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Listen und ihre Verarbeitung Klaus Becker 2009. 2 Listen und ihre Verarbeitung Inhalte: Datenstruktur Liste Listen als Objekte Datenmodellierung mit Listen.

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Präsentation zum Thema: "Listen und ihre Verarbeitung Klaus Becker 2009. 2 Listen und ihre Verarbeitung Inhalte: Datenstruktur Liste Listen als Objekte Datenmodellierung mit Listen."—  Präsentation transkript:

1 Listen und ihre Verarbeitung Klaus Becker 2009

2 2 Listen und ihre Verarbeitung Inhalte: Datenstruktur Liste Listen als Objekte Datenmodellierung mit Listen Stapel Schlangen Brot Butter Joghurt Schokolade Mehl Eier... Äpfel

3 3 Teil 1 Datenstruktur Liste

4 4 Verwaltung von Daten Listen werden in der Informatik - wie auch im täglichen Leben - benutzt, wenn man mehrere zusammengehörende Daten als eine Einheit darstellen und verwalten will. Da solche Zusammenstellungen von Daten sehr häufig vorkommen, bildet die Datenstruktur Liste ein zentrales Konstrukt bei der automatisierten Verarbeitung von Daten. online.de Brot Butter Joghurt Schokolade Mehl Eier... Einkaufsliste Mailingliste Äpfel

5 5 Einstieg - Mailingliste M = M = [\ ] Mailingliste Liste mit Zeichenketten

6 6 Einstieg - Aufgaben (siehe 8.1.1) Bearbeiten Sie die Aufgaben des Abschnitts Aufgabe 1: Eine Liste in Python eingeben Aufgabe 2: Listenoperationen ausprobieren Aufgabe 3: Ein Element entfernen Aufgabe 4: Ein Element hinzufügen. Bei Bedarf können Sie sich im Abschnitt über Listen und ihre Verarbeitung informieren.

7 7 Einstieg - Lotto # Version 1 tipp1 = 1 tipp2 = 12 tipp3 = 21 tipp4 = 31 tipp5 = 37 tipp6 = 46 ziehung1 = 1 ziehung2 = 21 ziehung3 = 25 ziehung4 = 40 ziehung5 = 44 ziehung6 = 45 # Version 2 tipp = [1, 12, 21, 31, 37, 46] ziehung = [1, 21, 25, 40, 44, 45] # Version 3 tipp = [ \ True, False, False, False, False, False, False, \ False, False, False, False, True, False, False, \ False, False, False, False, False, False, True, \ False, False, False, False, False, False, False, \ False, False, True, False, False, False, False, \ False, True, False, False, False, False, False, \ False, False, False, True, False, False, False, \ ] ziehung = [ \ True, False, False, False, False, False, False, \ False, False, False, False, False, False, False, \ False, False, False, False, False, False, True, \ False, False, False, True, False, False, False, \ False, False, False, False, False, False, False, \ False, False, False, False, True, False, False, \ False, True, True, False, False, False, False, \ ] einzelne Zahlen Liste mit Zahlen Liste mit Wahrheitswerten

8 8 Einstieg - Aufgaben (siehe 8.1.2) Bearbeiten Sie die Aufgaben des Abschnitts Aufgabe 1: Zugriff auf Listenelemente Aufgabe 2: Verarbeitung von Listen Aufgabe 4: Analyse von Programmen Aufgabe 5: Ergänzung von Programmen Aufgabe 6: Entwicklung eines Programms Bei Bedarf können Sie sich im Abschnitt über Listen und ihre Verarbeitung informieren.

9 9 Lösungen - Aufgaben (siehe 8.1.1) Aufgabe 2: Listenoperationen >>> M ? >>> M[0] ? >>> M[1] ? >>> M[4] ? >>> M[0:2] ? >>> M[2:5] ? >>> M[1:4] ? >>> M[3:3] ? >>> M + ? >>> + M ? >>> M[0:1] + M[2:7] ? >>> M[0:3] + M[4:7] ? >>> M[0:2] + + M[2:7] ? >>> M[0:5] + + M[5:7] ? >>> len(M) ? >>> len(M[3:6]) ?

