Informatik 1: Eine einführende Übersicht

406 Pages·1991·24.839 MB·German

by  Dr. rer. nat. Dr. ès sc. h. c. Dr. rer. nat. h. c. Friedrich L. Bauer, Dr. rer. nat. Gerhard Goos, Dr. rer. nat. Walter Dosch (auth.)

Springer-Lehrbuch
Friedrich L. Bauer Oerhard Ooos
Informatik 1
Eine einführende Übersicht
Vierte, verbesserte Auflage
bearbeitet von F. L. Bauer und W. Dosch
Mit 164 Abbildungen, 16 Tabellen
und zahlreichen Programmb eispielen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Dr. rer. nato Dr es sc. h. c. Dr. rer. nato h. c. FRIEDRICH L. BAUER
Professor emeritus der Mathematik und Informatik
an der Technischen Universität München
Dr. rer. nato GERHARD Goos
ord. Professor der Informatik an der Universität Karlsruhe
Mitglied des Vorstands der Gesellschaft für Mathematik
und Datenverarbeitung (GMD)
Dr. rer. nato WALTER DOSCH
Professor der Informatik an der Universität Augsburg
Die früheren Auflagen erschienen in der Reihe
"Heidelberger Taschenbücher".
Mathematics Subject Classification (1980): 68-02, 68A05, 68AI0
ISBN 978-3-540-52790-9
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Informatik: eine einführende Übersicht 1 Friedrich L. Bauer; Gerhard Goos. -
Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo; Hong Kong; Barcelona:
Springer. (Springer-Lehrbuch)
NE: Bauer, Friedrich L. [Mitverf.); Goos, Gerhard [Mitverf.); [Lehrbuch).
1.-4., verb. Aufl./bearb. von F. L. Bauer u. W. Dosch. - 1991
ISBN 978-3-540-52790-9 ISBN 978-3-642-58185-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-58185-4
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1971, 1973, 1982, 1991
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heide1berg New York 1991
Satzarbeiten: Zechnersche Buchdruckerei, Speyer
2145/3140-543210 - Gedruckt auf säurefreiem Papier
Dem Gedachtnis an
Alwin Walther 1898-1967
Hans Piloty 1894-1969
Robert Sauer 1898-1970
gewidmet
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Informatik ist die deutsche Bezeichnung fUr computerscience, ein Gebiet, das
sich vor allem in den USA, daneben in Grol3britannien, in den sechziger Jah
ren zur selbstandigen wissenschaftlichen Disziplin entwickelt hat. Neuerdings
auch durch das Bundesministerium fUr Bildung und Wissenschaft gefordert,
nimmt das Studium der Informatik in Deutschland einen raschen Auf
schwung. Das Buch gibt eine einfiihrende Obersicht iiber die Informatik, die
im Einklang mit den Empfehlungen der Fachverbande GAMM und NTG
steht. Es kann insbesondere zur Unterstiitzung einer zweisemestrigen Einfiih
rungsvorlesung dienen. Entstanden ist das Buch aus solchen Vorlesungen, die
seit 1967 mit der Aufnahme des reguHiren Informatik-Studiums in der Abtei
lung Mathematik der Technischen Universitat Miinchen gehalten wurden.
Die Darstellung geht yom Allgemeinen zum Speziellen. Sie stellt die Grund
begriffe der Programmierung an die Spitze, anstatt sie, wie es anderswo hau
fig geschah, aus speziellen Maschinenfunktionen herzuleiten. Der Vorteil, der
darin liegt, dal3 man sich von Zufalligkeiten der technischen Entwicklung frei
macht, urn zu tragfahigeren Aussagen zu kommen, ist nicht gering zu veran
schlagen; noch starker scheint uns das Vorgehen dadurch motiviert zu sein,
dal3 es den Anfanger zum Nachdenken zwingt, anstatt ihm Patentlosungen
vorzusetzen. Ais "top-down-teaching" wird diese Methode neuerdings auch in
den USA, unteranderem von ALAN PERLlS, propagiert. Schliel3lichzielt auch
die Entwicklung der Programmiersprachen im Hinblick auf die Formalisie
rung der Semantik darauf hin, schrittweise das Komplizierte auf Einfacheres
zuriickzufiihren.
