Brückenkurs Programmieren Tag 1: Der Rechner, Variablen und Operationen Christopher Schölzel

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Brückenkurs Programmieren

Tag 1: Der Rechner, Variablen und Operationen

Christopher Schölzel

Technische Hochschule Mittelhessen

2. September 2019

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Inhalt

Organisatorisches

Der Weg zum Power-User

Einleitung: Was ist ein Rechner?

Von Hardware zu Software: Das Betriebssystem Textdateien für Power-User

Beyond Klickibunti: Die Konsole Hello World

Einleitung: Was ist Programmieren?

Installation von Java (mit Jupyter Notebook) Erste Herausforderung: Rechnen

Variablen und Operatoren Variablen

Operatoren

Nachmittag: Typische Fehler bei Zuweisungen

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Inhalt

Organisatorisches

Operatoren

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Organisatorisches I

Ziele des Kurses:

I vom DAU zum Power-User werden ;)

I Grundzüge des Programmierens lernen (unabhängig von der Sprache) I Spaß haben

Themen:

I Heute: Einleitung, Variablen, Operatoren I Dienstag: Verzweigungen, Schleifen: While I Mittwoch: Schleifen: For, Funktionen I Donnerstag: Arrays

I Freitag: Rekursion

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Organisatorisches II

Tagesablauf:

I Beginn 9:00

I Kurzer Theorie-Teil mit gemeinsamen Übungen I Mittagspause: 12:00 bis 13:00

I Übungsblätter und gemeinsame Übungen I evtl. weiterführende Themen am Nachmittag I Ende 16:00

Unterlagen:https://homepages.thm.de/~cslz90/kurse/bk1920

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Inhalt

Organisatorisches

Operatoren

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Einleitung: Was ist ein Rechner?

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Woraus besteht ein Rechner?

Bildquelle: „Valakas“, Christopher Schölzel, Public Domain 8 / 47

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Von-Neumann-Architektur

Rechnerarchitektur nach John von Neumann I Central Processing Unit (CPU, Prozessor)

I Recheneinheit (ALU): Mathematische Operationen I Steuereinheit: steuert Programmablauf

I Bussystem

I Kommunikation zwischen Komponenten I Arbeitsspeicher (RAM)

I speichert Daten laufender Programme I schnell, klein, flüchtig

I Massenspeicher

I speichert Programm- und Nutzerdaten I langsam, groß, persistent

I I/O

I Schnittstelle zur Außenwelt

I Tastatur, Maus, Bildschirm, Grafikkarte, ...

Seit 1945 im Wesentlichen die gleiche Architektur

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Eine Welt ohne Betriebssystem (I)

CPU Firefox

Word Minecraft

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Eine Welt ohne Betriebssystem (II)

RAM-Bereich von Firefox

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Eine Welt ohne Betriebssystem (III)

Hardware-Interrupt (Maus, Tastatur, ...)

CPU

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Betriebssysteme

Aufgaben des Betriebssystems

I Vermittler zwischen Hard- und Software I verteilt Systemressourcen an Prozesse

I CPU-Zeit I RAM

I Zugriff auf Dateisystem I Zugriff auf I/O

I vereinfacht Zugriff auf Systemressourcen

I Treiber als Software zum Steuern externer Geräte I Dateisystem statt rohem Festplattenzugriff I bietet eine Benutzeroberfläche

I Verwaltung von Hard- und Software I Benutzerrechte

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Textdateien für Power-User

Professionelle Texteditoren für Entwickler I Atom: open-source, langsam, electron

I VS Code: open-source, relativ schnell, electron I Sublime: proprietär, sehr schnell, python

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Achtung: Textdatei ist nicht gleich Textdatei

Gelesen als Original in UTF-8 Original in cp1252 ASCII Spa?? f??r 300??? Spa? f?r 300?

latin-1 SpaÃ? fÃ¼r 300â?¬ Spaß für 300?

cp1252 SpaÃŸ fÃ¼r 300â‚¬ Spaß für 300€

UTF-8 Spaß für 300€ Spa ?f ?r 300?