10 10 Lösungen - Aufgaben (siehe 8.1.1) Aufgabe 3: Element entfernen M = [\ ] # Element entfernen def entfernen(L, i): H = L[0:i] + L[(i+1):len(L)] return H # Test print M print entfernen(M, 2) print M Aufgabe 4: Element einfügen M = [\ ] # Element einfügen def einfuegen(L, x, i): H = L[:i] + [x] + L[i:] return H # Test print M print einfuegen(M, 2) print M

11 11 Lösungen - Aufgaben (siehe 8.1.2) Aufgabe 2/3: Anzahl der Richtigen # Version 3 tipp = [ \ True, False, False, False, False, False, False, \ False, False, False, False, True, False, False, \ False, False, False, False, False, False, True, \ False, False, False, False, False, False, False, \ False, False, True, False, False, False, False, \ False, True, False, False, False, False, False, \ False, False, False, True, False, False, False, \ ] ziehung = [ \ True, False, False, False, False, False, False, \... False, True, True, False, False, False, False, \ ] # Anzahl der Richtigen richtige = 0 for i in range(49): if (tipp[i] == True) and (ziehung[i] == True): richtige = richtige + 1 print richtige # Version 2 tipp = [1, 12, 21, 31, 37, 46] ziehung = [1, 21, 25, 40, 44, 45] # Anzahl der Richtigen richtige = 0 for t in tipp: for z in ziehung: if t == z: richtige = richtige + 1 print richtige

12 12 Lösungen - Aufgaben (siehe 8.1.2) Aufgabe 4/5: Erzeugung der Lottoziehung # Version 3 from random import * ziehung = [] for i in range(49): ziehung = ziehung + [False] for i in range(6): zahl = randint(1, 49) ziehung[zahl-1] = True for i in range(49): if ziehung[i] == True: print(i+1) # Version 2 from random import * ziehung = [] for i in range(6): zahl = randint(1, 49) ziehung = ziehung + [zahl] print ziehung # Version 3 from random import * ziehung = [] for i in range(49): ziehung = ziehung + [False] for i in range(6): ok = False while not ok: zahl = randint(1, 49) if ziehung[zahl-1] == False: ok = True ziehung[zahl-1] = True for i in range(49): if ziehung[i] == True: print(i+1)

13 13 Lösungen - Aufgaben (siehe 8.1.2) Aufgabe 6: Wiederholte Lottoziehungen from random import * def tipp(): t = [ \ True, False, False, False, False, False, False, True,... ] return t def ziehung(): z = [] for i in range(49): z = z + [False] for i in range(6): ok = False while not ok: zahl = randint(1, 49) if z[zahl-1] == False: ok = True z[zahl-1] = True return z def richtige(z, t): r = 0 for i in range(49): if (t[i] == True) and (z[i] == True): r = r + 1 return r def simulation(n): t = tipp() haeufigkeiten = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0] i = 0 while i < n: z = ziehung() r = richtige(z, t) haeufigkeiten[r] = haeufigkeiten[r] + 1 i = i + 1 return haeufigkeiten def ausgabe(h): for i in range(7): print i, " Richtige: ", h[i] # Test haeufigkeiten = simulation(10000) ausgabe(haeufigkeiten)

14 14 Fachkonzept - Liste Eine Liste ist eine endliche Folge von Elementen, bei der man neue Elemente hinzufügen und vorhandene Elemente entfernen kann. Brot Butter Joghurt Schokolade Mehl Eier... Äpfel Zur Darstellung von Listen verwenden wir - wie in Python - eckige Klammern. Alle Elemente einer Liste werden mit Kommata getrennt. Eine besondere Liste ist die leere Liste. Sie enthält keine Elemente. Die Elemente einer Liste können (in unserer Darstellung hier) von beliebigem - also auch unterschiedlichem - Typ sein. Eine Liste kann selbst wieder Listen als Elemente haben. Listen können also geschachtelt werden. [1, 12, 21, 31, 37, 46] [] [1, 21, 25, 40, 44, 45, ("Zusatzzahl", 3), ("Superzahl", 5)] [[1, 12, 21, 31, 37, 46], [3, 8, 10, 30, 31, 49], [5, 12, 20, 22, 29, 40]]

15 15 Fachkonzept - Liste [10, 15, 21, 33, 37, 40] Element Index >>> L = [10, 15, 21, 33, 37, 40] >>> L[0] 10 >>> L[1] 15 lesender Zugriff >>> L = [10, 15, 21, 33, 37, 40] >>> L [10, 15, 21, 33, 37, 40] >>> L[4] = 36 >>> L [10, 15, 21, 33, 36, 40] schreibender Zugriff Die Elemente einer Liste sind (in unserer Darstellung hier) alle durchnummeriert. Die Nummerierung beginnt dabei mit 0. Die Nummer eines Listenelements wird auch Index genannt. Wir gehen (in unserer Darstellung hier) davon aus, dass ein Zugriff auf jedes Listenelement möglich ist. Wenn L eine Liste bezeichnet, dann beschreibt der Ausdruck L[i] das Listenelement mit der Nummer i.

