Genealogie der Programmiersprachen

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1 Genealogie der Programmiersprachen Literatur: Louden, Programming Languages, Chap. 2 Sebesta, Concepts of Programming Languagues, Chap. 3 Informatik I -1- WS 2005/2006 Erste Programme Analytical Engine oder Differenzmaschine No. 2 von Charles Babbage ( ) Speicher Mühle (Prozessor) Wenn-Dann Anweisungen, Schleifen Programme bestanden aus einer Folge von Karten mit Daten und Operationen Berechnungsbeispiele Erste Programmiererin: Ada Augusta, Countess Lovelace Berechnung von Bernoulli-Zahlen mit der (nie gebauten) Maschine Informatik I -2- WS 2005/2006 1

2 Erste Programme The distinctive characteristic of the Analytical Engine, and that which has rendered it possible to endow mechanism with such extensive faculties as bid fair to make this engine the executive right-hand of abstract algebra, is the introduction into it of the principle which Jacquard devised for regulating, by means of punched cards, the most complicated pattern in the fabrication of brocaded stuffs. [...] We may say most aptly, that the Analytical Engine weaves algebraical patterns just as the Jacquard loom weaves flowers and leaves. (Morrison and Morrison. Charles Babagge and his calculating engines S. 252) Informatik I -3- WS 2005/ Informatik I -4- WS 2005/2006 2

3 Lambda Kalkül Entwickelt in den 30 Jahren des 20 Jhds. von Alonso Church ( ) Smallest universal programming language of the world Besteht aus einer einzigen Transformationsregel (Variablensubstitution) und einem System zu Funktionsdefinition Universal in dem Sinne, dass jede (intuitiv) berechenbare Funktion damit ausgedrückt und evaluiert werden kann. Äquivalent zur Turing Maschine Grundlage für alle weiteren funktionalen Sprachen Informatik I -5- WS 2005/2006 Zuses Plankalkül Konrad Zuse ( ) Entwickler der Z1-Z4 Z3: 2600 Relais, Speicherkapazität 64 Zahlen mit jeweils 22 Dualstellen, 20 arithmetische Operationen/Sekunde : Entwicklung der ersten Programmiersprache Zuses Plankalkül (veröffentlicht 1972) Datentypen: Bit, Integer, Floating Point, Array, Record Schleifen (For-Anweisungen) Zusicherungen (assertions) Methoden zur analyse logischer Formeln und geklammerter Ausdrücke Informatik I -6- WS 2005/2006 3

4 Fortran 1955: FORmula TRANslating System: FORTRAN Programmierung der IBM 704 (1954) Erste Maschine mit Floating Point-Support Erste kompilierte Sprache Ziele und Motivation Computer waren langsam, Eingabe unzuverlässig Hauptanwendung: wissenschaftliches Rechnen Bis dahin: keine Möglichkeit der effizienten Programmierung Sehr hohe Kosten für Computer verglichen mit Programmierkosten Primäres Ziel für Compiler: Geschwindigkeit des Objektcodes Informatik I -7- WS 2005/2006 Fortran 1958: FORTRAN II Unabhängiges Kompilieren von Unterprogrammen FORTRAN I ohne diese Möglichkeit und die Unzuverlässigkeit der IBM 704 schränkte die praktischen Codelängen von Programmen auf Zeilen ein. 1962: FORTRAN IV Logische IF-Abfrage, Typdeklaration für Variablen, Unterprogramme auch als Parameter 1978: FORTRAN 77 Zeichenkettenmanipulation, Schleifen- und IF-ELSE-Anweisung ANSI 1992: FORTRAN 90 ANSI (American National Standard Institute) Funktionen für Operationen auf Feldern Dynamisches Anlegen von Feldern Abgeleitete Typen, Zeiger Informatik I -8- WS 2005/2006 4

