Institut für Informatik
Michael WAND
Christian ALI MEHMETI-GÖPEL
Sommersemester 2021 • DIGITAL
Einführung in die Softwareentwicklung
Letzte Änderung : 20:33 Uhr, 08 April 2021
Hinweise zur Bearbeibung der Übungsblätter
Es wird erwartet, dass der Code vor der Abgabe erfolgreich kompiliert und getestet wird; bei nicht kompilierendem Code darf keine Korrektur erwartet werden. Es wird weiterhin erwartet, dass gewisse Grundkonzepte der Codeformatierung eingehalten werden (z.B. Einrücken, Kommentieren), siehe Coding Style. Das korrekte Verwalten des Speichers wird ebenfalls gefordert; Memoryleaks etc. können zu Punktabzug führen.
Offizielle Gitlab-Gruppe
Die offizielle Gitlab-Gruppe der Veranstaltung, in der alle Abgaben erfolgen ist auf gitlab.rlp.net/eis21 zu finden.
Liste aller Übungsaufgaben
Im folgenden finden Sie eine Liste aller Übungsaufgaben in einer Übersicht. Zum Durcharbeiten werden die Lehreinheiten empfohlen.
Blatt 01
[1] Meine persönliche Empfehlung ist im Laufe des Studiums ein kleines Feature in ein größeres Softwareprojekt mittels Git einzupflegen (selbstverständlich tun dies im Schnitt 9 von 10 Studenten </ironie>). So viel ist sicher: Beim Lesen von Code und beim Stellen eines „Pull-Request“ lernt man Aspekte der Softwareentwicklung kennen, die kleine und abgeschlossene Übungeneinheiten wie unsere nicht vermitteln können. Damit Sie dies also selbstständig tun können, kümmern wir uns innerhalb dieser Übung also um die Basis.
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Übungsblatt: Hello EiS
Abgabe: 27. April 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Übungsblatt
Auf diesem Übungsblatt geht es darum, Sie mit den neuen Tools vertraut zu machen.
Auf diesem Übungsblatt geht es darum, Sie mit den neuen Tools vertraut zu machen.
- Da wäre zum einen die Editor-Compiler-Kombination, die Sie selbstverständlich selbst wählen können; Unterstützung zusichern können wir allerdings nur für CLANG (clang++) (Mac/Linux) und den Visual-Studio Compiler (Windows). Hier werden sicher die größten Schwierigkeiten entstehen. Das Blatt ist so gedacht, dass Sie die Möglichkeit haben, während der Praktika mit den Assistenten eventuell aufkommende Probleme mit dem Setup zu klären.
- Ein anderes wichtiges Thema ist die Auseinandersetzung mit einem Versionsverwaltungssystem. Wir werden ein Tool verwenden, das insbesondere in den letzten Jahren zum Vorreiter avancierte, Git. Da immer mehr größere Softwareprojekte auch auf dieses dezentrale Versionsverwaltungssystem umsteigen, kann ich Ihnen nur empfehlen, sich damit gut auseinanderzusetzen.1
[1] Meine persönliche Empfehlung ist im Laufe des Studiums ein kleines Feature in ein größeres Softwareprojekt mittels Git einzupflegen (selbstverständlich tun dies im Schnitt 9 von 10 Studenten </ironie>). So viel ist sicher: Beim Lesen von Code und beim Stellen eines „Pull-Request“ lernt man Aspekte der Softwareentwicklung kennen, die kleine und abgeschlossene Übungeneinheiten wie unsere nicht vermitteln können. Damit Sie dies also selbstständig tun können, kümmern wir uns innerhalb dieser Übung also um die Basis.
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Blatt 02
Übungsblatt: Low-Level-Repräsentation von Zahlen
Abgabe: 4. Mai 2021, 14:00 Uhr
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Auf diesem Übungsblatt schauen wir uns die Basisdatentypen von C++ im Detail an und gewinnen so schon mal einen ersten Einblick in die Machinennähe von C++.
Auf diesem Übungsblatt schauen wir uns die Basisdatentypen von C++ im Detail an und gewinnen so schon mal einen ersten Einblick in die Machinennähe von C++.