16 16 Fachkonzept - Liste ['g', 't', 'e', 'c', 's', 'k', 'p'] Element Index >>> L = ['g', 't', 'e', 'c', 's', 'k', 'p'] >>> L[0:2] ['g', 't'] >>> L[2:5] ['e', 'c', 's'] >>> L[1:5] ['t', 'e', 'c', 's'] >>> L[3:3] [] Teillisten >>> L = ['g', 't', 'e', 'c', 's', 'k', 'p'] >>> L[2:] ['e', 'c', 's', 'k', 'p'] >>> L[:2] ['g', 't'] >>> L[:] ['g', 't', 'e', 'c', 's', 'k', 'p'] Wenn L eine Liste bezeichnet, dann beschreibt der Ausdruck L[i:j] die Liste, die alle Elemente der Ausgangsliste L mit den Nummern von i bis j-1 enthält. Beachte, dass diese Teilliste auch leer sein kann. 6 Teillisten

17 17 Fachkonzept - Liste ['g', 't', 'e', 'c', 's', 'k', 'p'] Element Index >>> L = ['g', 't', 'e', 'c', 's', 'k', 'p'] >>> M = ['a', 'g', 't'] >>> L + M ['g', 't', 'e', 'c', 's', 'k', 'p', 'a', 'g', 't'] >>> L + ['u'] ['g', 't', 'e', 'c', 's', 'k', 'p', 'u'] >>> [] + M ['a', 'g', 't'] Konkatenation >>> L = ['g', 't', 'e', 'c', 's', 'k', 'p'] >>> len(L) 7 >>> len([]) 0 >>> len([1, [2, 3]]) 2 Da Listen dynamisch wachsen oder schrumpfen können, benötigt man häufig eine Operation zur Bestimmung der Länge der Liste. Die Länge einer Liste beschreibt dabei die Anzahl der Listenelemente. Wenn L eine Listen bezeichnet, dann beschreibt der Ausdruck len(L) die Länge der Liste. 6 Bei der Konkatenation von Listen werden diese zu einer Gesamtliste verbunden. Wenn L und M zwei Listen bezeichnen, dann beschreibt der Ausdruck L+M die Liste, die zunächst alle Elemente von L und danach alle Elemente von M enthält. Länge

18 18 Übungen (siehe 8.1.4) Bearbeite die Aufgaben

19 19 Teil 2 Listen als Objekte

20 20 Einstieg - merkwürdiges Verhalten Im folgenden Python-Dialog wird ein Lotto-Tipp kopiert und anschließend etwas abgeändert. Was fällt auf? >>> tipp1 = [4, 13, 21, 33, 34, 42] >>> tipp2 = tipp1 >>> tipp2[1] = 8 >>> tipp2 [4, 8, 21, 33, 34, 42] >>> tipp1 [4, 8, 21, 33, 34, 42] >>> tipp1 = [4, 13, 21, 33, 34, 42] >>> tipp1 [4, 13, 21, 33, 34, 42] >>> tipp2 [4, 8, 21, 33, 34, 42] >>> tipp2[0] = 3 >>> tipp2 [3, 8, 21, 33, 34, 42] >>> tipp1 [4, 13, 21, 33, 34, 42]

21 21 Verwaltung von Listen mit Variablen Jedes Datenobjekt hat (in Python) eine Identitätsnummer, einen Typ und einen bestimmten Wert. >>> id([4, 13, 21, 33, 34, 42]) >>> type([4, 13, 21, 33, 34, 42]) >>> [4, 13, 21, 33, 34, 42] [4, 13, 21, 33, 34, 42] Variablen dienen in der Informatik dazu, Datenobjekte zu verwalten. Variablen werden an Datenobjekte angebunden, um die betreffenden Datenobjekte verwalten zu können. Eine Variable, die ein Datenobjekt referenziert, ist eine Art Name für das betreffende Datenobjekt. Mit dem Variablennamen kann man sich die Identitätsnummer, den Typ und den Wert des referenzierten Datenobjekts verschaffen. >>> tipp1 = [4, 13, 21, 33, 34, 42] >>> id(tipp1) >>> type(tipp1) >>> tipp1 [4, 13, 21, 33, 34, 42]

22 22 Verwaltung von Listen mit Variablen >>> tipp1 = [4, 13, 21, 33, 34, 42] >>> tipp2 = tipp1 >>> tipp2[1] = 8 >>> tipp2 [4, 8, 21, 33, 34, 42] >>> tipp1 [4, 8, 21, 33, 34, 42] >>> tipp1 = [4, 13, 21, 33, 34, 42] >>> tipp1 [4, 13, 21, 33, 34, 42] >>> tipp2 [4, 8, 21, 33, 34, 42] >>> tipp2[0] = 3 >>> tipp2 [3, 8, 21, 33, 34, 42] >>> tipp1 [4, 13, 21, 33, 34, 42]

