Dieses Lernfeld 11a bringt dir bei, wie du richtige Software entwickelst - von der ersten Idee bis zum fertigen Programm.

Hier lernst du Algorithmen, Java, Datenstrukturen und UML kennen. Das ist das Handwerkszeug für jeden Programmierer.

I. Grundlagen der Algorithmen

Algorithmen sind wie Kochrezepte für den Computer - sie zeigen Schritt für Schritt, wie Probleme gelöst werden.

Ohne Algorithmen könnte kein Programm funktionieren. Sie sind das Herz jeder Software.

Algorithmus

Ein Algorithmus ist ein präzise festgelegtes Verfahren zur Lösung von Problemen. Wie ein Kochrezept, das aus endlich vielen Schritten besteht und in endlicher Zeit ein Ergebnis produziert.

5 Bedingungen für jeden Algorithmus:

• Spezifikation - Was kommt rein, was soll rauskommen?
• Durchführbarkeit - Muss vollständig beschrieben und ausführbar sein
• Terminiertheit - Muss irgendwann aufhören
• Determiniertheit - Bei gleichen Eingaben immer gleiches Ergebnis
• Korrektheit - Bei korrekten Eingaben muss korrektes Ergebnis rauskommen

II. Java Entwicklungsumgebung

Java ist plattformunabhängig - einmal geschrieben, läuft überall. Das macht die Sprache so beliebt für große Software-Projekte.

Dafür brauchst du die richtige IDE und verstehen, wie der javac funktioniert.

Java IDE

Eine IDE ist wie eine Werkbank für Programmierer - alles was du brauchst ist an einem Ort.

Wichtige Komponenten:

• JDK - Java Development Kit - die komplette Werkzeugkiste
• JRE - Java Runtime Environment - damit laufen Java Programme
• JVM - Java Virtual Machine - übersetzt Bytecode in Maschinencode
• Java Compiler (javac) - macht aus Java-Code Bytecode

Entwicklungsfluss:

1. Quelle.java - dein Java Code
2. Java Compiler (javac) - macht Bytecode draus (Quelle.class)
3. JVM - führt Bytecode auf dem Zielsystem aus

III. Java Grundlagen

Java ist objektorientiert - alles dreht sich um Klassen und Objekte. Das macht Programme übersichtlich und wiederverwendbar.

Mit Klassen baust du Bausteine, aus denen du dann Objekte erschaffst.

Java klasse und Java Objekt

Klassen sind wie Baupläne, Objekte sind die fertigen Häuser. Eine Klassen beschreibt, was ein Objekt können soll.

Aufbau einer Java klasse:

• Attributen - Was das Java Objekt weiß (Eigenschaften)
• Java Methode - Was das Java Objekt kann (Funktionen)

class Tier {
   String art;        // Attribut
   double gewicht;    // Attribut
   
   void friss() {     // Methode
       // Code zum Fressen
   }
}

Java Objekt erstellen:

Tier elefant = new Tier();  // Neues Objekt
elefant.art = "Elefant";    // Attribut setzen
elefant.friss();            // Methode aufrufen

IV. Datenstrukturen

Datenstrukturen sind wie Container - verschiedene Formen für verschiedene Zwecke. Willst du Daten sortiert? Unsortiert? Schnell durchsuchen?

Die richtige Datenstruktur macht dein Programm schneller und sauberer.

Einfache Datenstrukturen

Arrays

• Feste Größe, gleicher Datentyp
• Schneller Zugriff über Index
• int[] zahlen = {1, 2, 3, 4, 5};

Collections - die Flexiblen

Lists:

• ArrayList - variabel, wie ein erweiterbares Array
• LinkedList - verkettet, gut zum Einfügen/Löschen

Sets:

• HashSet - unsortiert, jedes Element nur einmal
• TreeSet - sortiert automatisch

Maps:

• HashMap - unsortiert, Schlüssel → Wert
• TreeMap - sortiert nach Schlüsseln

| Datenstruktur | Eigenschaften | Verwendung | |-----------------------------------|---------------|------------| | ArrayList | Variabel, schneller Zugriff | Wenn du oft auf Elemente zugreifst | | LinkedList | Verkettet, schnelles Einfügen | Wenn du oft einfügst/löschst | | HashSet | Eindeutige Elemente, unsortiert | Duplikate vermeiden | | HashMap | Schlüssel-Wert-Paare | Wie ein Wörterbuch |

V. Komplexe Datenstrukturen

Für große Datenmengen brauchst du clevere Datenstrukturen - sie machen den Unterschied zwischen sekunden- und minutenlangen Wartezeiten.

Hash-basierte Strukturen und Sortieralgorithmen sind hier die Profiwerkzeuge.

Hashbasierte Datenstrukturen

Hash-Verfahren sind wie ein super-schneller Index in einem Buch. Statt alles durchzublättern, springst du direkt zur richtigen Seite.

Eigenschaften:

• Nicht lineare Datenstruktur
• Jeder Datenwert hat eindeutigen Schlüssel
• Schnelle Suche unabhängig von Datengröße
• Verschiedene Hash-Verfahren: Divisions-Rest-Methode, Multiplikative Methode, etc.