UTF-16 灓썡 ? 썦犼㌠〰苢灓映狼㌠〰

S p a ß _ f ü r _ 3 0 0 €

UTF-8 53 70 61 c39f 20 66 c3bc 72 20 33 30 30 e282ac cp1252 53 70 61 df 20 66 fc 72 20 33 30 30 80 Faustregel: Alles als UTF-8 speichern und lesen, dann ist alles gut.

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Achtung: Textdatei ist nicht gleich Textdatei

S p a ß _ f ü r _ 3 0 0 €

UTF-8 53 70 61 c39f 20 66 c3bc 72 20 33 30 30 e282ac cp1252 53 70 61 df 20 66 fc 72 20 33 30 30 80

Faustregel: Alles als UTF-8 speichern und lesen, dann ist alles gut.

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Achtung: Textdatei ist nicht gleich Textdatei

S p a ß _ f ü r _ 3 0 0 €

UTF-8 53 70 61 c39f 20 66 c3bc 72 20 33 30 30 e282ac cp1252 53 70 61 df 20 66 fc 72 20 33 30 30 80 Faustregel: Alles als UTF-8 speichern und lesen, dann ist alles gut.

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Beyond Klickibunti: Die Konsole

Bunte Fenster und die Maus sind Hilfsmittel, aber es geht auch ohne:

Konsole/Terminal/Eingabeaufforderung:

I Arbeitsverzeichnis steht am Anfang der Zeile I Befehl Argument1 Argument2 ... + Enter

I typische Argumente: -?, /? (Windows), --help I Befehl "Langes Argument mit Leerzeichen" I dir listet Dateien im Arbeitsverzeichnis

I cd Pfad wechselt das Arbeitsverzeichnis I .. ist das Elternverzeichnis

I ↹ (mehrfach) für Autovervollständigung

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Beyond Klickibunti: Die Konsole

I Arbeitsverzeichnis steht am Anfang der Zeile

I Befehl Argument1 Argument2 ... + Enter I typische Argumente: -?, /? (Windows), --help I Befehl "Langes Argument mit Leerzeichen" I dir listet Dateien im Arbeitsverzeichnis

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Beyond Klickibunti: Die Konsole

I typische Argumente: -?, /? (Windows), --help I Befehl "Langes Argument mit Leerzeichen" I dir listet Dateien im Arbeitsverzeichnis

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Beyond Klickibunti: Die Konsole

I typische Argumente: -?, /? (Windows), --help

I Befehl "Langes Argument mit Leerzeichen" I dir listet Dateien im Arbeitsverzeichnis

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Beyond Klickibunti: Die Konsole

I typische Argumente: -?, /? (Windows), --help I Befehl "Langes Argument mit Leerzeichen"

I dir listet Dateien im Arbeitsverzeichnis I cd Pfad wechselt das Arbeitsverzeichnis

I .. ist das Elternverzeichnis

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Beyond Klickibunti: Die Konsole

I dir listet Dateien im Arbeitsverzeichnis

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Beyond Klickibunti: Die Konsole

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(25)

Beyond Klickibunti: Die Konsole

(mehrfach) für Autovervollständigung

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Wie bekomme ich Text in die Konsole hinein oder hinaus?

I linke Maustaste (gedrückt halten) I markiert Text im Fenster I rechte Maustaste

I wenn Text markiert ist: Kopieren

I sonst: Einfügen (und evtl. Befehl ausführen)

I Windows 7: Rechtsklickmenü ⇒ Markieren/Einfügen

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Woher weiß die Konsole, welche Befehle es gibt?