23 23 Listen als Objekte >>> L = [] >>> L [] >>> L.append(3) >>> L [3] >>> L.append(5) >>> L [3, 5] >>> L.insert(1, 7) >>> L [3, 7, 5] >>> L.insert(0, 5) >>> L [5, 3, 7, 5] >>> L.remove(5) >>> L [3, 7, 5] >>> L.extend([4, 2]) >>> L [3, 7, 5, 4, 2] Listen sind (in Python) Objekte vom Typ list, die Daten verwalten und die dem Benutzer Operationen zur Verarbeitung der Daten zur Verfügung stellen. >>> L [3, 7, 5, 4, 2] >>> L.__len__() 5 >>> L.__getitem__(1) 7 >>> L.__setitem__(1, 8) >>> L [3, 8, 5, 4, 2] >>> L.__delitem__(1) >>> L [3, 5, 4, 2] >>> L.__len__() 4

24 24 Listenverarbeitung >>> L = [1, 2, 3] >>> L [1, 2, 3] >>> id(L) >>> L = L + [4] >>> L [1, 2, 3, 4] >>> id(L) >>> L = L[1:] >>> L [2, 3, 4] >>> id(L) >>> L = [1, 2] + L[1:] >>> L [1, 2, 3, 4] >>> id(L) >>> L = [1, 2, 3] >>> L [1, 2, 3] >>> id(L) >>> L[1] = 5 >>> L [1, 5, 3] >>> id(L) >>> L.remove(5) >>> L [1, 3] >>> id(L) >>> L.insert(1, 2) >>> L [1, 2, 3] >>> id(L) Erzeugung neuer Listen Veränderung einer bestehenden Listen L = ListenkonstruktorL.Listenoperation

25 25 Übungen (siehe 8.2.5) Bearbeiten Sie die Aufgaben des Abschnitts

26 26 Teil 3 Datenmodellierung mit Listen

27 27 Einstieg - Magische Quadrate Ein magisches Quadrat ist ein Zahlenschema, bei dem alle Zeilen-, Spalten- und Diagonalsummen gleich sind. >>> q = [[16, 5, 9, 4], [2, 11, 7, 14], [3, 10, 6, 15], [13, 8, 12, 1]] >>> q[0] [16, 5, 9, 4] >>> q[0][0] 16 >>> q[0][1] 5 >>> q[0][0] + q[0][1] + q[0][2] + q[0][3] 34 Darstellung mit Listen

28 28 Einstieg - Aufgaben (siehe 8.3.1) Entwickle eine Funktion zeilensumme(quadrat, i), eine Funktion spaltensumme(quadrat, i) und zwei Funktionen diagonalsumme_lr(quadrat) und diagonalsumme_rl(quadrat), mit deren Hilfe man die entsprechenden Summen bei einem gegebenen Zahlenschema berechnen kann. Entwickle auch eine Funktion, die überprüft, ob ein Zahlenschema ein magisches Quadrat darstellt. >>> q = [[16, 5, 9, 4], [2, 11, 7, 14], [3, 10, 6, 15], [13, 8, 12, 1]] >>> zeilensumme(q, 0) 34 >>> spaltensumme(q, 3) 34 >>> diagonalsumme_lr(q) 34 >>> magischesQuadrat(q) True

29 29 Lösung - Aufgaben (siehe 8.3.1) def zeilensumme(q, n): summe = 0 l = len(quadrat) i = 0 while i < l: summe = summe + q[n-1][i] i = i + 1 return summe def spaltensumme(q, n):... while i < l: summe = summe + q[i][n-1] i = i + 1 return summe def diagonalsumme_lr(q):... while i < l: summe = summe + q[i][i] i = i + 1 return summe def diagonalsumme_rl(q): summe = 0 l = len(quadrat) i = 0 while i < l: summe = summe + q[i][l-i-1] i = i + 1 return summe def magischesQuadrat(q): magisch = True s = diagonalsumme_lr(q) if diagonalsumme_rl(q) != s: magisch = False n = 0 while n < len(quadrat): if zeilensumme(q, n+1) != s: magisch = False if spaltensumme(q, n+1) != s: magisch = False n = n + 1 return magisch

30 30 Datenstrukturen # Lottoschein schein = [[3, 6, 19, 21, 38, 41], [4, 9, 17, 37, 38, 39], [18, 23, 28, 36, 38, 46]] Datenstrukturen ermöglichen es, strukturierte Daten als Einheit zu verwalten. Reihung aus Reihungen Darstellung mit Listen

31 31 Reihung / Verbund # Reihung [10, 15, 21, 33, 37, 40] Bei einer Reihung werden Daten desselben Typs zu einer Einheit zusammengefasst. Reihung Bei einem Verbund werden Daten zu einer Einheit zusammengefasst, die von unterschiedlichem Typ sein können. # Verbund ["Albert", "Einstein", 1879, 1955] Darstellung als Liste Verbund # Verbund ("Albert", "Einstein", 1879, 1955) Darstellung als Tupel

