Einführung in die Informatik für Schülerinnen SS Margarita Esponda Warum Java? Geschichte der Programmiersprachen

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1 Einführung in die Informatik für Schülerinnen SS 2001 Margarita Esponda Warum Java? Geschichte der Programmiersprachen Entstehung von Objektorientierten Programmiersprachen Geschichte von Java Vorteile und Nachteile gegenüber anderen Programmiersprachen 1

2 Geschichte der Programmiersprachen 1941 Z3 Konrad Zuse Programm Geschichte der Programmiersprachen Steinzeit 1943 ENIAC eigentlich kein Programm 1945 John von Neumann stored programs 2

3 Rechner erkennen und bearbeiten nur Instruktionen in Maschinensprache Erste Programmiersprachen Maschinensprachen Adresse im Speicher 187A: E 0D 187B: B9 FF FF 8B D1 187C: C9 B8 D1 187D: B FF BE E E: BF CD 18. usw

4 Assembler-Programmiersprachen add A, B, C sub C, D, E add A, E, E sub C, D, E cmp E, D, end add C, D, E.. usw Assembler-Programm Beispiel LABEL: LOAD #1 A LOAD #2 B ADD #1 #2 #3 STORE #3 C JUMP LABEL Register

5 Probleme Die Programmierung ist maschinenbezogen Sie verlangt genaue Kenntnisse über die Hardware schwer lesbar fehleranfällig sehr teuer! Hochprogrammiersprachen FORTRAN 1954 John Backus IBM COBOL ALGOL LISP 1959 Department of Defense 1958 Europa 1958 John McCarty MIT FORTRAN COBOL ALGOL LISP Formula Translator Common Business Oriented Language Algorithmic Language List Processing 5

6 Hochprogrammiersprachen C = A + B*C LOAD #1 C LOAD #2 B MULT #1 #2 #3 LOAD #4 A ADD #3 #4 #1 STORE #1 C FORTRAN C EINLESEN DER DATEN READ (5,*,END=92) N,M WRITE (6,*) 'MATRIXORDNUNG ', N WRITE (6,*) '(HALBE) BANDBREITE ', M IF (N.GT.NMAX) GOTO 91 IF (M.GT.MMAX) GOTO 91 Übersetzer Maschinesprache Vorteile problembezogener weniger hardwareabhängig kompakter lesbarer portabler bleibende Probleme Betriebsysteme + Compiler Software viel teurer als Hardware Fehler 6

7 Schichtenarchitektur Hochprogrammiersprachen Anwendungsprogramme Assembler Texteditoren Übersetzer für verschiedene Sprachen Betriebsystem Hardware Programmiertechniken Neue Sprachen Strukturiertes Programmieren Unterprogramme Programmbibliotheken Modularisierung Basic LOGO Pascal 1970 C Ada 1979 Modula C++ PEARL 1980 PEARL Process and Experiment Automation Real-Time Language 7

8 Spaghetti code 100 GOTO PRINT I ; 120 GOTO PRINT I * 12 ; 160 GOTO PRINT = ; 210 GOTO PRINT 12 ; 310 GOTO PRINT * ; 410 GOTO I = I IF I > 12 THEN STOP 470 GOTO PRINT "Result" 510 I = GOTO 110 Result 1 * 12 = 12 2 * 12 = 24 3 * 12 = Aus Object-Oriented Programming in Java Mitchell Waite and Robert Lafore UNIX + C 1969 UNIX + C AT&T's Bell Labs K. Thompson, D. Ritchie UC Berkeley, verbesserte UNIX Free!! modulares Betriebsystem nur der Kernel in Assembler programmiert der Rest in C-Sprache nur ein C-Compiler ist nötig Hardware ist ständig billiger geworden mit UNIX entstehen viele neue Hardwarefirmen Beginn der Minicomputer-Welt viele Rechner aber nur im C programmierbar 8

9 C Assemblersprachen C-Sprache Hochprogrammiersprachen C kann eine schreckliche Programmiersprache sein #include <stdio.h> main(t,_,a) char *a; {return!0<t?t<3? main(-79,-13,a+main(-87,1-_, main(-86, 0, a+1 )+a)):1,t<_?main(t+1, _, a ):3,main ( -94, -27+t, a )&&t == 2?_<13?main ( 2, _+1, "%s %d %d\n" ):9:16:t<0?t<-72? main(_, t,"@n'+,#'/*{}w+/w#cdnr/+,{}r/*de}+,/*{*+,/w{%+,/w#q#n+,/#{l,+,/n{n+\,/+#n+,/#;#q#n+,/+k#;*+,/'r :'d*'3,}{w+k w'k:'+}e#';dq#'l q#'+d'k#!/\ +k#;q#'r}ekk#}w'r}ekk{nl]'/#;#q#n'){)#}w'){){nl]'/+#n';d}rw' i;# ){n\ l]!/n{n#'; r{# w'r nc{nl]'/#{l,+'k {rw' ik{;[{nl]'/w#q#\ n'wk nw' iwk{kk{nl]!/w{%'l##w#' i; :{nl]'/*{q#'ld;r'}{nlwb!/*de}'c \ ;;{nl'-{}rw]'/+,}##'*}#nc,',#nw]'/+kd'+e}+;\ #'rdq#w! nr'/ ') }+}{rl#'{n' ')# }'+}##(!!/") :t<-50?_==*a?putchar(a[31]):main(-65,_,a+1):main((*a == '/')+t,_,a\ +1 ):0<t?main ( 2, 2, "%s"):*a=='/' main(0,main(-61,*a, "!ek;dc \ i@bk'(q)-[w]*%n+r3#l,{}:\nuwloca-o;m.vpbks,fxntdceghiry"),a+1);} mistery.c The International Obfuscated C Code Contest 9

