Grundlagen der Programmstruktur und Algorithmen

Programmstruktur und Algorithmen

Was ist ein Programm?

Ein Programm besteht aus lesbaren Anweisungen für den Computer, die der Reihe nach angeordnet sind, um eine bestimmte Aufgabe zu erledigen oder ein Problem zu lösen. Es verwendet eine Sprache, die von der Maschine verstanden wird. Das Programm beschreibt eine Mensch-Maschine-Beziehung, während der Algorithmus eine Beziehung zwischen Mensch und Mensch beschreibt.

Arten von Programmen

• Lineare Programme: Die Ausführung des Programms erfolgt in der gleichen Reihenfolge, in der die Anweisungen geschrieben sind.
• Iterative Programme (Schleifen): Enthalten eine Gruppe von Anweisungen, die mehrmals wiederholt werden und daher Sprungbefehle oder Kontrollstrukturen benötigen.
• Alternative Programme (Verzweigungen): Diese Programme können je nach den Werten bestimmter Variablen unterschiedliche Pfade einschlagen.

Glossar zur Programmierung

• Warum wird ein Programm sequenziell abgearbeitet?
  Weil die Steuereinheit des Computers den Speicherort der nächsten auszuführenden Anweisung verfolgt.
• Wann kann ein Programm nicht abgeschlossen werden?
  Wenn der Computer auf eine fehlerhafte Anweisung trifft oder ein Programmierfehler auftritt, kann das Programm möglicherweise nicht korrekt beendet werden.
• Wie viele Zyklen darf ein Programm haben?
  Ein Programm muss eine endliche Anzahl von Zyklen (Schleifendurchläufen) haben, da der Computer sonst niemals anhält (Gefahr einer Endlosschleife).

Routinen und Unterprogramme

• Routine: Eine Reihe von Anweisungen, die eine bestimmte Aufgabe innerhalb eines Programms erfüllen und in der Regel einmalig oder an einer bestimmten Stelle ausgeführt werden.
• Unterprogramm: Ähnlich einer Routine, kann aber von verschiedenen Stellen im Programm aus beliebig oft aufgerufen und ausgeführt werden.

Flussdiagramme

Symbole werden verwendet, um die Schritte eines Rechenverfahrens zur Lösung eines Problems anschaulich und leicht verständlich darzustellen.

Programmierlogik

Analysebeispiel: Bestellverarbeitung

1. Bestellung einlesen (Teilecode, Menge)
2. Code validieren (1)
3. Lagerbestand prüfen: Genug Teile vorhanden? (2)
4. Teile aus Bestand buchen (falls vorhanden)
5. Bestellung bearbeiten und Rechnung erstellen
6. Ausgabe: (1) Fehlermeldung bei ungültigem Code, (2) Meldung bei Lagermangel

Algorithmen

Ein Algorithmus ist eine Liste von Anweisungen in logischer Reihenfolge zur Lösung eines Problems oder zur Durchführung eines Prozesses.

Eigenschaften eines Algorithmus

• Eindeutigkeit: Spezifische, klare und präzise Anweisungen. Keine Mehrdeutigkeiten.
• Endlichkeit (Finitheit): Muss nach einer endlichen Anzahl von Schritten enden.
• Allgemeinheit: Sollte auf eine Klasse von Problemen anwendbar sein, nicht nur auf ein spezifisches Problem. Derselbe Algorithmus kann ähnliche Probleme lösen.
• Effizienz: Sollte das Problem mit möglichst geringem Ressourcenaufwand (z. B. Zeit, Speicher) lösen und das Ergebnis in möglichst kurzer Zeit liefern.

Pseudocode

Eine Beschreibung eines Algorithmus, die grundlegende Kontrollstrukturen verwendet. Sie ähnelt einer Programmiersprache (wie z. B. BASIC), ist aber formloser und nicht direkt ausführbar. Pseudocode umfasst typischerweise:

• Variablen
• Operatoren und Ausdrücke
• Zuweisungen
• Eingabe und Ausgabe
• Kontrollstrukturen (Sequenz, Selektion, Iteration)