- Zum einen schauen wir uns an, wie Operationen direkt auf Bit-Ebene in C++ bewerkstelligt werden können. Als konkrete Anwendung schauen wir uns an, wie beliebig große Zahlen im Dezimalsystem als Binärcode so codiert werden können, dass eine Ausgabe schnell möglich ist.
- Reelle Zahlen können auf dem Rechner durch Fließkommazahlen approximiert werden. Das Problem dabei ist, dass die Art der Darstellung im Rechner zu einigen Eigenheiten beim Rechnen führt. Welche genau das sind, und wieso sie etwa einige dieser Bugs verhindern könnten, lernen wir in der zweiten Aufgabe.
Blatt 03
Übungsblatt: Erste Strukturen
Abgabe: 11. Mai 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Übungsblatt
Das Hauptthema auf diesem Übungsblatt sind Strukturen (
Einerseits eignen sich
In der zweiten Aufgabe schauen wir uns im Gegensatz dazu
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Das Hauptthema auf diesem Übungsblatt sind Strukturen (
structs), die wir zwar bereits in der letzten Lehreinheit kennen gelernt haben, aber noch nicht dazu gekommen sind damit zu arbeiten. Einerseits eignen sich
structs hervorragend dafür, zusammengehörige Daten zu gruppieren. Das erleichtert beispielsweise das Weitergeben von Daten zwischen Funktionen. Insbesondere beim Einlesen von Daten aus einer externen Quelle bietet es sich an, diese in ein für C++ verständliches Format zu überführen. Dazu entwickeln wir eine (sehr kleine) Software zum Auswerten biologischer Daten. In der zweiten Aufgabe schauen wir uns im Gegensatz dazu
structs an, die wir zum Rechnen verwenden können; wir implementieren eine Erweiterung von uint64_t auf die dreifache Speichergröße von \(192\)-bits.
Blatt 04
Übungsblatt: Zeiger & Referenzen
Abgabe: 18. Mai 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Übungsblatt
Auf diesem Übungsblatt untersuchen wir eines der Killer-Features von C++: Zeiger.
Wie in der Vorlesung (innerhalb von Lehreinheit 03) bereits erklärt sind Zeiger „Verweise“ auf Speicher. Wenn man es geschickt anstellt, kann man mithilfe von Zeigern verhindern sehr große Datenmengen zu kopieren oder man kann auf mannigfaltige Arten und Weisen neue Datenstrukturen implementieren. Eine sehr bekannte ist die Datenstruktur doppelt verkettete Liste (siehe Aufgabe 3). Bevor wir dies jedoch tun, müssen wir die Eigenheiten der Sprache C++ zum Thema Zeiger und Referenzen etwas genauer anschauen (Aufgabe 1) und verstehen, welche Probleme konzeptionell dabei tatsächlich entstehen können (Aufgabe 2).
Auf diesem Übungsblatt untersuchen wir eines der Killer-Features von C++: Zeiger.
Wie in der Vorlesung (innerhalb von Lehreinheit 03) bereits erklärt sind Zeiger „Verweise“ auf Speicher. Wenn man es geschickt anstellt, kann man mithilfe von Zeigern verhindern sehr große Datenmengen zu kopieren oder man kann auf mannigfaltige Arten und Weisen neue Datenstrukturen implementieren. Eine sehr bekannte ist die Datenstruktur doppelt verkettete Liste (siehe Aufgabe 3). Bevor wir dies jedoch tun, müssen wir die Eigenheiten der Sprache C++ zum Thema Zeiger und Referenzen etwas genauer anschauen (Aufgabe 1) und verstehen, welche Probleme konzeptionell dabei tatsächlich entstehen können (Aufgabe 2).
Gut zu Wissen In aktuellem C++-Code gibt es kaum noch gute Gründe dafür die hier behandelten „raw“-Pointer zu verwenden! Dies gilt insbesondere für high-level Anwendungen. Einen guten Grund werden wir jedoch auf dem nächsten Blatt zum Thema „Speicherverwaltung“ beleuchten. Ziel dieses Blattes ist es also insbesondere nicht zu lernen guten C++-Code zu schreiben, sondern die internen Mechanismen zu verstehen, die wir auf den kommenden Blättern verwenden werden.