10 Die Welt der Programmiersprachen teilte sich Was? Deklarative Sprachen Prolog FP Parlog 1983 Miranda 1985 Haskell 1990 Imperative Sprachen OOP Simula 67 Smalltalk Eiffel OO-Pascal, Modula 3, Oberon C++ Java Wie? Objekt Orientierte Programmiersprachen Early 70s Xerox PARC 1985 Early 80s Bell Laboratories 1995 Deklarative Programmiersprachen Mutter( luise, maria ). Mutter( anne, maria ). Mutter( maria, andrea ). Vater( luise, peter ). Vater( maria, joachim ). Oma( X, Y ) :- Mutter( Z, Y ), Muter( X, Z ). Oma( X, Y ) :- Mutter( Z, Y ), Vater( X, Z ). Geschwister( X, Y ) :- Mutter( X, Z ), Mutter( Y, Z ). Geschwister( X, Y ) :- Vater( X, Z ), Vater( Y, Z ).? Oma( anne, andrea ). Programm in Prolog 10

11 deklarativ vs. imperativ - Sprachen basieren auf einem mathematischen Formalismus. - Sprachen sind von der dahinterstehenden Hardware geprägt. - Wissen über ein Problem rein deklarativ darstellbar - Intelligentes System, das Fragen an das Programm beantworten kann. kompakter robuster einfacher - Befehlssequenz ( Zustände ) - Zeitlicher Ablauf im Programm sichtbar. effizienter Objektorientiertes Programmieren Simulationsprobleme in der Welt läuft alles parallel Wiederverwendbarkeit von Software saubere Modularisierung der Software mit klaren Schnittstellen Graphische Benutzeroberflächen - nicht sequentielle, interaktive Steuerung von Anwendungsprogrammen. Programmierung verteilte Anwendungen - Parallelität und Kommunikation auf natürlicher Weise 11

12 Objektorientiertes Programmieren Vorgänge der realen Welt - inhärent paralleles Ausführungsmodell Trennung von Auftragserteilung und Auftragsdurchführung - klar definierten Schnittstellen Klassifikation und Vererbung - Anpassbarkeit, Klassifikation und Spezialisierung von Programmteilen Java 1991 Patrick Naughton und James Gosling entwickelten die Programmierumgebung Oak bei Sun Microsystems, um Anwendungen für elektronische Geräte und das interaktive Fernsehen leicht zu programmieren wurde der erste www-browser (HotJava) vorgestellt und Oakwird in Java umbenannt. Inzwischen hatte sich herausgestellt, dass der Name Oak bereits für eine andere Programmiersprache vergeben war veröffentlichte Sun die erste offizielle Entwicklungsumgebung für Java. kostenlos über die Adresse Beispielloser Erfolg: Noch nie hat eine neue Programmiersprache in so kurzer Zeit so starke Verbreitung gefunden. 12

13 Stammbaum C C++ Syntax Smalltalk Semantik Oberon JAVA Java-Eigenschaften portabel - Basisdatentypen maschinenunabhängig - Pseudocode (einfache JVM) objektorientiert - umfangreiche Bibliotheken ohne Aufwand verwendbar. verteilt Thread-unterstützend Nebenläufige Prozesse robust - Strenge Typ- und Ausnahmebehandlung - keine Zeiger ( Pointer ) - keine GOTOs 13

14 Java-Eigenschaften? einfach sicher leistungsstark einfacher als C++ Das Thema Sicherheit wird nie ganz abgeschlossen sein interpretierte Bearbeitung ist langsamer als Programme in Maschinencode eines speziellen Rechners Programme Eine Programmiersprache ist ein durch einen Rechner interpretierbarer Formalismus mit eindeutig definierter Syntax und Semantik. Ein Programm ist die Formulierung eines Algorithmus in einer konkreten Programmiersprache. An OO-Program is a system of cooperating objects M.Waite and R.Lafore 14

15 Definition von Algorithmus Algorithmen Ein Algorithmus ist eine präzise, endliche Verarbeitungsvorschrift zur Lösung eines Problems. an Algorithm is a well-defined computational procedure that takes some value, or set of values, as input and produces some value, or set of values, as output. An algorithm is thus a sequence of computational steps that transform the input into the output Introduction to Algorithms. T. Cormen Algorithmus-Eigenschaften Die Beschreibung ist finit endlicher Länge Algorithmen sind determiniert Algorithmen terminieren i.d.r bei gleichen Eingabewerten gleiches Ergebnis. sie enden nach endlich vielen Schritten Es gibt Programme die nicht terminieren! 15

