2 Vorkurs Programmierung

Transkript

1 Vorkurs Programmierung Begrüßung und Einführung Prof. Dr. Detlef Krömker Professur für Graphische Datenverarbeitung Institut für Informatik Fachbereich Informatik und Mathematik (12) Lernziele Sie sollen in der Lage sein, die Arbeitsplatzrechner in der RBI zu nutzen. Hierzu wird eine (kurze) Einführung in das Linux-Betriebssystem gegeben: Geschichte, Grundlagen und Konzepte Wichtige Befehle Weiterhin: Wie funktioniert ein Computer? Wie programmiert man einen Computer? Einführung in Python und IDLE 2 Vorkurs Programmierung 1

2 Überblick 1. Linux eine Einführung 1. Geschichtliches 2. Distributionen 3. Konzepte 4. Befehle 5. Die Arbeitsumgebung in der RBI 2. Computer und Programmiersprachen 1. Analog- und Digitaltechnik 2. Maschinensprache / Assembler 3. Hochsprachen 4. Python 5. Ausblick 3 Vorkurs Programmierung Von Unix zu Linux I Entwicklung von Unix begann 1969 an den Bell Laboratories, Tochterfirma von AT&T, durch Ken Thompson, Dennis Ritchie u.a. Erfuhr Mitte der 70er Jahre große Verbreitung im akademischen Bereich, u.a. an der University of California in Berkeley, die es erheblich weiterentwickelte und ihre eigene Unix-Distribution herausbrachte, die Berkeley Software Distribution (BSD) 1979 begann AT&T mit der kommerziellen Vermarktung von Unix und stellte den Quellcode nicht mehr zur Verfügung. Da AT&T auch Rechte an BSD beanspruchte, rief Richard Stallman 1983 das GNU-Projekt (GNU is not Unix) ins Leben Ziel von GNU war die Entwicklung einer vollständig freien Implementierung des POSIX-Standards unter der GNU General Public License (GPL) 4 Vorkurs Programmierung 2

3 Von Unix zu Linux II Anfang der 90er Jahre waren große Teile des Userlands fertig gestellt. Es fehlte jedoch noch ein Betriebssystemkern. Kern für das Betriebssystem sollte der HURD werden. Entwicklung verlief jedoch sehr schleppend begann Linus Torvalds mit der Entwicklung einer Terminal- Emulation, die sich schließlich zu einem Betriebssystemkern entwickelte und unter dem Namen Linux veröffentlicht wurde Wegen der pragmatischen Vorgehensweise bei der Entwicklung fand das Projekt schnell viele Anhänger, die sich beteiligten Linux bezeichnet eigentlich nur den Kern, ist aber heute gängige Bezeichnung für ganze Software-Distributionen, bestehend aus Kern, Systemprogrammen (hauptsächlich GNU) und Drittanwendungen 5 Vorkurs Programmierung Linux-Distributionen Da Linux und GNU im Quellcode zur Verfügung stehen, kann sich prinzipiell jeder die Quellen besorgen und sich sein Betriebssystem selbst zusammenstellen. Aber will man das? fedora.redhat.com 6 Vorkurs Programmierung 3

4 Linux - Konzepte - Aufbau Applikationen Shell Konsole Windowmanager X-Window-System Userland Kernel Hardware 7 Vorkurs Programmierung Linux - Konzepte - Benutzer Benutzer können Gruppen zugeordnet werden; auf diese Weise sind gruppenbasierte Zugriffsrechte möglich Prozesse laufen im Kontext des Benutzers, der sie gestartet hat Benutzer können Prozesse anderer Benutzer nicht beenden Zugriff nur auf Resourcen, die für den jeweiligen Benutzer freigegeben sind Ausnahme: Systemadministrator root darf alles 8 Vorkurs Programmierung 4

5 Linux - Konzepte - Dateisystem / /bin /boot /dev /etc /home /lib /media /opt /sbin /usr /tmp /var /usr/bin /usr/lib /usr/local /usr/sbin /usr/share /usr/src /usr/local/bin /usr/local/lib /usr/local/sbin /usr/local/share Spezialfälle:. Das aktuelle Verzeichnis.. Das Elternverzeichnis 9 Vorkurs Programmierung Linux - Befehle I Das Wichtigste vorweg: Zu allen Befehlen gibt es ein Online-Manual, das mit dem Befehl man angezeigt werden kann, Bsp: man ls Bei der Benennung von Dateinamen können auch die aus MS-DOS bekannten Wildcards * und? verwendet werden. cd Verzeichnis - Wechselt das Arbeitsverzeichnis. Ohne Verzeichnisangabe wird in das Homeverzeichnis des Benutzers gewechselt. mkdir [Option] Verzeichnis - Erstellt ein neues Verzeichnis. Option: -p - Erstellt Elternverzeichnisse, wenn nötig. rmdir Verzeichnis - Löscht ein leeres Verzeichnis rm [Option] Dateien - Löscht Verzeichnisse und Dateien. Optionen: -i, -f, -r 10 Vorkurs Programmierung 5