Mit der einfiihrenden Obersicht will das Buch insbesondere die Zusammen
hange aufzeigen, die zwischen einzelnen Spezialvorlesungen iiber Themen der
Informatik bestehen.
Beim Aufbau dieser Vorlesung konnten wir uns auf konstruktive Beitrage
unserer Herren Kollegen K. SAMELSON, M. PAUL, F. PEISCHL stiitzen. Eine
erste Ausarbeitung fertigte im Studienjahr 1967/68 Frau D. MAISON an. Bei
den Obungen zur Vorlesung, insbesondere der Zusammenstellung von Aufga
ben, hatten wir die Hilfe von Herrn R. GNATZ und Herrn H. J. WALTHER,
welch letzterer auch eine zweite Ausarbeitung im Studienjahr 1968/69 redi
gierte. Herr Kollege SAMELSON, der die Einfiihrungsvorlesungim Studienjahr
1969170 las, hat uns wertvolle Kritik geliefert, daneben hatten wir zu einzel-
VIII Vorwort zur zweiten Auflage
nen Kapiteln niitzliche Hinweise von den Herren Kollegen J. EICKEL, P.
DEUSSEN, W. HAHN und Frl. U. HILL. Eine Durchsicht des ersten Kapitels
besorgtenauch die HerrenKollegen W. KEIDEL, Erlangen, und H. ZEMANEK,
Wien. Allen, die an der Fertigstellung mitarbeiteten, danken wir herzlich,
auch wenn wir sie nicht samtlich namentlich nennen konnen. Dies gilt nicht
nur fiir Sekretarinnen und fi.ir Mitarbeiter, die uns beim Lesen der Korrektu
ren halfen. Herrn H. W6SSNER, der die ALGOL-Beispiele auf syntaktische
Richtigkeit pri.ifte, mi.issen wir hier besonders nennen. In der Zeit, in der der
altere der beiden Autoren Vorsitzender des Terminologie-Ausschusses im
FachnormenausschuB Informationsverarbeitung war, hat er viel von den dort
gefi.ihrten Diskussionen gelernt, wofi.ir er ebenfalls seinen Dank zum Aus
druck bringen mochte.
In den schwierigen Jahren des Aufbaus nach der ZerstOrung hatte Deutsch
land das G1i.ick, drei Manner zu haben, die den Mut hatten, an ein Aufleben
wissenschaftlicher Leistung auf dem neuen und bis 1955 nur mit Einschran
kungen erlaubten Gebiet der Rechenanlagen zu glauben. Ihnen, die die Ein
fi.ihrung der lnformatik in Deutschland vorbereiten halfen, ist dieses Buchge
widmet.
Mi.inchen, im Sommer 1970 F. L. BAUER' G. Goos
Vorwort zur zweiten Auflage
Die zweite Auflage wurde in vielen Einzelheiten verbessert. Fi.ir die zahlrei
chen Anregungen, die wir erhalten haben, bedanken wir uns sehr. Unser be
sondererDankgiltFrl. Dr. H. VOGG fi.ir die unermi.idliche Hilfebei der Dber
arbeitung.
Mi.inchen und Karlsruhe, im Fri.ihjahr 1973 F. L. BAUER' G. Goos
Aus dem Vorwort zmdritten Auflage IX
Aus dem Vorwort zur dritten Auflage
Angesichts des Aufschwungs und Fortschritts, den die Informatik in den letz
ten zwolf Jahren genommen hat, war mit der dritten Auflage (31.-34. Tau
send) dieses Buches eine Neubearbeitung dringend geboten.