32 32 Schachtelung von Reihung u. Verbund # Schachtelung von Reihung und Verbund [["Albert", "Einstein", [14, 3, 1879], [18, 5, 1955]],...] Reihungen und Verbunde können beliebig ineinander geschachtelt werden. Reihung Zeichenkette Verbund von Zahlen Verbund Darstellung mit Listen

33 33 Mehrdimensionale Reihung # zweidimensionale Reihung [[16, 5, 9, 4], [2, 11, 7, 14], [3, 10, 6, 15], [13, 8, 12, 1]] Mehrdimensionale Reihungen sind Reihungen von Reihungen.... Reihung Darstellung mit Listen

34 34 Dynamische Datenstrukturen # Liste ["Anna", "Peter", "Tim", "Greta", "Katrin"] Dynamische Datenstrukturen sind Datenstrukturen, die sich dynamisch verändern können. Liste Baum Darstellung mit Listen # Baum ["Andreas", \ ["Peter", \ [Matthias], \ [Katharina]], \ ["Christiane", \ ["Winfried"], \ ["Ursula"]]] # Graph [ \ ["TR", ["KO", "KL"]], \ ["KO", ["TR", "MZ", "KL"]], \ ["MZ", ["KO", "KL"]], \ ["KL", ["TR", "KO", "MZ"]] \ ] Graph

35 35 Übungen (siehe 8.3.3) Bearbeiten Sie Aufgabe 3 (Simulation eines Tischtennisspiels) oder Aufgabe 4 (Irrlauf in Mannheim).

36 36 Teil 4 Stapel

37 37 Einstieg - Rechenterme ( ) * 27 Rechenterm Auswertung eines Rechenterms

38 38 Einstieg - Aufgaben (siehe 8.4.1) ( ) * 27 Aufgabe 1: Darstellung von Rechentermen mit Listen Aufgabe 2: Algorithmus zur Auswertung von Rechentermen [27, 79, 92, "-", "*"]

39 39 Stapel Ein Stapel ist eine Datenstruktur, die als Behälter für Datenobjekte dient und nach dem LIFO- Prinzip (last in, first out) arbeitet. Stapeloperationen: top(): liefert das oberste Datenobjekt (sofern der Stapel nicht leer ist) push(e): legt das übergebene Datenobjekt oben auf den Stapel pop(): entfernt das oberste Stapelobjekt (sofern der Stapel nicht leer ist)

40 40 Implementierung als Klasse class Stapel(object): def __init__(self): self.liste = [] def isEmpty(self): if self.liste == []: return True else: return False def push(self, element): self.liste = [element] + self.liste def pop(self): if not self.isEmpty(): self.liste = self.liste[1:] def top(self): if self.isEmpty(): return None else: return self.liste[0] def size(self): return len(self.liste) def getStapel(self): return self.liste def setStapel(self, liste): self.liste = liste >>> s = Stapel() >>> s.push(6) >>> s.getStapel() [6] >>> s.push(3) >>> s.getStapel() [3, 6] >>> s.top() 3 >>> s.pop() >>> s.getStapel() [6]

41 41 Übungen (siehe 8.4.3/8.4.4) 8.4.3: Aufgabe 1: Testen Sie die Stapeloperationen. >>> t = Stapel() >>> t.setStapel([27, 79, 92, "-", "*"]) >>> s = Stapel() >>> print t.getStapel() [27, 79, 92, '-', '*'] >>> print s.getStapel() [] >>> e = t.top() >>> s.push(e) >>> t.pop() >>> print t.getStapel() [79, 92, '-', '*'] >>> print s.getStapel() [27] : Aufgabe 1: Die in den Abbildungen gezeigten Operationen sollen mit Hilfe von zwei Stapel-Objekten durchgespielt werden.

42 42 Übungen (siehe 8.4.3/8.4.4) 8.4.4: Aufgabe 2: Ergänzen Sie die Implementierung, so dass der folgende Python-Dialog möglich wird. Testen Sie die Funktion auswerten auch mit anderen Termen. >>> auswerten([27, 79, 92, "-", "*"]) T: [27, 79, 92, '-', '*'] S: [] T: [79, 92, '-', '*'] S: [27] T: [92, '-', '*'] S: [79, 27] T: ['-', '*'] S: [92, 79, 27] T: [13, '*'] S: [27] T: ['*'] S: [13, 27] T: [351] S: []... def auswerten(term): t = Stapel() t.setStapel(term) s = Stapel() while t.size() > 0: print "T:", t.getStapel() print "S:", s.getStapel() print e = t.top() t.pop() if type(e) == int: s.push(e) else:... print "T:", t.getStapel() print "S:", s.getStapel() print return s.top()

43 43 Lösungen (siehe 8.4.3/8.4.4) 8.4.4: Aufgabe 1: >>> t = Stapel() >>> t.setStapel([27, 79, 92, "-", "*"]) >>> s = Stapel() >>> print t.getStapel() [27, 79, 92, '-', '*'] >>> print s.getStapel() [] >>> e = t.top() >>> print e 27 >>> t.pop() >>> s.push(e) >>> print t.getStapel() [79, 92, '-', '*'] >>> print s.getStapel() [27]... >>> e = t.top() >>> print e - >>> m = s.top() >>> s.pop() >>> n = s.top() >>> s.pop() >>> t.push(m-n) >>> print t.getStapel() [13, '-', '*'] >>> print s.getStapel() [27] >>>...