6 Linux - Befehle II cp [Option] alt neu - Dateien kopieren. Option: -R - Rekursiv. p - Rechte und Attribute erhalten. d - Verweise erhalten. a = -dpr. mv alt neu - Dateien umbenennen oder verschieben ln [Option] alt neu - Einen Link erstellen. Option: -s - Einen symbolischen Link erstellen chmod [Option] MODE Datei - Zugriffsrechte ändern chown [Option] Besitzer[:Gruppe] datei - Besitzer ändern (nur root). Option: -r - Rekursiv. ls [Option] Datei - Dateien oder Verzeichnisse anzeigen. Option: -l - ausführliche Anzeige. a - auch versteckte Dateien anzeigen. 11 Vorkurs Programmierung Linux - Zugriffsrechte Sehen wir uns die Ausgabe von ls l mal genauer an -rwxr-xr-x 2 root system 256 Sep 22 15:08 test.txt Typ Rechte Besitzer Gruppe Größe Zuletzt geändert Dateiname 12 Vorkurs Programmierung 6

7 Die Linux-Umgebung auf den RBI-Rechnern Verwendete Distribution ist Fedora Core 5 Standard-Desktopumgebung ist KDE sehr windowsähnlich, aber man wird früher oder später auf der Kommandozeile landen Starten einer Terminal-Emulation über Startmenü System Terminal Wichtig: Rechner nicht ausschalten oder herunterfahren! Abmelden und Bildschirm aus genügt! 13 Vorkurs Programmierung Die Linux-Umgebung auf den RBI-Rechnern 14 Vorkurs Programmierung 7

8 Die Linux-Umgebung auf den RBI-Rechnern 15 Vorkurs Programmierung Weiterführende Literatur SUSE-Dokumentation, Michael Kofler: Linux: Installation, Konfiguration, Anwendung, 7. Auflage, Addison-Wesley 2005 (auch hier in der Bibliothek) Arnold Willemer, Wie werde ich Unix-Guru, Galileo-Computing 2003, 16 Vorkurs Programmierung 8

9 Was ist ein Computer? Eine Maschine (heute i.d.r. ein digitalelektronische) zur Speicherung und automatischen Verarbeitung von Daten resp. Informationen (z.b. für mathematische Berechnungen oder allgemeiner Zeichenersetzungen) durch Angabe einer programmierbaren (Rechen-)vorschrift. Die programmierbare, d.h. veränderbare (Rechen-)vorschrift nennen wir Programm Ł Hardware (die Elektronik), das unveränderbare Ł Software (das Programm), das veränderbare 17 Vorkurs Programmierung Digitalcomputer - Analogcomputer Unsere Definition ist eingeschränkt auf Digitalrechner, also solche Rechner, die mit diskreten, endlichen Zahlenmengen oder Zeichenmengen arbeiten (Informationstragenden Größen = Daten) Historisch gibt es eine andere Art: die Analogcomputer oder Analogrechner: Sie repräsentieren ihre Daten nicht als diskrete Werte, sondern als kontinuierliche eben analoge Größen, zum Beispiel in Form von geometrischen Längen oder Winkeln (mechanisch, z.b. Rechenschieber, Planimeter) oder elektrischen Spannungen oder Strömen. 18 Vorkurs Programmierung 9

10 Digitalcomputer Wenn wir heute digital sagen, meinen wir damit Rechner, die auf der Grundlage eines dualen Stellenwertsystems arbeiten Dieses kennt nur die Ziffern 0 und 1, im Computer z.b. repräsentiert durch Strom und kein Strom. Die kleinste Speichereinheit, die Information speichern kann, ist das Bit. Es kann die Zustände 0 und 1 annehmen. Acht Bit fasst man zusammen zu einem Byte. Damit lassen sich 2 8 = 256 verschiedene Zustände darstellen. Ein (Maschinen-)Wort ist die Anzahl der Bits, die ein Prozessor in einem Arbeitsschritt verarbeiten kann. Bezeichnet zugleich den maximal adressierbaren Speicher. Im PC-Bereich sind noch 32 Bit üblich, aber der Sprung auf 64 Bit steht bevor. 19 Vorkurs Programmierung Maschinensprache Die Sprache, die der Rechner unmittelbar versteht, ist für den Menschen unverständlich. Es handelt sich um Binärcode, den der Prozessor direkt ausführen kann. Es wird ein Wort aus dem Speicher gelesen. Dieses besteht aus einer Instruktion und Argumenten. Der Prozessor führt die Instruktion aus, und lädt das nächste Wort aus dem Speicher. 20 Vorkurs Programmierung 10

11 Beispiel 21 Vorkurs Programmierung Assembler Da nur wenige Erleuchtete in der Lage waren, in Maschinensprache zu programmieren, wurde die Maschinensprache durch Wahl einer geeigneten Repräsentation lesbarer gemacht. Befehle werden durch Mnemonics repräsentiert, für Register Bezeichner verwendet Nutzung von Sprungmarken und Kommentaren ist ebenfalls möglich. Ein Assembler übersetzt die Mnemonics in Maschinensprache 22 Vorkurs Programmierung 11