I Befehl = ausführbare Datei

I Umgebungsvariable PATH gibt an, welche Ordner durchsucht werden I Beispiel:

I Befehl foo xyz eingegeben I Windows sucht eine Datei foo.exe I beginnt bei erstem Ordner in PATH

I macht weiter bis gefunden, oder alles durchsucht

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Power-User-Challenge: El Consolero

I Öffne ein Konsolenfenster

I Navigiere auf der Konsole nach C:\

I Lies dir die Hilfemeldung zu dem Befehl dir durch I Befehl zum Aufruf der Hilfe: dir /?

I Finde mit dir heraus, wem C:\Windows gehört I Navigiere zu C:\Windows\System32

I verwende dir mit der Pausenfunktion

Bonus: Liste mit dir nur die Elemente in C:\Windows\System32 auf, die keine Verzeichnisse sind und sortiere diese nach Dateiendung und dann nach Namen.

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Weitere Power-User-Tipps

Weitere Tipps gibt es auf dem Handout:

I Schnelle Navigation und Auswahl I Navigation per Tabulatortaste I Text markieren mit der Tastatur I Die Zwischenablage

I Undo/Redo I besseres Googeln

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Inhalt

Organisatorisches

Operatoren

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Was ist Programmieren?

Definition

Programmieren ist das Schreiben von Computerprogrammen.

Ein Computerprogrammist eine in einer Programmierspracheverfasste Anweisungsabfolge, die ein bestimmtes Problem löst.

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Programmiersprachen

Maschinensprache

0100 1101 0101 1010 1001 0000 0000 0000 0000 0011 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0100

Assembler

pushc 3 pushc 4 add

C

int main(int argc, char *argv[]) { char *str = (char*) malloc(10);

str[9] = 0;

printf("%s", str);

}

Java

public class Thing {

public static void main(String[] args){

System.out.println(args.length);

}}

Java (JShell)

int[] test = new int[10];

System.out.println(test.length);

Ruby

data = FileIO.read("test.csv") data = data.split("\n")

data = data.map {|x| x.split(";")}

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Die „beste“ Sprache gibt es nicht

Sprachen eignen sich gut oder schlecht fürbestimmte Zwecke.

Typescript MATLAB Java C C++ Python VBA SPSS

hardwarenah X X

schnelle Programme (X) X X X X (X)

Webprogrammierung X (X) X

große Programme X X (X) X (X)

Statistik X X (X) X

kurze Entwicklungszeit X X (X) X

Einbettung in Office X

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Wie bringt man einem Computer eine Sprache bei?

Frage: Wie werden Programme in höheren Programmiersprachen ausführbar gemacht?

Antwort: Mit einem Programm.

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Wie bringt man einem Computer eine Sprache bei?

Frage: Wie werden Programme in höheren Programmiersprachen ausführbar gemacht?

Antwort: Mit einem Programm.

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Installation der nötigen Software

https://homepages.thm.de/~cslz90/kurse/bk1920/

I Windows 7/8/10 (64 bit)

I Zip-Archiv mit Installationsscript downloaden I Rechtsklick⇒Alle extrahieren..

I Doppelklick auf install.bat I Anweisungen des Scripts folgen

I Linux und macOS

I Anleitung auf der Homepage folgen

Test:

I ⇒ „Jupyter Notebook“ finden I im Browserfenster auf „New“ ⇒„Java“

I System.out.println("Hello World!") eingeben⇒ „Run“

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Was ist ein Jupyter Notebook?

jupyter notebook startet einen lokalen HTTP-Server, der im Hintergrund für jedes Notebook eine JShell-Instanz (als sog.Kernel) startet.

Markdownzelle

I enthält Beschreibungen I # Überschrift, *kursiv*,

`code` ...

