Grundkurs Informatik: Grundlagen und Konzepte für die erfolgreiche IT-Praxis - Eine umfassende, praxisorientierte Einführung

824 Pages·2016·11.03 MB·German

by  Hartmut Ernst

Hartmut Ernst
Jochen Schmidt
Gerd Beneken
Grundkurs
Informatik
Grundlagen und Konzepte für die
erfolgreiche IT-Praxis – Eine umfassende,
praxisorientierte Einführung
6. Auflage
Grundkurs Informatik
Hartmut Ernst Jochen Schmidt
(cid:129)
Gerd Beneken
Grundkurs Informatik
Grundlagen und Konzepte für die
–
erfolgreiche IT-Praxis Eine umfassende,
praxisorientierte Einführung
6. Auflage 2016
Hartmut Ernst JochenSchmidt
Hochschule Rosenheim Hochschule Rosenheim
Rosenheim, Deutschland Rosenheim, Deutschland
Gerd Beneken
Hochschule Rosenheim
Rosenheim, Deutschland
ISBN978-3-658-14633-7 ISBN978-3-658-14634-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-14634-4
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Informatik“
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Vorwort
WersichheutealsStudentoderalsPraktikerimBerufernsthaftmitInformatikbeschäftigt,demist
dieFragenachderStandortbestimmungseinesFachgebietsvertraut:WasisteigentlichInformatik?
EsgibtwenigeArbeitsfelder,diesointerdisziplinärangelegtsindwiegeradedieInformatik.Wer
beispielsweisedieDarstellungdesStoffesinLehrbüchernüberWirtschaftsinformatikbetrachtet,
wird ganz erhebliche Unterschiede im Vergleich mit diesem Buch bemerken. Ebenso wird der
Datenbank-ProfioderdermehranderHardwareorientierteEntwicklermanchesDetailvermissen.
Dennoch,diegrundlegendenKonzepte,aufdieeswirklichankommt,sindfürdieverschiedenen
Richtungendieselben.
Es wurde daher mit diesem Buch der Versuch unternommen, einen möglichst umfassenden
ÜberblickundEinblickindiewesentlichenGrundlagenundKonzeptederInformatikzuvermitteln.
DabeigehtesnichtnurumdieDarstellungvonSachverhalten,sondernauchdarum,Zusammenhänge
verständlichzumachenundzuvertiefen.FernersolltederZugangzuweiterführendenBüchernund
Originalliteraturerleichtertwerden.ZielwarnichteinweiteresProgrammierlehrbuchzuschreiben,
sonderneineumfassendeEinführungindieInformatik.
AlsroterFadenwirddieBetonungdesalgorithmischenAn-
(cid:21)(cid:10)(cid:13)(cid:5)(cid:10)(cid:17)(cid:11)(cid:10)(cid:22)(cid:5)(cid:10) satzesverfolgt,denngeradeAlgorithmenunddereneffiziente
ImplementierunginSoftwareundHardwarebildeneinzen-
(cid:23)(cid:12)(cid:19)(cid:17)(cid:11)(cid:20)(cid:3)(cid:5) tralesThemaderInformatik.DieStoffauswahlistaußerdem
anThemenorientiert,dieüberlängereZeitrelevantbleiben
dürften.DiesesLehrbuchverstehtsichalspraxisnahundan-
wendungsbezogen, wenn auch nicht in einem an Produkten
undkommerziellenSoftwaresystemenorientiertenSinneder
(cid:18)(cid:5)(cid:12)(cid:10)(cid:6)(cid:10)(cid:14)(cid:19)(cid:12)(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:6)(cid:20)
angewandtenInformatik.VielmehrwurdendieAutorenvon
derÜberzeugunggeleitet,dassInnovationeninderPraxisnur
derleistenkann,derkreativaufderBasisvon„firstprinciples“
zudenkengelernthat.DerStellenwertderTheorieauchfür
(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:1)(cid:2)(cid:3)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:4)(cid:9)(cid:10)(cid:2)(cid:3)(cid:11)(cid:12)(cid:13)(cid:6)(cid:7)(cid:7)(cid:5)(cid:10)(cid:7)(cid:8)(cid:4)(cid:2)(cid:14)(cid:3)(cid:15)(cid:6)(cid:8)(cid:4)(cid:5)(cid:7)
(cid:16)(cid:11)(cid:10)(cid:17)(cid:2)(cid:1)(cid:5)(cid:10)(cid:3) denPraktikerwirddamitbetont.AufderanderenSeiteerfor-
dertdiehierangestrebteOrientierunganderPraxisnicht,dass
jederSatzimmathematischenSinnestrengbewiesenwerdenmüsste.Esistjageradederüberbetonte
FormalismusmancherTheorie,deraufdenPraktikerabschreckendwirkt.FürdenTheorie-Nutzer
genügtesoft,dieFormulierungeinesSatzeszuverstehen,seinenAnwendungsbereichundseine
GrenzenzubegreifensowieEinsichtinseineGültigkeitzugewinnen.Dazuistausdidaktischer
SichtanStelleeinestrockenenBeweiseseinerhellendesBeispieloftdienlicher.