44 44 Lösungen (siehe 8.4.3/8.4.4) def auswerten(term): t = Stapel() t.setStapel(term) s = Stapel() while t.size() > 0: print "T:", t.getStapel() print "S:", s.getStapel() print e = t.top() t.pop() if type(e) == int: s.push(e) else:... print "T:", t.getStapel() print "S:", s.getStapel() print return s.top() m = s.top() s.pop() n = s.top() s.pop() op = e if op == "+": t.push(m+n) elif op == "-": t.push(m-n) elif op == "*": t.push(m*n) elif op == "/": t.push(m/n)

45 45 Teil 5 Schlangen

46 46 Einstieg - Warteschlange Simulation einer Druckerwarteschlange Beim Drucken von Aufträgen kann es vorkommen, dass neue Druckaufträge den Drucker erreichen, bevor der aktuelle Druckauftrag abgearbeitet ist. Drucker sehen für diesen Fall einen Puffer vor, in dem die neuen Druckaufträge zwischengespeichert werden. >>> simuliereDrucken() S: ['Eine'] S: ['Eine', 'Warteschlange'] S: ['Eine', 'Warteschlange', 'bildet'] S: ['Eine', 'Warteschlange', 'bildet', 'sich,'] Eine S: ['Warteschlange', 'bildet', 'sich,', 'wenn'] S: ['Warteschlange', 'bildet', 'sich,', 'wenn', 'mehr'] Warteschlange S: ['bildet', 'sich,', 'wenn', 'mehr', 'Anforderungen'] bildet sich, wenn S: ['mehr', 'Anforderungen', 'pro'] S: ['mehr', 'Anforderungen', 'pro', 'Zeiteinheit']...

47 47 Schlange Eine Schlange ist eine Datenstruktur, die als Behälter für Datenobjekte dient und nach dem FIFO-Prinzip (first in, first out) arbeitet. Schlangenoperationen: erstes(): liefert das erste Schlangenelement (sofern die Schlange nicht leer ist) mitLetztem(e): fügt das übergebene Schlangenelement hinten in die Schlange ein ohneErstes(): entfernt das erste Schlangenelement (sofern die Schlange nicht leer ist)

48 48 Implementierung als Klasse class Schlange(object): def __init__(self): self.liste = [] def istLeer(self): if self.liste == []: return True else: return False def mitLetztem(self, element): self.liste = self.liste + [element] def ohneErstes(self): if not self.istLeer(): self.liste = self.liste[1:] def erstes(self): if self.istLeer(): return None else: return self.liste[0] def anzahlElemente(self): return len(self.liste) def getSchlange(self): return self.liste def setSchlange(self, liste): self.liste = liste >>> s = Schlange() >>> s.getSchlange() [] >>> s.mitLetztem(4) >>> s. mitLetztem(7) >>> s.getSchlange() [4, 7] >>> s.erstes() 4 >>> s.ohneErstes() >>> s.getSchlange() [7]

49 49 Übungen (siehe 8.5.3/8.5.4) 8.5.3: Aufgabe 1: Testen Sie die Schlangenoperationen.

50 50 Übungen (siehe 8.5.3/8.5.4) 8.5.4: Aufgabe 1: Ziel ist es, eine Druckerwarteschlange zu simulieren. Dabei sollen Python-Protokolle der folgenden Art entstehen.... >>> simuliereDrucken() S: ['Eine'] S: ['Eine', 'Warteschlange'] S: ['Eine', 'Warteschlange', 'bildet'] S: ['Eine', 'Warteschlange', 'bildet', 'sich,'] Eine S: ['Warteschlange', 'bildet', 'sich,', 'wenn'] S: ['Warteschlange', 'bildet', 'sich,', 'wenn', 'mehr'] Warteschlange S: ['bildet', 'sich,', 'wenn', 'mehr', 'Anforderungen'] bildet sich, wenn S: ['mehr', 'Anforderungen', 'pro'] S: ['mehr', 'Anforderungen', 'pro', 'Zeiteinheit'] S: ['mehr', 'Anforderungen', 'pro', 'Zeiteinheit', 'an'] mehr S: ['Anforderungen', 'pro', 'Zeiteinheit', 'an', 'ein'] S: ['Anforderungen', 'pro', 'Zeiteinheit', 'an', 'ein', 'System'] Anforderungen S: ['pro', 'Zeiteinheit', 'an', 'ein', 'System', 'gerichtet'] pro Zeiteinheit an ein System gerichtet S: ['werden,'] S: ['werden,', 'als'] S: ['werden,', 'als', 'dieses']... werden, als dieses S: ['in'] in S: ['der'] der S: ['selben'] S: ['selben', 'Zeit'] selben Zeit S: ['verarbeiten'] verarbeiten S: ['kann.'] kann.