5 LISP 1958 List-processing Language LISP Entwickelt von McCarthy und Minsky am MIT Funktionale Programmiersprache Alle Berechnungen durch Anwendung von Funktionen auf Argumente Iterative Prozesse mittels Rekursion Motiviert durch Fragestellungen der künstlichen Intelligenz (KI) Some method must be developed that allows computers to process symbolic data in linked lists Erste Anwendung: symbolische Ableitungen 1975: Scheme 1984: Common LISP (Vereinigung vieler LISP-Dialekte) 1986: Miranda 1990: ML (Meta Language) 1992: Haskell Informatik I -9- WS 2005/2006 ALGOL 1958: ALGOL 58 (ALGOrithmic Language) Gemeinsame Initiative der ACM (Association for Computing Machinery) und der GAMM (Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik) Universelle Sprache sollte so nah wie möglich an der gewöhnlichen mathematischen Notation sein Sollte benutzt werden können, um Berechnungsprozesse exakt zu beschreiben (z.b. in Veröffentlichungen) In vieler Hinsicht ein Abkömmling von FORTRAN Informatik I -10- WS 2005/2006 5

6 ALGOL 1959: Präsentation der Backus-Naur Form (BNF) Notation zur beschreibung von Programmiersprachen 1960: Peter Naur beschreibt die von ALGOL 58 mit Zusätzen vollständig in BNF 1960: ALGOL 60 Wichtige Erweiterungen gegenüber ALGOL 58: Blockstruktur Parameterübergabe by value und by reference Rekursive Unterprogramme Dynamische Felder auf dem Stack Informatik I -11- WS 2005/2006 ALGOL Anmerkungen zu Algol 60 War für gut 20 Jahre einzige Sprache zur Publikation von Algorithmen Beeinflusste alle nachfolgenden (imperativen) Programmiersprachen (PL/1, SIMULA 67, ALGOL 68, C, Pascal, Ada, C++, Java) Initiierte und beeinflusste wichtige Gebiete der Informatik Formale Sprachen Parsing-Theorie Compiler-Design Architektur von Rechnern Wurde nie dominierende Sprache Mangelnde Unterstützung durch Industrie Schwierige effiziente Implementierung von Compilern wegen sehr flexibler Möglichkeiten Fehlende Ein-/Ausgabe-Befehle Informatik I -12- WS 2005/2006 6

7 COBOL 1959: Common Business Oriented Language (COBOL) Entwicklung wie ALGOL Gemeinsame Sprache für Business-Applikationen Angeregt vom US DoD (Department of Defense) Ziele: Soweit als möglich Englisch Manager sollten Programme lesen können Einfach zu benutzen Auch auf Kosten der Ausdrucksmöglichkeiten Informatik I -13- WS 2005/2006 BASIC 1963: BASIC (Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code) In den 60er Jahren im universitären Umfeld entwickelt Ziele: Einfach zu lernen auch für Studenten aus nicht technischen Fächern Ermöglicht kurze Bearbeitungszeit für Hausaufgaben Freie Verfügbarkeit auch im Privatbereich Benutzerzeit ist wertvoller als Rechenzeit 1978: Minimal BASIC standard (ANSI) 1988: Quick BASIC (Microsoft) 1991: Visual BASIC (Microsoft) QB und VB entworfen zur Programmierung von graphischen Benutzeroberflächen Informatik I -14- WS 2005/2006 7

8 PL/I 1965: PL/I (Programming Language 1) Entworfen von IBM Ziele: Gemeinsame Sprache für möglichst viele Anwendungen Auch FORTRAN und COBOL Anwendungen Eigenschaften: Gleichzeitige (concurrent) Ausführung von Unterprogrammen 23 unterschiedliche Typen von Ausnahmen (exceptions) Rekursive Prozeduren (kann aber abgeschaltet werden, um Code-Effizienz zu erhöhen) Zeiger Zeilen/Spalten von Feldern können direkt adressiert werden (als Vektor) Informatik I -15- WS 2005/2006 ALGOL-Nachfolger: PASCAL, C, C++, Java 1971: PASCAL Entworfen von N. Wirth, ETH Zürich Vor allem für den Einsatz in der Lehre (Lehrsprache) Beispielhafte Kombination von Einfachheit und Ausdrucksfähigkeit 1972: C, A Portable System-Language Entwickelt von D. Ritchie (Bell Labs) Entworfen als Systemsprache für das UNIX-Betriebssystem 1978 Buch von Kernigan und Ritchie einzige Referenz 1989 ANSI-Standard 1983 weiterentwickelt von Stroustroup zu C : Java J. Gosling Informatik I -16- WS 2005/2006 8