Man kann die Informatik in manchen Aspekten mit einem voll im Leben stehenden Baum
vergleichen.WeithinsichtbaristvorallemseineKronemitgrünenBlätternundbuntenFrüchten,
entsprechenddenvielfältigenkommerziellenAnwendungenderInformatik.Unddasistesauch,
wasderpraxisorientierteInformatikanwendervondembreitenSpektrum,dasunterdemBegriff
„Informatik“subsumiertwird,ausderDistanzinersterLiniewahrnimmt:Computer-AidedAnything,
dieanwendungsbetonteInformatik,dieLösungenfürkonkreteProblemeverkauft.Dortarbeitetdie
MehrzahlderInformatiker,dortwirdgutesGeldverdient.
vi Vorwort
Doch so wie die Krone eines Baumes im Wechsel der Jahreszeiten ihr Aussehen ändert, so
istauchdieserTeilderInformatikvonkurzenProduktzyklenundinstetemWandelbegriffenen
Systemumgebungengeprägt.HierträgtdieInformatikzwarihreFrüchte,dochsinddieseoftleicht
verderblicheWaremiteinemkurzfristigenVerfallsdatum.FüreintiefergehendesInformatikver-
ständnisgenügteinehauptsächlichanProduktenorientierteSichtweisedaherdefinitivnicht.Ohne
profundesHintergrundwissenistesunmöglich,nachhaltigeEntwicklungenvonSackgassenund
Modeströmungenzuunterscheiden.Esmagjasehrverlockendsein,BillGatesnachzueifernund
gleichinderoberstenEtagederInformatikbrancheeinzusteigen.DochandieserStellemussman
sichklarmachen,dassesderStammist,derdieKroneträgt.IndiesemSinneruhtauchdiean-
wendungsorientierteInformatikaufeinemstabilenUnterbau,derKerninformatik.Dieseunterliegt
einemvergleichsweiselangsamenWandelundsiegründetihrerseitsintiefenWurzelnaufeinem
zeitlosenmathematisch-naturwissenschaftlichenFundament.
UmdenStammdesInformatikbaumes,dieKerninformatik,gehtesindiesemBuch.Wersich
auf diesem Terrain sicher zu bewegen weiß, der wird keine Schwierigkeiten haben, auf einem
tragfähigenGrundlagenwissenprofessionelldiehöchstenÄstederBaumkronezuerklimmen–oder
auchtieferzuschürfen,umdiewissenschaftlicheBasiszuergründen.
ZurErleichterungdesEinstiegsindieLektürewerdenimFolgendendieThemendereinzelnen
Kapitelkurzcharakterisiert.
InKapitel1wirdnacheinergeschichtlichenEinführungundeinemkurzenÜberblicküberden
prinzipiellenAufbauvonRechnerndiebinäreArithmetikbehandelt.
Kapitel2beschäftigtsichausführlichmitdenbegrifflichenundmathematischenKonzeptender
fundamentalenBegriffeNachrichtundInformation.Jeder,dersichernsthaftmitderInformatik
befasst,solltemitdiesenGrundlagengutvertrautsein,dasodasVerständnisderfolgendenKapitel
erleichtertwird.DaInformationundWahrscheinlichkeitinengerBeziehungzueinanderstehen,
werdenauchdieerforderlichenmathematischenMethodenerläutert.ImletztenAbschnittdieses
KapitelsgehtesdannumeinenzentralenBegriffderInformatik,dieEntropie.
In Kapitel 3 werden aufbauend auf Kap. 2 zunächst die grundlegenden Begriffe Redundanz,
CodeerzeugungundCodesicherungerläutert.DazugehörtaucheinedetaillierteErläuterungder
wichtigsteneinschlägigenAlgorithmen.AnschließendwirdaufdeninderPraxisbesonderswichti-
genAspektderCodierungstheorieeingegangen,nämlichaufMethodenzurDatenkompression.
Kapitel4behandeltdieVerschlüsselungvonDaten.EswirdsowohlaufklassischeVerfahren
eingegangenalsauchaufmoderneMethodenzursymmetrischenundasymmetrischenVerschlüsse-
lung.ZusammenmitdenKapiteln2und3umfasstundvertieftderStoffdenInhaltentsprechender
Grundvorlesungen.