51 51 Übungen (siehe 8.5.3/8.5.4) 8.5.4: Aufgabe 1:... Analysiere zunächst den Quelltext und kläre folgende Fragen: * Woher stammen die als Druckaufträge dienenden Zeichenketten? * Welche Rolle spielt der Zufallsgenerator bei der Simulation? Vervollständige den Quelltext und teste das Simulationsprogramm. # -*- coding: iso *- from schlange import * from random import * def simuliereDrucken(): f = file("warteschlange.txt", 'r') text = f.read() liste = text.split() s = Schlange() i = 0 while (len(liste) > 0) or not s.istLeer(): z = randint(0, 1) if z == 0: # Auftrag drucken else: # Auftrag erteilen

52 52 Lösungen (siehe 8.4.3/8.4.4) 8.5.4: Aufgabe 1: # -*- coding: iso *- from schlange import * from random import * def simuliereDrucken(): f = file("warteschlange.txt", 'r') text = f.read() liste = text.split() s = Schlange() i = 0 while (len(liste) > 0) or not s.istLeer(): z = randint(0, 1)... if z == 0: # Drucken if not s.istLeer(): auftrag = s.erstes() s.ohneErstes() print auftrag else: # Auftrag if len(liste) > 0: auftrag = liste[0] liste = liste[1:] s.mitLetztem(auftrag) print "S:", s.getSchlange()

53 53 Teil 6 Miniprojekt: Monoalphabetische Chiffriersysteme

54 54 Einstieg - Caesar-Verschlüsselung A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C Schlüssel: D Quelltext: SALVECAESAR Geheimtext: VDOYHFDHVDU PYLZFOWBNQCYBUVNCBLGYC HYAYBYCGMWBLCZNYHNTCZY LN VDOYH FDHVDU

55 55 Fachkonzept - Chiffriersystem A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C Ein Chiffriersystem dient dazu, Klartexte in Geheimtexte und umgekehrt Geheimtexte in Klartexte zu transformieren. Zum Ver- und Entschlüsseln (man sagt auch Codieren und Decodieren) wird in der Regel jeweils ein Schlüssel benötigt. Verschiebe-Chiffriersystem

56 56 Fachkonzept - Chiffriersystem Ein monoalphabetisches Chiffriersystem ist ein Chiffriersystem, bei dem jedem Buchstaben des Alphabets ein anderer Buchstabe des Alphabets fest zugeordnet wird. A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z G O Z L N C R E W K A X B J F Q Y I S M V D U P H T monoalphabetisches Chiffriersystem

57 57 Exkurs - Python-Implementierung # -*- coding: iso *- def buchstabeCodieren(c, v): m = ord(c) n = m + v if n > 90: n = n - 26 d = chr(n) return d def buchstabeDecodieren(c, v): m = ord(c) n = m - v if n < 65: n = n + 26 d = chr(n) return d def textCodieren(text, v): geheimtext = '' for c in text: geheimtext = geheimtext + buchstabeCodieren(c, v) return geheimtext def textDecodieren(text, v): klartext = '' for c in text: klartext = klartext + buchstabeDecodieren(c, v) return klartext def textLaden(dateiname): f = file(dateiname, 'r') text = f.read() return text def textVorbereiten(text): grossText = text.upper() bereinigterText = '' for c in grossText: if (ord(c) >= 65) and (ord(c) <= 90): bereinigterText = bereinigterText + c return bereinigterText

58 58 Projekt - Auftrag Entwickeln Sie ein Programm, mit dem man ein beliebiges monoalphabetisches Chiffriersystem betreiben kann. Mit diesem Programm soll man beliebige Texte mit einer beliebigen festen Zuordnungstabelle verschlüsseln und auch wieder entschlüsseln können. A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z G O Z L N C R E W K A X B J F Q Y I S M V D U P H T Zusätzlich soll es das System ermöglichen, die Häufigkeiten von Buchstaben in Texten zu ermitteln, so dass man das System auch nutzen kann, um eine unbekannte Zuordnungstabelle zu rekonstruieren.

