BIT I WiSe 2014 | Basisinformationstechnologie I - 08: Programmiersprachen I

Basisinformationstechnologie I
Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung
Jan G. Wieners // jan.wieners@uni-koeln.de
Wintersemester 2014/15
17. Dezember 2014 – Programmiersprachen I

Themenüberblick „Programmiersprachen I“
Phasen der Programmentwicklung
 Analyse
 Spezifikation
 Entwurf
 Algorithmus
 Pseudocode
 Implementation
 Post-Implementation
Programmiersprachen
 Compiler / Interpreter
 Typisierung
 Paradigmen
 Objektorientierung

Neulich in den
Sommerferien…

Programmentwicklung: Analyse
Descartes (1596-1650)
„Regeln zur Leitung des
Geistes" (1628):
 Hohe Relevanz der
Analysephase
 Aufteilung in Teil- und
Unterprobleme
 Hierarchischer
Erkenntnisprozess
 Analyse der Analyse
i.e. Sicherung der Analyse

Programmentwicklung: Algorithmus
Spezifikation: Problembeschreibung – im Gegensatz
zum Algorithmus, der die Lösung des Problems angibt
Algorithmus: Anleitung oder Vorschrift, wie sich ein
Problem lösen lässt
 Arbeitsdefinition Algorithmus: Eindeutige
Beschreibung eines endlichen Verfahrens zur Lösung
einer bestimmten Klasse von Problemen
Algorithmus im Labyrinthbeispiel: Verfahren, um aus
dem dunklen Labyrinth zu gelangen

Finden Sie einen Weg aus dem Labyrinth

Entwerfen Sie einen Algorithmus, der Sie aus jedem Labyrinth (mit Ausgang) führt

Terminierung von Algorithmen:
Wir verlangen (zumeist) von
Algorithmen, dass sie terminieren,
d.h. dass sie in endlicher Zeit (und
möglichst schnell  Performance)
ihre Arbeit erledigt haben
Entwerfen Sie einen Algorithmus, der Sie aus jedem Labyrinth (mit Ausgang) führt

Programmentwicklung: Entwurfsphase III
Pledge-Algorithmus:
 Prämisse: Wir gehen davon aus, dass alle Ecken rechtwinklig
sind
 Somit kommen nur Rechtsdrehungen und Linksdrehungen um
jeweils 90 Grad vor
 Wir verwalten unterwegs einen Umdrehungszähler, der:
 bei jeder Linksdrehung um eins erhöht und
 bei jeder Rechtsdrehung um eins verringert wird (auch bei der
ersten Rechtsdrehung, die nach dem Auftreffen auf eine Wand
ausgeführt wird).
 Zu Beginn wird dieser Umdrehungszähler auf null gesetzt
 Anschließend werden die beiden Anweisungen
 geradeaus, bis Wand erreicht
 Folge der Wand, bis Umdrehungszähler = 0
solange wiederholt, bis wir ins Freie gelangen

Pseudocode
Pseudocode Pledge-Algorithmus:
 Setze Umdrehungszähler auf 0;
 Wiederhole
 Wiederhole
 Gehe geradeaus;
 Solange Wand erreicht;
 Drehe nach rechts;
 Wiederhole
 Folge dem Hindernis;
 Solange Umdrehungszähler=0;
 Solange ins Helle gelangt;
 Der Entwurf ist unabhängig von der Programmiersprache!

Implementation
Programmerstellung und Programmiersprachen

Strukturierte Computerorganisation
Problemorientierte Sprache
Assemblersprache
Betriebssystemmaschine
Befehlssatzarchitektur (ISA)
Mikroarchitektur
Digitale Logik
Ebene 5
Ebene 4
Ebene 3
Ebene 2
Ebene 1
Ebene 0

Programmiersprachen: Klassifizierung
Maschinennahe Programmiersprache: Assembler
Beispiel: „Hello World“ :
DATA SEGMENT ;- Beginn des Datensegments
Meldung db "Hello World" ;- Die Zeichenkette "Hello World"
db "$" ;- Endzeichen der Zeichenkette
DATA ENDS ;- Ende des Datensegment
CODE SEGMENT ;- Beginn des Codesegements
ASSUME CS:CODE,DS:DATA ;- Dem Assembler die Segmente mitteilen
Anfang: ;- Label für den Anfang des Programms
mov ax, DATA ;- das Daten...
mov ds, ax ; ...segment festlegen
mov dx, offset Meldung ;- den Text in das auf DS bezogene Datenregister
laden
mov ah, 09h ;- Die Unterfunktion 9 des Betriebssysteminterrupts
21h auswählen
int 21h ;- den Betriebssysteminterrupt 21h (hier erfolgt
Ausgabe des Texts) aufrufen
mov ax, 4C00h ;- Die Unterfunktion 4Ch (Programmbeendigung) des
Betriebssysteminterrupts 21h festlegen
int 21h ;- diesen Befehl wiederum ausführen
CODE ENDS ;- Ende des Codesegments
END Anfang ;- dem Assembler das Ende des Labels Anfang mitteilen
Vgl.: http://de.wikipedia.org/wiki/Assemblersprache