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Blatt 05
Übungsblatt: Templates & Speicherverwaltung
Abgabe: 25. Mai 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Übungsblatt
Auf diesem Übungsblatt arbeiten wir drei weitere wichtige Inhalte von Lerneinheit 04 auf, Templates, Speicherverwaltung und Containerklassen.
Wir haben im Tutorium 04 und auf dem Übungsblatt 04 zwei „Orte“ zum Speichern von Daten in C++ kennen gelernt:
Das Hauptproblem von raw-Pointern ist die einfache Frage, wer sich um das Löschen der unnötigen Objekte kümmert. In Sprachen wie Python oder Java stellt sich die Frage meistens nicht. Dort kümmert sich ein Mechanismus namens Garbage Collector um das Aufräumen des Speichers.1
Auf diesem Blatt werden wir den Begriff der Speicherverwaltung (aus Vorlesung C07) aus zwei verschiedenen Sichtweisen betrachten.
Und übrigens: Die Strukturen
[1] Dabei werden periodisch alle Objekte darauf geprüft, ob es noch einen Zeiger gibt, der darauf zeigt. Alle „freistehenden“ Objekte können demnach gelöscht werden. In C++ gibt es diesen Mechanismus nicht von Haus aus.
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Auf diesem Übungsblatt arbeiten wir drei weitere wichtige Inhalte von Lerneinheit 04 auf, Templates, Speicherverwaltung und Containerklassen.
Wir haben im Tutorium 04 und auf dem Übungsblatt 04 zwei „Orte“ zum Speichern von Daten in C++ kennen gelernt:
- Stack: Die Größe des Speichers eines Arrays ist hier zur Compile-Zeit fest und vor allem wird der Stackspeicher (u.a. durch das Betriebssystem) begrenzt.
- Heap bzw. Free Store: Der dynamische Speicher ist im Grunde nur durch den RAM des ausführenden Rechners beschränkt und wird durch
newangesprochen.
Das Hauptproblem von raw-Pointern ist die einfache Frage, wer sich um das Löschen der unnötigen Objekte kümmert. In Sprachen wie Python oder Java stellt sich die Frage meistens nicht. Dort kümmert sich ein Mechanismus namens Garbage Collector um das Aufräumen des Speichers.1
Auf diesem Blatt werden wir den Begriff der Speicherverwaltung (aus Vorlesung C07) aus zwei verschiedenen Sichtweisen betrachten.
- A1: Als erstes starten wir damit zu verstehen, wie eines der „high-level“ Features in Python, nämlich Tupel, in C++ realisiert werden können. Aus einer high-level perspektive sind dies nämlich Konstrukte, die den Speicher verschiedenartiger Objekte zu einem gemeinsamen Objekt vereinen.
- A2: Als nächstes Kapseln wir etwas aus dem „low-level“ Bereich ab, um uns zukünftig Arbeit und mögliche Fehler zu ersparen; Wir möchten das Problem lösen, dass Arrays in C++ statisch sind und implementieren daher eine abgekapselte Version eines dynamischen Arrays, wie es auch etwa aus Python in Form von Lists bekannt ist.
Und übrigens: Die Strukturen
std::tuple und std::vector, die auf diesem Blatt (natürlich vereinfacht) nachimplementiert werden, dürfen ab dem nächsten Übungsblatt in jeder Lösung mit verwendet werden, sofern es sich anbietet.[1] Dabei werden periodisch alle Objekte darauf geprüft, ob es noch einen Zeiger gibt, der darauf zeigt. Alle „freistehenden“ Objekte können demnach gelöscht werden. In C++ gibt es diesen Mechanismus nicht von Haus aus.
Blatt 06
Übungsblatt: Einführung OOP
Abgabe: 1. Juni 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Übungsblatt
Dieses Aufgabenblatt soll eine Einführung in die Objektorientierte Programmierung darstellen.
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Dieses Aufgabenblatt soll eine Einführung in die Objektorientierte Programmierung darstellen.
- Dazu schauen wir uns als erstes an in welche Probleme man laufen kann, wenn man damit anfängt Klassen in Headerfiles zu deklarieren.
- Als nächstes möchten wir das Konzept der Polymorphie und Vererbung (zwei Grundpfeiler der OOP, siehe Vorlesung zu LE06) an einem einfachen Beispiel nachvollziehen.