Bekannte Hash-Verfahren:

• Brent-Hashing
• Doppel-Hashing
• Kuckucks-Hashing
• Mittquadratmethode

Sortieralgorithmen

Heapsort

• "Heap" = Haufen, Halde
• Instabiles aber schnelles Sortierverfahren
• Basiert auf binärem Heap (vollständiger binärer Baum)
• Max-Heap: Elternknoten ≥ Kindknoten
• Min-Heap: Elternknoten ≤ Kindknoten

VI. UML Modellierung

UML ist die Sprache der Software-Architekten. Bevor du programmierst, zeichnest du deine Ideen auf - das spart später viel Zeit.

Mit UML können alle im Team verstehen, wie die Software aufgebaut ist.

UML - Unified Modeling Language

UML hat verschiedene Diagramme für verschiedene Sichten auf deine Software - wie ein Bauplan mit Grundriss, Seitenansicht und Elektroplan.

Die 5 Sichten:

• Logische Sicht - Klassendiagramme, Paketdiagramme
• Ablaufsicht - Sequenzdiagramme, Zustandsdiagramme
• Physische Sicht - Deployment-Diagramme
• Implementierungssicht - Komponenten-Diagramme
• Szenarien - Use-Case-Diagramme, Aktivitätsdiagramme

Anwendungsfalldiagramm

Use-Case-Diagramme zeigen, was dein System für wen tun soll - wie eine Aufgabenliste für die Software.

Aufbau:

• Anwendungsfall - horizontale Ovale mit Verben (z.B. "Geld abheben")
• Akteure - Strichmännchen für Benutzer
• System-Grenzen - Rechteck um alle Anwendungsfälle

Klassendiagramm

Klassendiagramme sind der Bauplan deiner Klassen - zeigen Eigenschaften, Funktionen und Beziehungen.

Darstellung einer Klasse:

┌─────────────┐
│ Klassenname │
├─────────────┤
│ + attribut1 │ ← Attribute
│ - attribut2 │
├─────────────┤
│ + methode1()│ ← Methoden
│ - methode2()│
└─────────────┘

Sichtbarkeiten:

• + öffentlich - jeder kann darauf zugreifen
• - privat - nur die Klasse selbst
• # geschützt - Klasse und Unterklassen

Sequenzdiagramm

Sequenzdiagramme zeigen zeitliche Abläufe - wie ein Chat-Verlauf zwischen Objekten.

Elemente:

• Akteure - senkrechte Linien (Lebenslinien)
• Nachrichten - Pfeile zwischen Akteuren
• Zeit - läuft von oben nach unten

Aktivitätsdiagramm

Aktivitätsdiagramme sind wie Flussdiagramme - zeigen Entscheidungen und parallele Abläufe.

Notation:

• Startknoten - schwarzer Punkt ●
• Endknoten - schwarzer Punkt im Kreis ⦿
• Aktivität - abgerundetes Rechteck
• Entscheidung - Raute ◇
• Ablaufende - X (beendet aktuellen Fluss)

Anwendung:

• Alternative Abläufe modellieren
• Parallele Aktivitäten darstellen
• Verantwortungsbereiche zuordnen
• Ausnahmebehandlung planen

VII. Softwareentwicklung

Gute Software entsteht nicht durch Zufall - du brauchst Planung, Tests und modularen Aufbau.

Modularität macht deine Software wartbar und erweiterbar.

Modulare Softwarekomponenten

Prinzipien:

• Kapselung - Interna verstecken
• Schnittstellen - Klare Kommunikationswege
• Wiederverwendbarkeit - Einmal schreiben, oft nutzen
• Testbarkeit - Komponenten einzeln prüfbar

Vorteile modularer Entwicklung:

• Mehrere Entwickler können parallel arbeiten
• Fehler sind leichter zu finden
• Einzelne Module sind austauschbar
• Code ist besser verständlich

Softwarekomponenten testen

Testarten:

• Unit-Tests - Teste einzelne Methoden
• Integrationstests - Teste Zusammenspiel zwischen Komponenten
• Systemtests - Teste komplette Anwendung

Test-Prinzip:

1. Arrange - Testdaten vorbereiten
2. Act - Funktion ausführen
3. Assert - Ergebnis prüfen

VIII. Erweiterte Konzepte

Für professionelle Software brauchst du noch mehr Werkzeuge - Sortieralgorithmen, Komprimierung und Verschlüsselung.

Diese Themen machen aus einem einfachen Programm eine robuste Anwendung.

Sortieralgorithmen

Sortierung ist überall - in Suchmaschinen, Datenbanken, Listen. Der richtige Sortieralgorithmus macht den Geschwindigkeitsunterschied.

Wichtige Sortieralgorithmen:

• Heapsort - immer O(n log n), aber instabil
• Quicksort - meist sehr schnell, schlimmstenfalls O(n²)
• Mergesort - immer O(n log n), stabil aber braucht mehr Speicher

Komprimierung

Komprimierung spart Speicherplatz und Übertragungszeit - besonders wichtig bei großen Datenmengen.

Verfahren:

• Verlustfrei - Original kann perfekt wiederhergestellt werden (ZIP)
• Verlustbehaftet - Acceptable Qualitätsverluste (JPEG, MP3)

Verschlüsselung

Verschlüsselung schützt sensible Daten - vom Online-Banking bis zu privaten Nachrichten.

Grundarten:

• Symmetrisch - Gleicher Schlüssel für Ver- und Entschlüsselung
• Asymmetrisch - Öffentlicher und privater Schlüssel (RSA)
• Hash-Funktionen - Einweg-Verschlüsselung für Passwörter