Advanced Programming Techniques - Cheatsheet

Singleton, Factory und Observer Design Patterns

Definition:

Singleton, Factory und Observer Design Patterns - schnelle Übersicht für Fortgeschrittene

Details:

• Singleton: Stellen sicher, dass eine Klasse nur eine Instanz hat und bieten einen globalen Zugriffspunkt.
• Factory: Erstellen Objekte, ohne ihre konkrete Implementierung offenzulegen, oft durch eine Factory-Methode.
• Observer: Ermöglichen ein Abhängigkeitsverhältnis zwischen Objekten, sodass bei einer Zustandsänderung eines Objektes alle abhängigen Objekte benachrichtigt und aktualisiert werden.

Threads und Thread-Synchronisation

Definition:

Threads: Ausführungsstränge innerhalb eines Prozesses. Thread-Synchronisation: Koordination der Ausführung von Threads, um Konkurrenzprobleme zu vermeiden.

Details:

• Thread: leichtergewichtig, teilt Speicher mit anderen Threads desselben Prozesses
• Vorteile: Parallelität, bessere CPU-Auslastung
• Probleme: Race Conditions, Deadlocks
• Synchronisation: Mutex, Semaphore, Monitore
• Mutex: wechselseitiger Ausschluss
• Semaphore: Signalisierung und Zähler
• Monitor: höhere Abstraktion, eingebauter Lock und Signalisierung

Lambda-Ausdrücke und Closures in funktionalen Programmiersprachen

Definition:

Kurze, anonyme Funktionen mittels derer Funktionen als Argumente oder Rückgabewerte genutzt werden können. Closures kapseln Variablen aus ihrem definitorischen Kontext.

Details:

• Syntax für Lambda: \(\text{\texttt{\textbackslash x -> x * 2}}\)
• Ermöglicht höhere Ordnung der Programmierung
• Closures schließen über Umgebung: Funktion + gebundene Variablen
• Beispiele: Haskell, Python, JavaScript

Garbage Collection Algorithmen (z.B. Mark-and-Sweep, Generational GC)

Definition:

Garbage Collection-Algorithmen werden verwendet, um nicht mehr benötigte Speicherbereiche in einer Programmiersprache automatisch zu verwalten und freizugeben.

Details:

• Mark-and-Sweep: Zwei Phasen, Markieren & Bereinigen. Unreachable Objekte entfernt.
• Generational GC: Heaps in Generationen unterteilt. Junge Objekte häufiger bereinigt, da Kurzlebigkeiten vermehrt auftreten.
• Beibehaltung Performance & Effizienz durch Minimierung von Pausenzeiten & Optimierung Speicherverwaltung.

Graph-Algorithmen: DFS, BFS und Dijkstra

Definition:

Untersuche und navigiere in Graphenobjekten, um Pfade und Verbindungen zu finden.

Details:

• Tiefensuche (DFS): Erkundet so tief wie möglich, bevor es zurückklettert.
• Breitensuche (BFS): Erkundet alle Nachbarn, bevor es in die Tiefe geht.
• Dijkstra: Finde den kürzesten Pfad von einem Startknoten zu allen anderen Knoten in einem Graphen mit nicht-negativen Gewichtungen.
• DFS Algorithmus: Rekursiver oder stack-basierter Ansatz, zeitliche Komplexität: \(\text{O}(V + E)\).
• BFS Algorithmus: Warteschlangen-basiert, zeitliche Komplexität: \(\text{O}(V + E)\).
• Dijkstra Algorithmus: Heaps/ Priority-Queue-basiert, zeitliche Komplexität: \(\text{O}(V^2)\) oder \(\text{O}(V + E \,\log \,V)\) mit Priority-Queue.
• DFS/BFS Anwendung: Netzwerkdurchsuchung, Pfadfindung, Verbundkomponenten.
• Dijkstra Anwendung: Verkehrsnetze, Routensuche, Navigationssysteme.

Refactoring und Clean Code Techniken

Definition:

Refactoring ist das Umstrukturieren von Code, ohne dessen externes Verhalten zu ändern. Clean Code Techniken helfen, lesbaren und wartbaren Code zu schreiben.

Details:

• Kleine, verständliche Methoden: Methoden sollten eine Aufgabe haben und nicht mehr als 20 Zeilen lang sein.
• Sprechende Namen: Variablen- und Methodennamen sollten selbsterklärend sein.
• KISS-Prinzip: Keep It Simple, Stupid - Einfachheit vor Komplexität.
• DRY-Prinzip: Don't Repeat Yourself - Vermeidung von Redundanzen.
• SOLID-Prinzipien: Single Responsibility, Open/Closed, Liskov Substitution, Interface Segregation, Dependency Inversion.
• Regelmäßiges Refactoring: Häufiges Refactoring zur kontinuierlichen Verbesserung der Codequalität.
• Automatisierte Tests: Tests zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit nach Refactorings.

Locks, Semaphoren und Deadlocks

Definition:

Mechanismen zur Kontrolle des Zugriffs auf geteilte Ressourcen in parallelen/konkurrierenden Systemen und zur Vermeidung von Deadlocks.

Details:

• Locks: Synchronisationsmechanismen, die Ressourcen exklusiv bereitstellen
• Mutex (Mutual Exclusion): Vermeidung doppelter Ressourcennutzung
• Spinlock: aktives Warten auf Ressourcenzugriff
• Semaphoren: Zählerbasierte Synchronisationswerkzeuge
• Binäre Semaphoren: ähnlich wie Mutex, aber reentrancy möglich
• Zählsmaphore (Counting Semaphore): ermöglicht Zugriff auf mehrere Instanzen einer Ressource
• Deadlocks: Situation, in der zwei oder mehr Prozesse auf Ressourcen warten, die von einander blockiert werden; keine Prozesse können fortfahren
• Hinweis: Deadlock-Bedingungen (Kaffman-Bedingungen)
• Mutual Exclusion
• Hold and Wait
• No Preemption
• Circular Wait

Speicherlecks und deren Vermeidung

Definition:

Speicherlecks treten auf, wenn ein Programm Speicher alloziert, aber nicht freigibt, sodass es zu einem Ressourcenverlust kommt.

Details:

• Hauptursache: Vergessen,