I Strg + Enter : rendern

Codezelle

I enthält ausführbaren Code I alle Zellen teilen sich den

gleichen Kernel

I Strg + Enter : ausführen Kernel

I JShell, deren Zustand sich mit jeder ausgeführten Codezelle verändert

I manchmal ist Neustart nötig ( Strg + ⇑ + F : "restart")

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Bedienung von Jupyter Notebooks

I Strg + Enter : Ausführen der aktuellen Codezelle I Alt + Enter : Neue Zelle hinzufügen

I Strg + S : Speichern

I Strg + ⇑ + F : Command-Palette öffnen I dort findet man alle wichtigen Befehle

! schließen nur mit File ⇒Close and Halt I jedes offene Notebook verbraucht Ressourcen!

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Rechnen in Java

Alle höheren Programmiersprachen kennen die grundlegenden Rechenzeichen:

+ Addition - Subtraktion

* Multiplikation / Division

Code ist englisch⇒ Punkt statt Komma in Zahlen (0.3 statt 0,3) Programmiersprachen kennen die Punkt-vor-Strich-Regel und Klammern Beispiel: 4 * (9 + 3) - 2.5

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Erste Herausforderung: Rechnen

Aufgabe: Löse ein paar Rechenaufgaben aus dem ersten Übungsnotebook bk01-u01-Rechnen.ipynb.

I Normalgewicht: Körpergröße_cm−100 I BMI: Körpergröße^Gewicht^kg²_m

I x²: x * x oder Math.pow(x, 2) I Punkt statt Komma:1,7 = 1.7 I Anhalteweg: Tachowert·3

10 +^Tachowert₁₀₀ ² I Wieviel Sekunden sind ein Jahr?

I Bonus: Math. +↹+↹

Tests:

I Normalgewicht bei 180cm: 80kg I BMI bei 1,9m und

87kg: 24.1

I Anhalteweg bei 51 km/h: 41,31m I Ein Jahr hat 525600

Minuten.

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Erste Herausforderung: Rechnen

Aufgabe: Löse ein paar Rechenaufgaben aus dem ersten Übungsnotebook bk01-u01-Rechnen.ipynb.

I Normalgewicht: Körpergröße_cm−100 I BMI: Körpergröße^Gewicht^kg²_m

I x²: x * x oder Math.pow(x, 2) I Punkt statt Komma:1,7 = 1.7 I Anhalteweg: Tachowert·3

10 +^Tachowert₁₀₀ ² I Wieviel Sekunden sind ein Jahr?

I Bonus: Math. +↹+↹

Tests:

I Normalgewicht bei 180cm: 80kg I BMI bei 1,9m und

87kg: 24.1

I Anhalteweg bei 51 km/h: 41,31m I Ein Jahr hat 525600

Minuten.

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Inhalt

Organisatorisches

Operatoren

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Variablen: Wozu?

Frage: Wie kann man es verhindern, jedes Mal die ganze Rechnung neu zu tippen, wenn man andere Zahlen ausprobieren möchte?

Antwort: Wie in der Mathematik – mitVariablen.

Code ohne Variablen jshell> 51.0 * 3 / 10

+ 51.0 * 51.0 / 100

Code mit Variablen

jshell> double tacho = 51.0; jshell> tacho * 3 / 10

+ tacho * tacho / 100

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Variablen: Wozu?

+ 51.0 * 51.0 / 100

Code mit Variablen

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Variablen: Wozu?

+ 51.0 * 51.0 / 100

Code mit Variablen

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Variablen: Wozu?

+ 51.0 * 51.0 / 100

Code mit Variablen

jshell> double tacho = 51.0;

jshell> tacho * 3 / 10 + tacho * tacho / 100

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Aufgabe: Dreisatz

Bei der letzten Erstifeier wurden 22 Kästen Bier für 86 Studierende gebraucht. Wieviel Kästen Bier sollte man für 110 Studierende einplanen?

Löse die Aufgabe mitVariablen in mehreren Schritten:

I drinkingRate: Kästen pro Person

I crates: Gesamtzahl der benötigten Kästen Variable in Java

double name = 1.1;

Bonus: Wie sehen die Formeln und Variablen aus, wenn es trinkfestere Studiengänge (TF) gibt, die doppelt so viel trinken wie ”normale”(N)?