- Zuletzt vertiefen wir unser Verständnis der Kapselung. Dies ist die dritte der in der Vorlesung genannten grundlegenden Ideen der objektorientierten Programmierung. Notiz am Rande: die Kapselungsidee haben Sie bereits auf den letzten Blättern kennen gelernt, wenn auch nicht unbedingt explizit unter diesem Namen. ;)
Blatt 07a
Übungsblatt: Projektaufgabe Planung + Grundgerüst
Abgabe: 15. Juni 2021, 14:00 Uhr
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Softwareengineering muss geübt werden.
In diesem Praxisorientierten Übungsblatt bekommen Sie die Möglichkeit ein etwas größeres Softwareengeneeringprojekt durchzuführen. Dabei wird im Gegensatz zur Funktionalität die genaue Struktur des Projektes nicht spezifiziert, weshalb es sich um eine Kreativaufgabe handelt. Bitte beachten Sie, dass es sich besonders bei dieser Übung um eine Gruppenarbeit handelt wobei es das Ziel ist es dass jede Lerngruppe jeden Schritt von der Konzeption bis zum finalen Code gemeinsam löst.
Die Aufgabe teilt sich in drei Teile auf.
Die Aufgabe teilt sich in Planung, Umsetzung und Erweiterung auf. Bei der Planung geht es darum, die grobe Struktur und das Zusammenspiel der verschiedenen Klassen zu erklären. Im Umsetzungsteil soll dieser abstrakte Plan als Code implementiert werden. Einer der schwersten Aspekte des Softwareengineering ist es Code zu schreiben, der flexibel und wartbar ist. Aus diesem Grund haben wir eine Erweiterung als letzten Teil der Übung angedacht: nach Fertigstellung des Hauptprojektes soll ein weiteres Feature eingebaut werden. Falls ihr Code gut gestaltet ist, sollte Ihnen dies leichter fallen. Nach einer Woche Bearbeitungszeit erscheint der Erweiterungsteil der Aufgabe. Die Erweiterung im Vorhinein nicht zu kennen ist hier teil der Übung.
Ablauf
In diesem Übungsblatt sollen Sie das Projekt planen und das Grundgerüst erarbeiten. Nach einer Woche erscheint ein weiteres Übungsblatt zum Erweiterungsteil der Übung, in dem weitere Features zu Ihrem Projekt hinzugefügt werden. Das komplette Projekt hat einer Bearbeitungszeit von zwei Wochen. Die Abgabe der beiden Teile erfolgt in ein einziges Repository.
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Softwareengineering muss geübt werden.
In diesem Praxisorientierten Übungsblatt bekommen Sie die Möglichkeit ein etwas größeres Softwareengeneeringprojekt durchzuführen. Dabei wird im Gegensatz zur Funktionalität die genaue Struktur des Projektes nicht spezifiziert, weshalb es sich um eine Kreativaufgabe handelt. Bitte beachten Sie, dass es sich besonders bei dieser Übung um eine Gruppenarbeit handelt wobei es das Ziel ist es dass jede Lerngruppe jeden Schritt von der Konzeption bis zum finalen Code gemeinsam löst.
Die Aufgabe teilt sich in drei Teile auf.
Die Aufgabe teilt sich in Planung, Umsetzung und Erweiterung auf. Bei der Planung geht es darum, die grobe Struktur und das Zusammenspiel der verschiedenen Klassen zu erklären. Im Umsetzungsteil soll dieser abstrakte Plan als Code implementiert werden. Einer der schwersten Aspekte des Softwareengineering ist es Code zu schreiben, der flexibel und wartbar ist. Aus diesem Grund haben wir eine Erweiterung als letzten Teil der Übung angedacht: nach Fertigstellung des Hauptprojektes soll ein weiteres Feature eingebaut werden. Falls ihr Code gut gestaltet ist, sollte Ihnen dies leichter fallen. Nach einer Woche Bearbeitungszeit erscheint der Erweiterungsteil der Aufgabe. Die Erweiterung im Vorhinein nicht zu kennen ist hier teil der Übung.