Aul3erlich am auWmigsten ist wohl, dal3 die Programmbeispiele des Buches
nunmehr "zweispaltig", in ALGOL68 und PASCAL, geschriebensind. FUrdie
Berticksichtigungvon PASCAL sprachnicht nur dessen seit 1975 erfolgteweite
Verbreitung, sondernvor allem, dal3 es etwa aufdem Gebiet der Datenstruktu
ren einige Schwachstellen von ALGOL 68 erganzt; wahrend umgekehrt das
tibersetzerunabhangig konzipierte ALGOL 68 immer noch in einigen Punkten
die durchsichtigere Notation hat - obschones seiner offensichtlichen Schrullig
keit wegenan manchenOrten nicht Ful3 fassen konnte. Wieschoninder ersten
Auflage bei ALGOL 68, wurde nun auch bei PASCAL - allerdings in weit
geringerem AusmaB - Wildwuchs an 'features' beschnitten. Hinzugeftigt wer
den muBten im wesentlichen lediglich einige kollaterale Konstruktionen.
In der Hauptsache drtickt sich aber in dem friedlichen Nebeneinander von
ALGOL 68 und PASCAL ein Wandel aus, der sich in den 70er Jahren volIzo
gen hat: die Etablierung einer allgemeinen und abstrakten, von Notationen
unabhangigen begrifflichen Basis ftir Ablauf- und (etwas nachhinkend) ftir
Datenstrukturen. Sowohl ALGOL 68 wie PASCAL (und nicht allein sie) sind
von dieser Basis aus semantisch leicht erreichbar, wobei in dieser Sicht einige
Neuorientierungen bei ALGOL 68 (etwa der Wegfall der Gleichheitsvereinba
rung als fundamentaler Begriff) unvermeidlich sind, gewisse Schmalbrtistig
keit bei PASCAL (etwa das Fehlen von Zwischenergebnisvereinbarungen und
von bedingten Formeln) Abhilfe erfordert, die sich in einigen PASCAL-Vari
anten (MESA u.a.) auch abzeichnet.
Dementsprechend steht im Hintergrund eine abstrakte, maschinenunabhan
gigeoperativeSemantik aufder Basisvon Formelbildungund -vereinfachung,
mit einem Oberbau von abstrakten Datentypen und Termersetzung (vgl. F. L.
BAUER "Algorithms and Algebra", in: Algorithms in Modern Mathematics
and Computer Science (Urgench Symposium 1979), LNCS 122). In einem
Buch ftir Anfanger kann man aber nicht mit dieser Theorie beginnen. Statt
dessensteht eininformelles, intuitiv einleuchtendes Modellzur Verftigung, die
"Formularmaschine". Sie ist eigentlich eine Protomaschine des "applikativen
Niveaus", aus der sich verschiedenste ablauf- oder auch datenfluBorientierte
Maschinenmodelle herleiten lassen.
Damit soli das Buch zu einer zukunftssicheren Ausrichtung der Inhalte des
Informatikstudiums beitragen. Stets galt es abzuwagen, was als ftir den An
fanger zunachst unwichtiges Detail und als rein theoretische Erorterung weg
gelassen werden soli.
x Aus dern Vorwort zurdritten Auflage
Der Leser, den das Nebeneinander von ALGOL-Notation (jeweils links)
und PASCAL-Notation (jeweils rechts) stort, mag sich entschlieBen, nur die
eine oder die andere Fassung zur Kenntnis zu nehmen; wenn er beide Fassun
gen betrachtet, kann er gelegentlich aus dem Unterschied auch etwas lernen,
und sei es nur, daB der Unterschied eigentlich unerheblich ist. Insbesondere
der Hochschullehrer, der das Buch zum Gebrauch neben der Vorlesung emp
fiehlt, wird sichvielleichtausunterrichtspraktischenGrundenaufeinederbei
den Fassungen konzentrieren und die andere mehr nebenherlaufen lassen oder
dem Selbststudium anheimgeben.
Ebenso wird sich der Hochschullehrer vielleicht im Hinblick auf Obungs
moglichkeiten zu Umstellungen in der Stoffdarbietung entschlieBen wollen.
Einige Hinweise zu Beginn der betreffenden Paragraphen sollen dafUr hilf
reich sein.
Mit voller Absicht wurde in diesem Buch eine mittlere Linie zwischen radi
kal-moderner und traditionalistischer Ausrichtung der Informatik eingenom
men. Wir beginnen also nicht mit abstrakter Algebra und Fixpunkttheorie.