Letztes Semester 48 TF + 38 N = 33 Kästen Dieses Semester 50 TF + 60 N = ?

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Aufgabe: Dreisatz

Bei der letzten Erstifeier wurden 22 Kästen Bier für 86 Studierende gebraucht. Wieviel Kästen Bier sollte man für 110 Studierende einplanen?

Löse die Aufgabe mitVariablen in mehreren Schritten:

I drinkingRate: Kästen pro Person

I crates: Gesamtzahl der benötigten Kästen Variable in Java

double name = 1.1;

Bonus: Wie sehen die Formeln und Variablen aus, wenn es trinkfestere Studiengänge (TF) gibt, die doppelt so viel trinken wie ”normale”(N)?

Letztes Semester 48 TF + 38 N = 33 Kästen Dieses Semester 50 TF + 60 N = ?

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Variablen: Variablen als Behälter

Typ: Flüssigkeit, Wert: 0.0 ml Bildquelle:www.freeimageslive.com

Typ: Stifte, Wert: 12

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Variablen: Definition

Definition

Eine Variable gibt einerSpeicherstelle einen Namen. Sie kann nur Werte entsprechend ihresTyps enthalten.

Syntax: Variablendeklaration Typ Name = Wert;

Beispiel

double x = 3.5;

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Variablen: float

float

I Fließkommazahlen (engl.: floating point number) I Punkt statt Komma

I 4 Byte in IEEE754-Codierung ⇒ ca. 7 geltende Stellen I f am Ende von Zahlen zur Unterscheidung von double

Beispiele:

3.5f 0.0001234567f 1e127f 1.23456789f 0.0f 1234567.0f 2.3e-128f 123456789f 2.0f 1234567000.0f 1.234567e10f 1e-200f

1f

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Variablen: float

float

I Fließkommazahlen (engl.: floating point number) I Punkt statt Komma

I 4 Byte in IEEE754-Codierung ⇒ ca. 7 geltende Stellen I f am Ende von Zahlen zur Unterscheidung von double Beispiele:

3.5f 0.0001234567f 1e127f 1.23456789f 0.0f 1234567.0f 2.3e-128f 123456789f 2.0f 1234567000.0f 1.234567e10f 1e-200f

1f

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Variablen: int

int

I Ganzzahlen (engl.: integer)

I 4 Byte in Zweierkomplementdarstellung

Beispiele:

4 2147483647 0xff 3_000_000_000

-7 -2147483648 077 0xffff_ffff_ffff 0 100_000_000 0b1011 -3_000_000_000 19

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Variablen: int

int

I Ganzzahlen (engl.: integer)

I 4 Byte in Zweierkomplementdarstellung

Beispiele:

4 2147483647 0xff 3_000_000_000

-7 -2147483648 077 0xffff_ffff_ffff 0 100_000_000 0b1011 -3_000_000_000 19

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Variablen: boolean

boolean

I Wahrheitswerte (nach George Bool) I exakt zwei mögliche Werte

I true

I false

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Variablen: String

String

I Zeichenketten (engl.: string)

I Zusammengesetzter Typ aus mehreren Zeichen (char) I Länge beliebig

Beispiele:

"foo" "127" "zeile1\nzeile2"

"bla" "3q.3f" "\"Zitat\""

"" "a b c"

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Variablen: String

String

I Zeichenketten (engl.: string)

I Zusammengesetzter Typ aus mehreren Zeichen (char) I Länge beliebig

Beispiele:

"foo" "127" "zeile1\nzeile2"

"bla" "3q.3f" "\"Zitat\""

"" "a b c"

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Variablen: Andere Datentypen

Name Größe Bedeutung Beispiel

byte 1 Byte Ganzzahl (wieint) short 2 Byte Ganzzahl (wieint)

long 8 Byte Ganzzahl (wieint) 31l double 8 Byte Fließkommazahl (wiefloat) 1.0

char 2 Byte Einzelzeichen 'a'

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Variablen im Arbeitsspeicher

Erinnerung: Definition

byte a = 40;

01001010 01010110 11101110 00101010 00001001 10010111

... ...