Programmiersprachen
Anweisungen, die wir dem Computer geben, werden als Text
formuliert, z.B.:
In Python:
print "Hello World!"
In PHP:
print "Hello World!";
In JavaScript:
document.write("Hello World!");
In C++:
cout << "Hello World";

Programmiersprachen
Programmtext ist formuliert nach festen Regeln:
Beispiel C++:
cout << "Hello World";
Die Regeln (Grammatik) der Programmiersprache
C++ schreiben vor, dass der Ausdruck
cout << "Hello World"
mit einem Semikolon abgeschlossen werden
muss

Spracheigenschaften und
Programmierparadigmen

Deklaration und Initialisierung
In JavaScript:
// Deklaration
var eineVariable, eineWeitereVariable;
// Initialisierung
eineVariable = 23;
eineWeitereVariable = “Hello World!“;

Typisierung
Variablen: Behälter / Speicherstelle; Typisierung  Typ
der Variable
In JavaScript:
// Deklaration
var eineVariable, eineWeitereVariable;
 Dynamische Typisierung
In C++:
int eineVariable = 23;
char eineWeitereVariable[]="Hello World";
 Statische Typisierung
Datentyp

Datentypen (C++)
Einfache Datentypen in C++:
 bool  Wahrheitswerte
 int  ganze Zahlen
 unsigned int  Natürliche Zahlen
 float  Fließkommazahlen
 double  Fließkommazahlen, doppelte Genauigkeit
 char  Zeichen
Zusammengesetzte Datentypen (in C++):
 string  Zeichenketten
 array  Sammlung von Daten eines Datentyps

Paradigmen:
 funktional
 objektorientiert
 prozedural
 etc. etc. etc.

Programmierparadigmen: Funktionale Programmierung
var randomize = function( lowerBound,
upperBound ) {
if( lowerBound > upperBound ) {
return( -1 );
}
if( lowerBound === upperBound ) {
return( lowerBound );
}
return lowerBound + parseInt(
Math.random() * ( upperBound-lowerBound+1 ),
10);
}

Objektorientierte Programmierung
Objektorientierte Programmierung [C++, Java]
 Zentrales Konzept: Objekt
 Objekt
 Verfügt über einen bestimmten Zustand
 Reagiert mit einem definierten Verhalten auf
Anforderungen / seine Umgebung
 Besitzt eine Identität, die es von anderen Objekten
unterscheidet
 Kann mit anderen Objekten verbunden sein

Kapselung, Information Hiding, Geheimnisprinzip
Abb.: Balzert, Heide: Lehrbuch der Objektmodellierung. Heidelberg, 2005.

Zentrales Konzept I: Klassen
Gleichartige Objekte (Objekte mit denselben
Operationen und gleichen Attributen) gehören zur
gleichen Klasse.
Abstrakt vs. konkret: Jedes Objekt ist Exemplar bzw.
Instanz einer Klasse
Klasse: Definiert für eine Sammlung von Objekten
deren
 Struktur (Attribute)
 Verhalten (Operationen)
 Beziehungen
 Verfügt über Mechanismen, um neue Objekte zu erzeugen
(Object Factory)

Klassen in C++  Kapselung / Information Hiding
class EineKlasse
{
public: // öffentlicher Teil
EineKlasse() // Konstruktor
{
klassenVariable=23;
}
~EineKlasse(); // Destruktor
int gebeVariablezurueck(void)
{
return klassenVariable;
}
private: // privater Teil
int klassenVariable; // private Variable
};

Notation von Klassen
Abb.: Balzert, Heide: Lehrbuch der Objektmodellierung. Heidelberg, 2005.

Zentrales Konzept II: Vererbung
 Eine Klasse kann Elemente (Variablen, Konstanten, Funktionen) von
anderen Klassen erben
Beispiel C++:
class Person
{
string name;
//...
};
class Mitarbeiter : Person
{
long sozialversicherungsNr;
//...
};

Martial Arts Objects (Vererbung)
Martial Arts Fighter
attribute 1: name
attribute 2: gender
attribute 2: two legs
attribute 3: two arms
behaviour 1: getName()
behaviour 2: walk()
behaviour 3: bong_sau()
behaviour 4: tan_sau()

Objektorientierte Programmiersprache: C++
C++:
 Ermöglicht maschinennahe Programmierung (Stichw.
„Zeiger“), als auch abstrakte Programmierung (i.e.
Objektorientierung)
 Kompilierung über g++ Compiler, Microsoft Visual C++
Compiler, etc.

Objektorientierte Programmiersprachen: Java
Java
 Besonderheit: Java-Programme werden in Bytecode übersetzt,
anschließend in einer Java-Laufzeitumgebung ausgeführt 
Virtuelle Maschine (VM)
 Vorteil: Plattformunabhängigkeit: Java-Programme laufen
(zumeist) ohne weitere Anpassungen auf unterschiedlichen
Computer- und Betriebssystemen, für die eine Java-VM
existiert

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