12 Beispiel 23 Vorkurs Programmierung Hochsprachen Schon einfacher, aber: Immer noch sehr maschinennah, wenig abstrakt Schwer zu portieren: Jede Architektur hat ihre eigene Assemblersprache Eine höhere Abstraktion ist erwünscht, damit der Programmierer seine Zeit damit verbringen kann, Probleme zu lösen, nicht CPU zu spielen und wie eine Maschine zu denken. Außerdem will niemand dasselbe Programm zweimal schreiben. Daher sollten Programme leichter portierbar sein. 24 Vorkurs Programmierung 12

13 Compiler Bei einer Hochsprache wird ein Programm in einer wesentlich abstrakteren, für den Menschen leichter verständlichen Form repräsentiert. Die Übersetzung in Maschinencode wird vom Rechner übernommen. Dies erledigt der Compiler. Der Compiler kann direkt Maschinencode erzeugen (plattformabhängig) oder plattformunabhängigen Bytecode, der zur Laufzeit in Maschinencode umgewandelt wird (Just-In-Time-Compiler) Beispiele für compilerbasierte Programmiersprachen: C, C++, FORTRAN Bytecode-Sprachen: Java,.NET-Sprachen 25 Vorkurs Programmierung Interpreter Ein Interpreter führt ein Programm direkt aus. Der Schritt des vorgelagerten Übersetzens entfällt; jeder Befehl wird direkt ausgewertet und in Maschinensprache übersetzt. Vorteile: Kein zeitaufwändiges Übersetzen; die Auswirkungen von Änderungen können sofort getestet werden; hochgradig plattformunabhängig und portabel. Nachteil: Programme laufen langsamer als vorkompilierter, optimierter Maschinencode. Beispiele: Basic, Python 26 Vorkurs Programmierung 13

14 und damit zu Python Objektorientierte Very high level -Sprache Schwerpunkt liegt auf Übersichtlichkeit und Einfachheit Kostenlos verfügbar Homepage: Versionen verfügbar für Windows, Linux uvm Entwicklungsumgebung IDLE enthalten Laden Sie Python herunter und experimentieren Sie zu Hause! 27 Vorkurs Programmierung Syntax Datentypen werden implizit erkannt, müssen nicht deklariert werden: Dynamische Typbindung: a = 2 # Variable a hat jetzt einen Integerwert a = Hallo! # Jetzt ist a eine Zeichenkette Zulässig, aber schlechter Stil. Kommentare werden mit einem # eingeleitet. Alles, was in einer Zeile danach folgt, wird vom Interpreter ignoriert Kommentieren Sie Ihre Programme! 28 Vorkurs Programmierung 14

15 Syntax Blöcke werden durch Einrücken gekennzeichnet: if 1 == 1: print Es gilt: 1 = 1 print Stimmt doch, oder? elif 1 == 0: print Es gilt: 1 = 0 print Das kann nicht sein. else: print Es gilt nicht: 1 = 1! print Kann das sein? print Hier geht es weiter 29 Vorkurs Programmierung Syntax Einige Operatoren: + Addition bzw. Konkatenation - Subtraktion * Multiplikation / Division % Rest ** Exponentiation = Zuweisung == Vergleichen: Ist gleich > Vergleichen: Ist größer < ist kleiner >= Vergleichen: Ist größer oder gleich >= ist kleiner oder gleich Präzedenz: Wie in der Mathematik! 30 Vorkurs Programmierung 15

16 Daten einlesen Wir haben jetzt schon gesehen, wie man etwas ausgeben kann (mit print). Aber wie liest man Daten ein? Eingabe = raw_input() Print Die Eingabe war + Eingabe Oder auch: Eingabe = raw_input( Geben Sie etwas ein: ) Print Die Eingabe war + Eingabe 31 Vorkurs Programmierung Zusammenfassung Wir können jetzt Grundlegende Dateioperationen unter Unix/Linux durchführen Einfache Batchprogramme unter Python schreiben und dabei Daten von der Konsole einlesen, auf die Konsole ausgeben, einfache arithmetische Operationen durchführen und dabei Bedingungen auswerten. 32 Vorkurs Programmierung 16

17 Ausblick Wir müssen noch die grundlegenden numerischen Datentypen und Zeichenketten genauer kennenlernen lernen, wie man Anweisungen automatisch wiederholen lässt, bis eine Bedingung erfüllt ist lernen, wie man häufig benötigte Funktionalität auslagert und wiederverwendbar macht die Klassenbibliothek von Python genauer kennenlernen auf Fehlersituationen reagieren können uns einen grundlegenden Überblick über objektorientierte Programmierung verschaffen 33 Vorkurs Programmierung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 34 Vorkurs Programmierung 17

18 Fragen? 35 Vorkurs Programmierung 18