357 358 359 360 361 362

a

int weight = 914;

01001010 00000000 00000000 00000011 10010010 10010111

... ...

851 852 853 854 855 856

weight

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Variablen im Arbeitsspeicher

Erinnerung: Definition

byte a = 40;

01001010 01010110 11101110 00101010 00001001 10010111

... ...

357 358 359 360 361 362

a

int weight = 914;

01001010 00000000 00000000 00000011 10010010 10010111

... ...

851 852 853 854 855 856

weight

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Operatoren

Wie erhöhe ich den Wert einer Zahlvariable x um 2?

x = x + 2;

Definition

Die Rechenzeichen +, -, *, / und % nennt man arithmetischen Operatoren. Sie führen mathematische Rechenoperationen aus.

Definition

Das einfache Gleichzeichen = ist der Zuweisungsoperator. Er weist der Variable auf der linken Seite den Wert des Ausdrucks auf der rechten Seite zu.

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Operatoren: Besonderheiten

Die meisten Operatoren verhalten sich wie erwartet.

Besonderheiten:

I a / b kann zwei Bedeutungen haben

I normale Division falls a oder b eine Fließkommazahl ist

I Ganzzahldivision(ohne Rest) falls a und b beide Ganzzahlen sind I % ist der Modulo-Operator (Rest der Ganzzahldivision)

I a + b kann zwei Bedeutungen haben

I normale Additionwenn a und b Zahlen sind

I Stringverknüpfungwenn a oder b vom Typ String sind Beispiele:

I 11 / 3 ergibt 3 I 11 % 3 ergibt 2

I "123" + 4 ergibt "1234"

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Operatoren: Besonderheiten

Besonderheiten:

I Ganzzahldivision(ohne Rest) falls a und b beide Ganzzahlen sind

I % ist der Modulo-Operator (Rest der Ganzzahldivision) I a + b kann zwei Bedeutungen haben

I "123" + 4 ergibt "1234"

(64)

Operatoren: Besonderheiten

Besonderheiten:

I "123" + 4 ergibt "1234"

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Operatoren: Besonderheiten

Besonderheiten:

I Stringverknüpfungwenn a oder b vom Typ String sind

Beispiele:

I "123" + 4 ergibt "1234"

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Operatoren: Besonderheiten

Besonderheiten:

I "123" + 4 ergibt "1234"

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Typcasts

Manchmal muss man einen Datentyp manuellin einen anderen Typ umwandeln.

Beispiele:

I double zu int, um Nachkommastellen zu entfernen I char zu int, um Zeichencode auszulesen

I int zu char, um systematisch Zeichen zu erzeugen

Typcast: Syntax (NeuerTyp) wert

Typcast: Beispiele (int) 3.4 (int) 'a'

(char) intVariable

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Zusammenfassung

Variablen

double a = 3.5;

int b = 10;

boolean c = true;

String blabla = "Blabla";

Arithmetische Operatoren

+ - * / %

Jupyter-Befehle

I Strg + Enter : Ausführen I Strg + ⇑ + F :

Command-Palette

Jupyter-Tipps

I File ⇒ Close and Halt I Kernelneustart falls nötig

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Inhalt

Organisatorisches

Operatoren

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Mögliche Themen zur Besprechung am Nachmittag

Typische Fehler bei Zuweisungen

I Informatik vs Mathematik: veränderlicher Zustand I Inhalt von Variablen tauschen

I = ist nicht kommutativ I = vergleicht nicht

I Wertsemantik ( = kopiert Inhalte) I Welcher Typ „passt“ in welchen?

I Jupyter: jede Zelle hat Zugriff auf jede Variable

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