Kapitel5gibteinenÜberblicküberdieGrundlagenderComputerhardware.Nacheinerknappen
EinführungindieAussagenlogikunddieboolescheAlgebrawirdaufSchaltnetzeundSchaltwerke
eingegangen.AmSchlussdesKapitelsstehteinAbschnittüberMaschinenspracheundAssembler.
InKapitel6gehtesdannumRechnerarchitekturen.NachEinführungderüblichenKlassifikati-
onsschematafolgteineErläuterungderfürdieMehrzahlderRechnernochimmermaßgeblichen
von-Neumann-ArchitektursowieeineEinführungindieKonzeptederParallelverarbeitung.
Kapitel7beschreibtdenAufbauvonRechnernetzen.ZentralisthierdasOSI-Schichtenmodell.
DieimInternetverwendetenÜbertragungsprotokollewerdenerläutert.
Kapitel8beschreibtArchitekturenunddiewichtigstenAufgabenvonBetriebssystemen.Am
EndewirdauchaufdieimmerwichtigerwerdendeVirtualisierungeingegangen.
Kapitel 9 bietet einen Überblick über Datenbankkonzepte, mit dem Fokus auf relationalen
Datenbanken,derDatenbankabfragespracheSQLsowieXML.AuchDataWarehousingundData
Vorwort vii
Miningwerdengestreift.
Kapitel10beschäftigtsichmitderAutomatentheorieundderTheoriederformalenSprachen,
dieindertheoretischenInformatikalsGrundlagevonProgrammiersprachenundCompilerneinen
wichtigenPlatzeinnehmen.AuchdasKonzeptderTuring-Maschine,diealsalgebraischeBeschrei-
bungeinesComputersaufgefasstwerdenkann,wirdausführlicherklärt.DabeiwirdmehrWertauf
eineverständlicheDarstellungdergrundlegendenKonzeptegelegt,alsaufmathematischeStrenge.
AmEndedesKapitelswirdohneVertiefungdesThemaskurzaufCompilereingegangen.
Kapitel11bautunmittelbaraufKap.10auf.ZunächstwerdendieBegriffeBerechenbarkeitund
KomplexitäterläutertunddieGrenzendesmitComputernüberhauptMachbarenaufgezeigt.Es
schließensichAbschnitteüberprobabilistischeAlgorithmenundRekursionan.DieKapitel10und
11entsprechenzusammeneinemGrundkursintheoretischerInformatik.
InKapitel12gehtesimDetailumdieinkommerziellerSoftwareamhäufigstenverwendeten
Operationen,nämlichSuchen(einschließlichHashing)undSortieren.
Kapitel13istdenwichtigenDatenstrukturenBinärbäume,VielwegbäumeundGraphengewidmet.
DieKapitel12,13und14.4deckendenStoffeinschlägigerVorlesungenüberAlgorithmenund
Datenstrukturenab.
Kapitel14beginntmiteinerDiskussionderprinzipiellenStrukturhöhererProgrammiersprachen
einschließlichBackus-Naur-FormundSyntaxgraphen.EsfolgteinÜberblicküberdieweitverbrei-
teteProgrammierspracheC,deraberkeinesfallsspezielldiesemThemagewidmeteLehrbücher
ersetzenkann.DieBeschreibungderC-FunktionsbibliothekbeschränktsichaufeinigeBeispie-
le.DerletzteAbschnittbefasstsichintensivmitdenDatenstrukturenlineareListen,Stapelund
Warteschlangen.
Kapitel15bieteteineEinführungindasobjektorientierteParadigma.Exemplarischwirdaufdie
SpracheJavaeingegangen.
Kapitel16befasstsichmitderAnwendungsprogrammierungimInternet.NebenderBeschrei-
bunggrundlegenderTechnologienliegtderSchwerpunktaufderEntwicklungvonWebanwendungen
mitJavaScript.
Kapitel17gibteinenÜberblicküberSoftware-Engineering.NacheinerBeschreibungdesSoft-
ware-LebenszykluswerdenzweiinderPraxishäufiganzutreffendeVorgehensmodelleerläutert,
nämlichdasV-ModellundScrum.HilfsmittelfürdenAlgorithmenentwurfwerdenvorgestellt.
NachdemdiefünfteAuflagekomplettüberarbeitetunderweitertwurde,enthältdiejetztvorlie-
gendesechsteAuflageinersterLinieKorrekturenundKlarstellungen.HerzlichenDankanunsere
aufmerksamenLeserfürdieHinweise.
EinBuchschreibtmannichtalleine;etlicheFreundeundKollegenhabenunsdabeimitwertvollen
Anregungengeholfen.InsbesonderebedankenwirunsbeidenKollegenLudwigFrank,Helmut
OechsleinundTheodorTempelmeier,derenHinweiseundSachverstandzurQualitätdesBuches
wesentlichbeigetragenhaben;außerdembeiHerrnAlexanderScholzfürdietatkräftigeUnterstüt-
zungbeiderNeuerstellungderZeichnungen.BesondererDankgiltunserenFrauenundunseren
FamilienfürdieausgezeichneteUnterstützungwährenddesBuch-Projektes.
