Die if-, while- und for-Anweisungen sind die grundlegenden Kontrollstrukturen von Java. In dieser Vorlesung geht es um kurze Programme, die diese Konstrukte verwenden, um wichtige Berechnungsaufgaben zu lösen. Zu den Beispielen gehören das Sortieren, das Berechnen der Quadratwurzel, das Faktorisieren und das Simulieren eines Zufallsprozesses. Die Vorlesung schließt mit einem ausführlichen Beispiel, das den Prozess der Fehlersuche in einem Programm veranschaulicht.

Das Rechnen mit einer großen Folge von Werten desselben Typs ist äußerst häufig. Dieser Vortrag beschreibt die in Java eingebaute Array-Datenstruktur, die solche Anwendungen unterstützt, mit mehreren Beispielen, darunter das Mischen eines Kartenspiels, der Couponsammlertest für Zufälligkeit und zufällige Spaziergänge in einem Gitter.

Um mit unseren Programmen zu interagieren, brauchen wir Mechanismen, um Informationen aus der Außenwelt aufzunehmen und der Außenwelt zu präsentieren. Dieser Vortrag beschreibt mehrere solcher Mechanismen: für Text, Zeichnungen und Animationen. Zu den detaillierten Beispielen gehören fraktale Zeichnungen, die Naturphänomene modellieren, und eine Animation eines Balls, der im Bildschirmfenster herumspringt.

Modulare Programmierung ist die Kunst und Wissenschaft, ein Programm in Teile zu zerlegen, die individuell entwickelt werden können. In dieser Vorlesung werden Funktionen (Java-Methoden) vorgestellt, ein grundlegender Mechanismus, der die modulare Programmierung ermöglicht. Zu den motivierenden Beispielen gehören Funktionen für die klassische Gauß-Verteilung und eine Anwendung, die digitale Musik erzeugt.

Eine rekursive Funktion ist eine Funktion, die sich selbst aufruft. Diese Vorlesung führt in das Konzept ein, indem wir die Linealfunktion und (verwandte) klassische Beispiele, darunter das Rätsel der Türme von Hanoi, den H-Baum und einfache Modelle der realen Welt, die auf Rekursion basieren, ausführlich behandeln. Wir zeigen einen häufigen Fallstrick bei der Verwendung von Rekursion und einen einfachen Weg, ihn zu vermeiden, der ein anderes (verwandtes) Programmierparadigma einführt, das als dynamische Programmierung bekannt ist.

Wenn Sie ein Programm entwickeln, müssen Sie sich über dessen Ressourcenbedarf im Klaren sein. In diesem Vortrag beschreiben wir einen wissenschaftlichen Ansatz zum Verständnis der Leistung, bei dem wir mathematische Modelle entwickeln, die die Laufzeit unserer Programme beschreiben, und dann empirische Tests durchführen, um sie zu validieren. Schließlich kommen wir zu einem einfachen und effektiven Ansatz, mit dem Sie die Laufzeit Ihrer eigenen Programme vorhersagen können, die erhebliche Mengen an Berechnungen beinhalten.

In Java können Sie Ihre eigenen Datentypen erstellen und diese in Ihren Programmen verwenden. In dieser und der nächsten Vorlesung zeigen wir, wie diese Fähigkeit es uns ermöglicht, unsere Programme als abstrakte Darstellungen realer Konzepte zu betrachten. Zunächst zeigen wir, wie man Client-Programme schreibt, die Datentypen verwenden. Unsere Beispiele beziehen sich auf Abstraktionen wie Farbe, Bilder und Gene. Diese Art der Programmierung wird als objektorientierte Programmierung bezeichnet, da unsere Programme mit Objekten arbeiten, die Werte von Datentypen enthalten.

Das Erstellen eigener Datentypen ist die zentrale Aktivität in der modernen Java-Programmierung. Diese Vorlesung behandelt die Mechanik (Instanzvariablen, Konstruktoren, Instanzmethoden und Testclients) und entwickelt dann mehrere Beispiele, die in einem Programm gipfeln, das eine ganz wesentliche mathematische Abstraktion (komplexe Zahlen) verwendet, um visuelle Darstellungen der berühmten Mandelbrot-Menge zu erstellen.

Wir schließen den Kurs mit einem Überblick über wichtige Themen rund um Programmiersprachen ab. Um Sie davon zu überzeugen, dass Sie mit Ihren Java-Kenntnissen auch andere Programmiersprachen erlernen können, zeigen wir Implementierungen eines typischen Programms in C, C++, Python und Matlab. Wir beschreiben wichtige Unterschiede zwischen diesen Sprachen und behandeln grundlegende Themen wie Garbage Collection, Typprüfung, objektorientierte Programmierung und funktionale Programmierung mit einem kurzen historischen Kontext.