
Variablen im Rechner
 Z.B. bool, int, float, double, unsigned int, etc.
Algorithmen, Datenstrukturen

29. Datenstruktur = Daten + Funktionen
Datenstrukturen:
 Stacks (Stapel)
 Queues
 Listen
 Einfach verkettete Listen
 Doppelt verkettete Listen
 Bäume
 Binärbäume
Algorithmen, Datenstrukturen

30. Stack / Kellerspeicher

31. Datenstruktur „Stack“
 Auch: „Kellerspeicher“
 Abstrakter Datentyp, bei dem Elemente eingefügt und
wieder entfernt werden können
LIFO-Prinzip: Last In, First Out – bei der
Datenstruktur „Stack“ kann immer nur auf das Element
zugegriffen werden, das als letztes eingefügt, d.h. auf
den Stapel gelegt wurde

32. Typische Stackoperationen / Schnittstellen
 push(x, s)
legt ein Element x auf den Stack s
 top(s), peek(s)
liefert das zuletzt auf den Stack s gelegte Element (ohne das
entsprechende Element zu entfernen)
 pop(s)
entfernt das zuletzt auf den Stack s gelegte Element und gibt
es zurück
 isEmpty(s)
gibt an, ob der Stack s leer ist
Datenstruktur Stack

33. Queue

34. Queue / Warteschlange

35. Listen

36. Liste  Folge von Elementen; jedes Element = Teil
einer Kette
Jeder Eintrag in der Liste verfügt nicht nur über
seinen Inhalt, sondern darüber hinaus über einen
Zeiger auf das nächste Listenelement:
Einfach verkettete Liste

37. Um die Liste zu durchlaufen:
 Beginn beim ersten Element („Anker“ für den Beginn der
Liste)
 „next“ zeigt auf das nächste Listenelement
 Letztes Glied der Kette: next-Zeiger = NULL
 Um wieder auf das erste Element zugreifen zu können:
anfang-Zeiger auf das erste Element der Liste
 Hilfszeiger auf innere Elemente: cursor
Einfach verkettete Liste

38. Element Einfügen:
 Ursprüngliche Liste:
 Liste nach Einfügen von Element „mat“
Einfach verkettete Liste
bat cat sat vat NULLstart
bat cat sat vat NULLstart
mat

39. Element Löschen:
 Ursprüngliche Liste:
 Liste nach Entfernen des Elements „cat“
Einfach verkettete Liste
bat cat sat vat NULLstart
bat cat sat vat NULLstart

40. Vorteil:
 Elemente lassen sich sehr schnell am Anfang der einfach
verketteten Liste einfügen
Nachteil:
 Über jedes einzelne Element muss iteriert werden
Einfach verkettete Liste
bat cat sat vat NULLstart

41. Charakteristika: Jedes Element verfügt über
 Einen Inhalt
 Einen Zeiger auf das nachfolgende Element
 Einen Zeiger auf das vorhergehende Element
Vorteile
 Möglichkeit, vom Ende der Liste zum Beginn zu iterieren
 Schnelles Löschen und Einfügen von Elementen
Nachteil
 Speicherplatzbedarf durch zweiten Zeiger erhöht
Doppelt verkettete Liste
bat cat sat vat NULLstart

42. Datenstrukturen √
 Stack / Kellerspeicher √
 Queue √
 Liste √
 Baum
 Traversierungsarten
Themenüberblick „Algorithmen und Datenstrukturen“

44. Extensivform von Spielen (Tic Tac Toe)
Juul, Jesper: „255,168 ways of playing Tic Tac Toe”
(„http://www.jesperjuul.net/ludologist/255168-ways-of-playing-tic-tac-toe)

45. Der Minimax-Algorithmus
𝑥0
𝑥1 𝑥2
𝑥4 𝑥5 𝑥6 𝑥7 𝑥8 𝑥9 𝑥10 𝑥11 𝑥12
𝑥3
3 12 8 2 4 6 14 5 2
𝑠 𝑀𝐴𝑋1
𝑠 𝑀𝐴𝑋2
𝑠 𝑀𝐴𝑋3
MAX
MIN 3 2 2
3
min(3,12,8)=3
min(2,4,6)=2
max(3,2,2)=3
min(14,5,2)=2

46. Baum: Begrifflichkeiten
Bäume
Wurzel
Kante
Innerer Knoten / Kindknoten
Blatt

47. Binärbaum: Definiert als ein Baum, dessen Knoten
über höchstens zwei Kindknoten verfügen dürfen:
Binärbäume

48. Traversieren  Jeden Knoten des Baumes
besuchen
Reihenfolge, in der die Knoten besucht werden:
 Preorder, auch: „Hauptreihenfolge“ / Tiefensuche
 Inorder, auch: „symmetrische Reihenfolge“
 Postorder, auch: „Nebenreihenfolge“
 Levelorder, auch: „Breitensuche“
Traversierung