Rosenheim, HartmutErnst
18.Juni2016 JochenSchmidt
GerdBeneken
Hinweise zu den Übungsaufgaben
AndiemeistenKapitelschließensichÜbungsaufgabenan.DieLösungensindaufderdasBuch
ergänzendenInternetseitehttp://www.gki-buch.dezufinden.DieÜbungsaufgabensind
thematischsowienachihremSchwierigkeitsgradklassifiziert:
T fürTextaufgaben,
M fürmathematischorientierteAufgaben,
L fürAufgaben,dielogischesundkombinatorischesDenkenerfordern,
P fürProgrammieraufgaben.
0 bedeutet„sehrleicht“.DieseAufgabenkönnenunmittelbargelöstwerden,ggf.mitetwas
BlätternimBuch.
1 bedeutet„leicht“undkennzeichnetAufgaben,dieinnerhalbvoneinigenMinutenmitwenig
Aufwandzulösensind.
2 bedeutet„mittel“.SolcheAufgabenerfordernetwasgeistigeTransferleistungüberdenBu-
chinhalthinausund/odereinengrößerenArbeitsaufwand.
3 bedeutet „schwer“ und ist für Aufgaben reserviert, die erheblichen Arbeitsaufwand mit
kreativenEigenleistungenerfordern.
4 kennzeichnet„sehrschwere“AufgabenundaufwendigeProjekte.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1
1.1 WasisteigentlichInformatik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 ZurGeschichtederInformatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 FrüheZähl-undRechensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 DieEntwicklungvonRechenmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 DieComputer-Generationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 PrinzipiellerAufbauvonComputern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Analog-undDigitalrechner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 DasEVA-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.3 ZentraleinheitundBusstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.4 Systemkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 ZahlensystemeundbinäreArithmetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1 DarstellungvonZahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.2 UmwandlungvonZahleninverschiedeneDarstellungssysteme. . . . . . . 18
1.4.3 BinäreArithmetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.4 Gleitkommazahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2 NachrichtundInformation 37
2.1 AbgrenzungderBegriffeNachrichtundInformation . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 BiologischeAspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1 Sinnesorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2 DatenverarbeitungimGehirn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.3 DergenetischeCode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 DiskretisierungvonNachrichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1 Abtastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.2 Quantisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4 WahrscheinlichkeitundKombinatorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.1 DierelativeHäufigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.2 DiemathematischeWahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.3 TotaleWahrscheinlichkeitundBayes-Formel . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.4 StatistischeKenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.5 FakultätundBinomialkoeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.6 Kombinatorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5 InformationundWahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5.1 DerInformationsgehalteinerNachricht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5.2 DieEntropieeinerNachricht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.3 ZusammenhangmitderphysikalischenEntropie . . . . . . . . . . . . . . 64
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
x Inhaltsverzeichnis
3 Codierung 69
3.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.1 DefinitiondesBegriffsCodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2 MittlereWortlängeundCode-Redundanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.1.3 BeispielefürCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2 Code-Erzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.1 Codebäume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2 DerHuffman-Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.3 DerFano-Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 Codesicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.1 StellendistanzundHamming-Distanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.2 m-aus-n-Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.3 CodesmitParitätsbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.4 FehlertoleranteGray-Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.3.5 DefinitionlinearerCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.6 LineareHamming-Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.3.7 ZyklischeCodesundCode-Polynome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.3.8 CRC-Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3.9 Sicherungnicht-binärerCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.10 Reed-SolomonCodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4 Datenkompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.4.1 VorbemerkungenundstatistischeDatenkompression . . . . . . . . . . . . 115
3.4.2 ArithmetischeCodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.4.3 Lauflängen-Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4.4 Differenz-Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4.5 DerLZW-Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.4.6 DatenreduktiondurchunitäreTransformationen(JPEG) . . . . . . . . . . 128
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4 Verschlüsselung 137
4.1 KlassischeVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.1.1 Substitutions-Chiffren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.1.2 Transpositions-ChiffrenundEnigma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.2 ModernesymmetrischeVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.2.1 DerDataEncryptionStandard(DES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4.2.2 DerAdvancedEncryptionStandard(AES) . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2.3 One-Time-PadsundStromchiffren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.3 ModerneasymmetrischeVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.3.1 Diffie-HellmanSchlüsselaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.3.2 DerRSA-Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.3.3 DigitaleUnterschrift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5 ComputerhardwareundMaschinensprache 169
5.1 DigitaleGrundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.1.1 Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169