Ablauf
In diesem Übungsblatt sollen Sie das Projekt planen und das Grundgerüst erarbeiten. Nach einer Woche erscheint ein weiteres Übungsblatt zum Erweiterungsteil der Übung, in dem weitere Features zu Ihrem Projekt hinzugefügt werden. Das komplette Projekt hat einer Bearbeitungszeit von zwei Wochen. Die Abgabe der beiden Teile erfolgt in ein einziges Repository.
Blatt 07b
Übungsblatt: Projektaufgabe Erweiterung
Abgabe: 15. Juni 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Übungsblatt
In diesem Übungsblatt werden nun einige Features auf das Grundgerüst der letzten Woche gebaut.
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In diesem Übungsblatt werden nun einige Features auf das Grundgerüst der letzten Woche gebaut.
Blatt 08
Übungsblatt: Weitere Architekturbeispiele & Lambda-Ausdrücke
Abgabe: 22. Juni 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Übungsblatt
Auf diesem Übungsblatt möchten wir uns weitere möglichkeiten Ansehen mehr Struktur in Code zu bringen. Als erstes schauen wir uns dazu das Decorator-Pattern am Beispiel von Streams an, das uns ermöglicht beliebig komplexe Klassen durch Verschachtelung zu generieren. Im zweiten Teil des Blattes schauen wir uns an, wie funktionale(re)r Code mittels C++ realisiert werden kann.
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Auf diesem Übungsblatt möchten wir uns weitere möglichkeiten Ansehen mehr Struktur in Code zu bringen. Als erstes schauen wir uns dazu das Decorator-Pattern am Beispiel von Streams an, das uns ermöglicht beliebig komplexe Klassen durch Verschachtelung zu generieren. Im zweiten Teil des Blattes schauen wir uns an, wie funktionale(re)r Code mittels C++ realisiert werden kann.
Blatt 09
Übungsblatt: GUI Basics
Abgabe: 29. Juni 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Übungsblatt
Programmierung von GUIs ist ein Thema, dass vieles bereits gelernte vorraussetzt, zusätzlich werden neue Dinge eingeführt. Damit Sie die Möglichkeit haben sich gründlich damit auseinanderzusetzen, wird sich dieses Blatt ausschließlich mit der Programmierung von GUIs in C++ mittels des Qt-Frameworks befassen. Dieses hat einige Vorteile:
[1] Für das Schlagwort „Qt C++“ gibt Google 23 Mio Suchergebnisse an.
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Programmierung von GUIs ist ein Thema, dass vieles bereits gelernte vorraussetzt, zusätzlich werden neue Dinge eingeführt. Damit Sie die Möglichkeit haben sich gründlich damit auseinanderzusetzen, wird sich dieses Blatt ausschließlich mit der Programmierung von GUIs in C++ mittels des Qt-Frameworks befassen. Dieses hat einige Vorteile:
- Qt-Code kann plattformübergreifend kompiliert werden
- Qt ist open source und hat eine sehr große Userbase1
- Qt enthält einige Wrapper für andere Sprachen. So kann Ihr Qt-Code fast 1:1 in anderen Sprachen eingebettet werden, etwa mittels PyQt in Python. Mit anderen Worten: Die Zeit, die Sie in dieses Übungsblatt stecken ist automatisch auch eine Investition in die Erstellung von GUIs mit anderen Programmiersprachen.
[1] Für das Schlagwort „Qt C++“ gibt Google 23 Mio Suchergebnisse an.
Blatt 10
Übungsblatt: Threads
Abgabe: 6. Juli 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Übungsblatt
Nicht nur Rechenkluster und die haushaltsüblichen Multicpu-Systeme fördern das Arbeiten mit parallelisierbaren Algorithmen. Auch Benutzeroberflächen (Sie möchten nicht, dass Ihr Programm stehen bleibt, wenn sie eine aufwändige Rechnung durchführen) und Webprotokolle, die das Internet mit asynchronen (non-blocking) Ansätzen zu mehr gleichzeitig möglichen Anfragen pro Anwendung führte, benötigen mehr als einen Thread pro Programm. Auf diesem Übungsblatt werden wir uns einige einfache Ansätze zum Thema „Parallelisierung“ anschauen.