Wenn aber ein Dozent aus didaktischen, methodischen oder theoretischen
Grunden auch nicht mit der allgemeinen Rekursion, sondern mit Wiederho
lungen (und Sprungen), also mit Elementen des sog. "prozeduralen Niveaus"
beginnen mochte, kann er mit geringen Anpassungen an die veranderte Moti
vation die entsprechende Umstellung vornehmen und von 2.3.1 sogleich auf
das 3. Kapitel, bei schwerpunktmaBiger Behandlung von PASCAL auch auf
3.2 springen. Der Rest des zweiten Kapitels kann dann im AnschluB an 3.4
oder 3.5 nachgeholt werden. 3.6 und 3.7 betreffen implementierungsabhangi
ge maschinennahe Oberlegungen und konnen auch weiter zuriickgestellt wer
den.
In den Anhangen findet sich nicht-zentrales, erganzendes Material, darun
ter auch die Einfuhrung in die Shannonsche Informationstheorie, die fruher,
im ersten Kapitel stehend, ein zielstrebiges Zugehen auf den Algorithmenbe
griff verzogerte.
Hiersei auch eineWarnungangebracht: der Text enthalt gelegentlich knap
pe Formulierungen, die zu genauerem Nachdenken veranlassen sollen.
Auch diese Fassung des Buches entstand aus der Einfuhrungsvorlesung her
aus, die inzwischen nicht mehr auf zwei Semester beschrankt ist und auch
nicht mehran der AbteilungMathematik, sondernan der Fakultat fUr Mathe
matik und Informatik der Technischen Universitat Munchen abgehalten wird.
Zu danken habe ich vor allem meinem verstorbenen Freund KLAUS SAMEL
SON fur tiefgreifende Diskussionen, sowie meinen Kollegen J. EICKEL, W.
HAHN, M. PAUL, A. JAMMEL und R. BAYER, die mir manche praktische
Hinweise gaben, und vielen meiner Kollegen wie auch Studierenden, die ich
namentlich nicht aile auffUhren kann, fUr fruchtbare Kritik. Besonders meine
Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe CIP haben mir bei vielen Klippen - ein-
Vorwort zur vierten Auflage XI
schlieBlich der Uberprtifung der Programmbeispiele - die wahrend der qual
vollen Entstehung eines Buches zu tiberwinden sind, geholfen; unter ihnen
mochteichvor allem nennen Herrn OberstudienratW. DOSCH, der bereits die
Ausarbeitung des Vorlesungsskriptums betreute und mit schatzenswerter Ge
duld und Genauigkeit Korrekturen las. Mein besonderer Dank gilt schlieBlich
Frau Dr. H. BAUER-VOGG ftir das Verstandnis, das sie ihrem immer noch
vielbeschaftigten Mann entgegengebracht hat.
Mtinchen, Ostern 1982 F. L. BAUER
Vorwort zur vierten Auflage
In der vorliegenden vierten Auflage (45.-49. Tausend) konnten Verbesserun
gen und Erganzungen vorgenommen werden. Insbesondere legte der inzwi
schen erschienene Sprachbericht der CIP-Gruppe (01) eine solide definitori
sche Basis ftir die im Buch verwendete ALGOL-Variante. Das Vorliegen des
ISO-Standards ftir PASCAL (04) erlaubteeinige Prazisierungen, die auch teil
weise eine starkere Ubereinstimmung der ALGOL- und PASCAL-Fassungen
mit sich brachten. Nach wie vor deckt aber PASCAL - wieauch MODULA-2
- einige fUr eine moderne Einftihrung unerlaBlichen funktionalen Sprachkon
zepte - insbesondere Kollateralitat und Nichtdeterminismus - nicht abo
Wir danken Herrn Dr. H. EHLER ftir die Durchsicht der Syntaxdiagramme
und Herrn Dipl.-Ing. R. GEROLD ftir die Aktualisierung einiger technischer
Daten.
Mtinchen, im Sommer 1990 F. L. BAUER . W. DOSCH
Handschrift von GOTTFRIED WILHELM LEIBNIZ
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