16 OO-Programm Die OOP betrachtet eine Programmausführung als ein System kooperierender Objekte O 1 O 3 O 2 OOP: Das Grundmodell Objekte haben einen lokalen Zustand Objekte empfangen und bearbeiten Nachrichten Ein Objekt kann seinen Zustand ändern, Nachrichten an andere Objekte verschicken, neue Objekte erzeugen oder existierende Objekte löschen. Objekte sind grundsätzlich selbständige Ausführungseinheiten, die unabhängig voneinander und parallel arbeiten können. 16

17 Konzepte objektorientierter Programmierung Objekte Klassen Nachrichten Vererbung Kapselung Polymorphismus Zustand: - Eigenschaft 1 - Eigenschaft 2 Verhalten: - Methode 1 - Methode 2 - Methode 3 Objekt Zustand: - Titel - Autor - Verlag. Buch Verhalten: - getautor( ) - getinhaltverzeichnis ( ) - suche ( Schlüsselwort )... 17

18 Klasse Was ist eine Klasse? Eine Klasse ist ein Bauplan, um Objekte einer bestimmten Art oder Sorte zu erzeugen. Ohne Klassen gibt es keine Objekte! Klasse Klasse Rechteck Rechteck_A x = 0 y = 0 höhe = 10 breite = 10 Umfang Fläche Diagonale x y höhe breite usw. Rechteck Rechteck Rechteck_C x = 33 y = 45 höhe = 15 breite = 15 Rechteck_B x = 0 y = 0 höhe = 10 breite = 10 18

19 Nachrichten Objekte interagieren, indem sie Nachrichten austauschen. Wenn Objekt A möchte, dass Objekt B eine Methode ausführt, dann sendet A eine Nachricht (Message) an B. A Attri..1 Attri B.doSomething( args ); Attri..1 Attri B C.doThis( args ); Attri..1 Attri C Klassen Objekte Eine Objekt ist: die Instanziierung einer Klasse, eine Einheit von Daten und Methoden, die auf diesen Daten operieren. Jedes Objekt weiß, zu welcher Klasse es gehört. Nachrichten statisch! Klassen definieren neue Objekttypen und sind Schablonen zum Erzeugen von Speicherobjekten. dynamisch! rechteck1.equal(rechteck2) Empfänger Nachricht Argumente 19

20 Java-Anwendung Rechteck.java class Rechteck { // Feldvariablen // Konstruktoren // Methoden } Kreis.java class Kreis { // Feldvariablen // Konstruktoren // Methoden } Geometrie.java class Geometrie { // Feldvariablen // Konstruktoren // Methoden }.... main.. ( ) {..} start Java-Programme Java-Programme bestehen aus einer oder mehreren Klassen Eine Klasse ist in der Regel in einer eigenen, gleichnamigen Datei mit der Endung.java definiert, z. B. MyFirstProgram.java Die Programmausführung beginnt mit der Methode main einer Klasse. 20

21 Beispiel /* Ein einfaches aber vollständiges Java-Programm */ public class MyFirstProgram { public static void main(string[] args) { } System.out.println( "Es läuft!"); }// end of class MyFirstProgram Kommentare in Java // von hier aus bis Ende der Zeile wird dieser Text ignoriert /* alle diese Zeilen hier werden von */ dem javac völlig ignoriert... /** dieser Text wird von dem javadoc-programm verwendet */ um automatische Dokumentation in html-format zu erzeugen 21

22 Java ist plattformunabhängig Java Source Java-Compiler Bytecode MyProgram.java javac MyProgram.class Interpreter Interpreter Interpreter java MyProgram MyProgram MyProgram Java Java-Anwendungen Selbständige Programme, die auf der lokalen Festplatte gespeichert werden und wie ein herkömmliches Programm installiert und gestartet werden können. Java Applets Kleine Programmstücke, die nicht selbständig ausgeführt werden können. Applets können nur von Web-Browsern oder Appletviewern ausgeführt werden. Java-Servlets Das serverseitige Pendant zu Java-Applets. Dies sind Programme, die auf einem Server (im Hintergrund) laufen und in der Lage sind HTML-Seiten zu generieren. 22

23 Java-Applets in HTML-Seiten Der Java-Quellcode des Applets: LaufText.java Zum Übersetzen ruft man dann `javac LaufText.java' auf, was im gleichen Verzeichnis eine Datei `LaufText.class' erzeugt <html> <head> <title>applettest</title> </head> <body> <applet code=lauftext.class width=120 height=60> </applet> </body> </html> JDK ( Java Development Kit ) javac java AppletViewer javadoc Java-Compiler Java-Interpreter Für Applets Dokumentationsgenerator Texteditor - UltraEdit - JBuilder IBM VisualAge für Java 23

24 Übersetzen/Ausführen Übersetzen: Ausführen: javac MyFirstProgram.java java MyFirstProgram 24

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