49. Rekursive Regel:
 besuche die Wurzel
 Besuche den linken
Unterbaum
 Besuche den rechten
Unterbaum
 WLR
Preorder Traversierung
Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Depth-First-Search.gif&filetimestamp=20090326120256 (MRE)

50. Preorder Traversierung – Schritt 0
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
E

51. Preorder Traversierung – Schritt 1
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P

52. Preorder Traversierung – Schritt 2
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M

53. Preorder Traversierung – Schritt 3
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M S

54. Preorder Traversierung – Schritt 4
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M S A

55. Preorder Traversierung – Schritt 5
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M S A A

56. Preorder Traversierung – Schritt 6
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M S A A L

57. Preorder Traversierung – Schritt 7
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M S A A L E

58. Preorder Traversierung – Schritt 8
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M S A A L E R

59. Preorder Traversierung – Schritt 9
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M S A A L E R T

60. Preorder Traversierung – Schritt 10
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M S A A L E R T E

61. Preorder Traversierung – Schritt 11
P
M
S
A A
L
E
T
R
E
EAusgabe: P M S A A L E R T E E

62. Datenstrukturen √
 Stack / Kellerspeicher √
 Queue √
 Liste √
 Baum √
 Traversierungsarten √
 Preorder √
 Inorder √
 Postorder √
 Levelorder √
Such- und Sortieralgorithmen
Themenüberblick „Algorithmen und Datenstrukturen“

63. Such- und
Sortieralgorithmen

64. Extensivform von Spielen (Tic Tac Toe)
Juul, Jesper: „255,168 ways of playing Tic Tac Toe”
(„http://www.jesperjuul.net/ludologist/255168-ways-of-playing-tic-tac-toe)

66. Problemstellung: Wie finden wir eine gesuchte
Audio CD?
Umgebungsvariablen:
 CD-Sammlung ist unsortiert
ODER
 Sortierte CD-Sammlung
Problemstellung Suche

67. Sequenzielle / Lineare Suche in unsortierter Sammlung:
Anzahl Suchvorgänge bei n Elementen:
 minimal: 1(best case),
 maximal: n (worst case)
 Durchschnittlich müssen die Hälfte der Einträge
durchgesehen werden, um das gewünschte Element zu finden
(average case)
 Anzahl der Suchschritte steigt proportional mit der
Anzahl der Einträge
Lineare Suche
Quelle und Bildnachweis: http://www-i1.informatik.rwth-aachen.de/~algorithmus/algo1.php

68. Sortierstrategien / -Verfahren:
 Insertionsort: Sortieren durch Einfügen
 Analog dem Vorgehen eines Kartenspielers: Neue
Karten werden einzeln einsortiert, bevor die nächste
Karte aufgenommen wird
 Bubblesort: Vergleichsbasierter Sortieralgorithmus
 Heapsort
 Quicksort (vgl. C.A.R. Hoare)
Sortieralgorithmen

69. Bubblesort

70. Bubblesort: Sortiert z.B. ein Array von Datensätzen durch wiederholtes
Vertauschen von Nachbarfeldern, die in falscher Reihenfolge stehen
Wird so lange wiederholt, bis das Array vollständig sortiert ist.
Dabei wird das Array in mehreren Durchgängen von links nach rechts
durchwandert.
Bei jedem Durchgang werden alle Nachbarfelder verglichen und ggf.
vertauscht. Nach dem 1. Durchgang hat man folgende Situation:
 Das größte Element ist ganz rechts.
 Alle anderen Elemente sind zwar zum Teil an besseren Positionen (also näher an
der endgültigen Position), im Allgemeinen aber noch unsortiert.
Wandern des größten Elementes nach rechts  Aufsteigen von
Luftblasen: Größte Luftblase steigt nach oben
Bubblesort

71. Zu sortieren ist die Zahlenfolge 55 07 78 12 42
(vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Bubblesort)
1. Durchlauf:
55 07 78 12 42
07 55 78 12 42
07 55 78 12 42
07 55 12 78 42
? ? ?
Bubblesort

72. Zu sortieren ist die Zahlenfolge 55 07 78 12 42
(vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Bubblesort)
2. Durchlauf:
07 55 12 42 78
07 55 12 42 78
07 12 55 42 78
07 12 42 55 78
07 12 42 55 78
3. Durchlauf:
07 12 42 55 78
07 12 42 55 78
07 12 42 55 78
07 12 42 55 78  Fertig sortiert.
Bubblesort

73. /

74. Abschlussklausur am 04.02.2015
von 12:15 (pünktlich) bis 13:45 in
Hörsaal XXX, Gyrhofstr. 15