59 59 Projekt - Modellierung Zunächst ist zu klären, wie eine Zuordnungstabelle und eine Häufigkeitstabelle mit Datenstrukturen beschrieben werden soll. A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z G O Z L N C R E W K A X B J F Q Y I S M V D U P H T ['G', 'O', 'Z', 'L', 'N', 'C', 'R', 'E', 'W',..., 'T'] A B C D E F G H I... Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z [ 3, 3, 1, 0, 1, 9, 1, 2, 3,..., 0] A B C D E F G H I... Z Zuordnungstabelle Häufigkeitstabelle

60 60 Projekt - Modellierung Zusätzlich muss geklärt werden, welche Operationen mit Hilfe von Funktionen implementiert werden sollen. def zeichenCodieren(c, Z):... return... def zeichenDecodieren(c, Z):... return... def textCodieren(text, Z):... return... def textDecodieren(text, Z):... return... Für weitere Informationen siehe def textAnalysieren(text):... return...

61 61 Projekt - Implementierung Im vorangegangenen Abschnitt sind eine Reihe von Funktionen / Prozeduren modelliert worden. Diese müssen jetzt alle implementiert werden. Natürlich könnte jetzt jeder für sich die Sache anpacken. Bei größeren Software-Entwicklungsprojekten teilt man sich in solch einer Situation die Arbeit auf. Das spart dann viel Zeit - sofern alle gute Arbeit leisten. Probieren Sie das auch mal hier aus. Jeder ist für eine Teilaufgabe zuständig und verantwortlich. Wenn alle Funktionen / Prozeduren fertig sind, dann kann das Gesamtsystem aus den Teilen zusammengebaut werden.

62 62 Projekt - Testen Mit dem entwickelten (De-) Chiffriersystem soll der folgende Geheimtext decodiert werden. Tipp: bello. OFVTOFRRLSVLAXLVIKSLXSLRSOSXSLRXSLVSVIFJDV QSUDZVSVILSQSROSKISVFVISKSVILSFWBLXFVSKBVI ISVIKLXXSVILSILSLVLZKSKSLOSVSVAEKFYZSCSRXS VLVBVASKSKOFRRLSKOSVFVVXUSKISVALSFRRSBVXSK AYZSLISVALYZBVXSKSLVFVISKLVAEKFYZSOSUDZVZS LXSVBVIOSASXTSVILSOFRRLSKXKSVVXJDVISVFWBLX FVSKVISKGRBAAOFKDVVSJDVISVQSROSKVILSMFKVSB VIILSASLVSILSXFEGSKAXSVFRRILSASKALVIILSQSR OSKBVITUFKISAUSOSVUSLRALSJDVISKCBRXBKBVIRS QSVAUSLASISKKDSMLAYZSVEKDJLVTFMUSLXSAXSVSV XGSKVXALVIASZKASRXSVCFBGRSBXSTBILSASVCDMMS VBVIIFAUFATBKJSKUSLYZRLYZBVOISKOSMBSXSKGBS ZKXSLVGBSZKSVBVIUSLRALSISVOSKMFVSVILSNSVAS LXAISAKZSLVSARSQSVBVIMLXISVSVALSAXFSVILOCK LSOGBSZKSVASZKVFZSALVIFBAILSASMOKBVIBSQSKX KSGGSVFBYZILSZSRJSXLSKILSBSQKLOSVOFRRLSKFV XFEGSKCSLXUSLRALSALYZLVGFAXXFSORLYZSVOSGSY ZXSVMLXISVOSKMFVSVMSAASVUDQSLALSILSASSVXUS ISKJDVLZKSMOSQLSXGSKVZFRXSVDISKASRQAXLVISK SVOSQLSXCFSMEGSVSLVXSLRIFJDVISVULSOSAFOXIL SOFRRLSKQSUDZVSVGLVISXASLVSVBKAEKBVOFVISKK ZDVSULKIQSOKSVTXJDVISKOFKDVVSISMDTSFVBVIIS MOSQLSXISKQSROSKSKAXKSYCXALYZJDVISVASWBFVS... KVBVIZSRJSXLSKVZLVQLATBMKZSLVBVITSLOXVFYZV DKISVIFAOSQLSXISKQSROSKQSOLVVXFVISVFSBAASK AXSVOKSVTSVOFRRLSVASKAXKSYCXALYZQLAFVISVBV XSKSVXSLRISAKZSLVABVIRLSOXVFYZVDKIDAXSVFWB LXFVLSVSKAXKSYCXALYZJDVISMGRBAAOFKDVVSQLAF VILSEHKSVFSSVBVITBISMNSVLOSVXSLRISADTSFVAI SKQLAAEFVLSVKSLYZXSARLSOXLVKLYZXBVOVDKIUSA XSV

63 63 Projekt - Erweiterungen Die Zuordnungstabelle soll mit Hilfe eines Schlüsselwortes erzeugt werden. A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z I N T A L S E R U G V O B C D F H J K M P Q W X Y Z Schlüsselwort: INITIALISIERUNGVONVARIABLEN


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