Nicht nur Rechenkluster und die haushaltsüblichen Multicpu-Systeme fördern das Arbeiten mit parallelisierbaren Algorithmen. Auch Benutzeroberflächen (Sie möchten nicht, dass Ihr Programm stehen bleibt, wenn sie eine aufwändige Rechnung durchführen) und Webprotokolle, die das Internet mit asynchronen (non-blocking) Ansätzen zu mehr gleichzeitig möglichen Anfragen pro Anwendung führte, benötigen mehr als einen Thread pro Programm. Auf diesem Übungsblatt werden wir uns einige einfache Ansätze zum Thema „Parallelisierung“ anschauen.
Beachten Sie, dass wir auf diesem Blatt noch einmal viele Bonusaufgaben hinzugefügt haben, sollten Sie noch Punkte für die Zulassung benötigen.
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Blatt 11
Übungsblatt: Projektaufgabe
Abgabe: 13. Juli 2021, 14:00 Uhr
Über dieses Aufgabenblatt
Übrigens: Dieses Übungsblatt enthält gelbe Felder, die Zusatzinformationen anzeigen, wenn Sie mit der Maus darüber Fahren.
Ziel dieses Übungsblattes ist es das angegebene Problem möglichst eigenständig zu lösen.
Im Rahmen dieses Aufgabenblattes werden wir ein einfaches Computeralgebra-System in vier Schritten zu programmieren:
Warum der ganze Aufwand?
Die Aufgabe soll dazu dienen noch einmal das praktisch gelernte nochmals Anwenden zu können: GUIS, statische Typisierung & objektorientiertes Programmieren, dynamic Dispatch und funktionale Ansätze werden hier in einer weiteren Softwaredesignübung vereint.
Was tun, wenn alles schief geht?
Sollten Sie Probleme beim Implementieren des Parsers haben, können Sie trotzdem den Rest des Projektes bearbeiten. Dazu können Sie die Objektbäume für die Ausdrücke direkt im Code konstruieren (man programmiert nur die Klassen zur Repräsentation von Ausdrücken, braucht aber keinen funktionierenden Parser).
Link zum Übungsblatt Übrigens: Dieses Übungsblatt enthält gelbe Felder, die Zusatzinformationen anzeigen, wenn Sie mit der Maus darüber Fahren.
Ziel dieses Übungsblattes ist es das angegebene Problem möglichst eigenständig zu lösen.
Im Rahmen dieses Aufgabenblattes werden wir ein einfaches Computeralgebra-System in vier Schritten zu programmieren:
- Parsing:
Zuerst konvertieren wir einen linear als Zeichenkette (String) codierten mathematischen Ausdruck (z.B.3*(b + a*2) / (1 + sin(1-b)^2)^2) in eine Hierarchie von Konstanten, Variablen und Funktionen.
Ein Konzept für eine solche Hierarchie selbst zu entwickeln ist dabei Teil der Aufgabe. - Evaluation:
Mit der eben bestimmten Darstellung können wir nun Computeralgebra betreiben: Als erstes nutzen wir die Darstellung, um den Wert des Ausdrucks zur Laufzeit auszuwerten (im Beispiel: füraundbZahlen einsetzen und das Ergebnis berechnen). Dies ist eine Aufgabe, die ein Interpreter wie Python ständig bewältigen muss. - Manipulation:
Darauf aufbauend schauen wir uns algebraische Umformungen an — hat man schon eine Baumdarstellung, so ist dies relativ einfach. Als Beispiele für Computeralgebra haben wir uns die Ableitung von einfachen Funktionen rausgegriffen. - GUI:
Zuletzt sollen die obigen Teile bequem in einer GUI für einen Nutzer bequem verwendbar zusammengefasst werden.
Warum der ganze Aufwand?
Die Aufgabe soll dazu dienen noch einmal das praktisch gelernte nochmals Anwenden zu können: GUIS, statische Typisierung & objektorientiertes Programmieren, dynamic Dispatch und funktionale Ansätze werden hier in einer weiteren Softwaredesignübung vereint.
Was tun, wenn alles schief geht?
Sollten Sie Probleme beim Implementieren des Parsers haben, können Sie trotzdem den Rest des Projektes bearbeiten. Dazu können Sie die Objektbäume für die Ausdrücke direkt im Code konstruieren (man programmiert nur die Klassen zur Repräsentation von Ausdrücken, braucht aber keinen funktionierenden Parser).