9 Ada 1982: Ada Language Reference Manual Größte Initiative zur Entwicklung einer Sprache Gefördert von US DoD und auch international Versucht viele Konzepte einheitlich und sicher zu integrieren Probleme im Compilerbau: Sprache sehr umfangreich und komplex Erster vollständiger Compiler erst 4 Jahre später 1995: Ada 95 Unterstützung von GUIs (Graphical User Interface) Objektorientierte Programmierung Informatik I -17- WS 2005/2006 Die von Programmiersprachen (Lehre vom Satzbau) Literatur: Louden, Chap. 4 Sebesta, Chap. 3 Hopcroft, Motwani & Ullman, Kap 3, 5) Informatik I -18- WS 2005/2006 9

10 Problemstellung Programmierung Verarbeitung Assembler Fortran LISP, Haskell C, C++ Java... Automatisierbar? Maschinen-Code Informatik I -19- WS 2005/2006 Problemstellung Programmierung Assembler Fortran LISP, Haskell C, C++ Java... Ja, falls die Programmiersprachen richtig ausgewählt sind Verarbeitung Maschinen-Code Theorie formaler Sprachen zeigt, dass sich kontextfreie Sprachen mit geringem Aufwand maschinell analysieren und übersetzen lassen. Informatik I -20- WS 2005/

11 Was ist ein Übersetzer? Übersetzer (compiler) transformiert Einheiten (Klassen, Unterprogramme usw.) einer Quellsprache in eine Zielsprache. Gleiche Semantik von Quelleinheiten und Zieleinheiten. Im allgemeinen gilt: Quelleinheiten formuliert in maschinen-unabhängiger Sprache Zieleinheiten formuliert in maschinen-abhängiger Sprache, d.h. Maschinenbefehlen oder einer Zwischensprache (z.b. Bytecode). Übersetzungsschritte: Quellcode Interne Darstellung Zwischencode ( Maschinencode) Aufgaben eines Übersetzers: Prüfung der und statischen Semantik der Quelleinheit Erzeugung von Code in der Zielsprache Erzeugung von Informationen für Binder (linker) und Debugger Informatik I -21- WS 2005/2006 Beispiel: Java Informatik I -22- WS 2005/

12 Was ist ein Interpreter? Interpreter: liest ein Quellprogramm ein und führt es nach Prüfung von und Semantik sofort aus, ohne ein Maschinenprogramm zu erzeugen. Beschleunigt Programmentwicklung und erhöht Portabilität, führt aber zu längeren Laufzeiten eines Programms. Informatik I -23- WS 2005/2006 Übersetzungsphasen Arbeitsphasen eines Compilers: Lexikalische Analyse Zerlegung des Quellprogramms in eine Folge von Terminalsymbolen (Token). Syntaktische Analyse Prüft, ob das Quellprogramm den regeln der Quellsprache entspricht und strukturiert Terminalsymbole in (gültige) Sätze. Semantische Analyse Prüft, ob die Sätze des Quellprogramms einen Sinn ergeben, z.b., ob alle benutzten Namen deklariert wurden. Code Generierung Erzeugung von Zwischencode (Erzeugung von Maschinencode). Informatik I -24- WS 2005/

13 Lexikalische Analyse Die lexikalische Analyse (scanning) unterteilt die Zeichen der Eingabe in logische Einheiten (token), welche dann die Eingabe für die syntaktische Analyse bilden. Die Token fallen in mehrere Kategorien: Schlüsselwörter (keywords) If, while usw. Konstanten und Operatoren 42, "hello", +, -, * Bezeichner (Variablen, Funktionen usw.) x24, putchar, monthly_balance Trennzeichen (delimiter) Leerzeichen, Zeilenumbruch, Semikolon usw. Informatik I -25- WS 2005/2006 Lexikalische Analyse Es gibt große Unterschiede bei der Behandlung von Leerzeichen in Programmiersprachen FORTRAN DO 99 I = 1.2 ist eine Zuweisung an eine Gleitkommavariable, d.h. DO99I := 1.2 DO 99 I = 1,10 leitet eine Schleife mit 10 Iterationen ein Token der ersten Anweisung: DO99I, =, 1.10 Token der zweiten Anweisung: DO, 99, I, =, 1, 10 Grund: Fortran ignoriert Leerzeichen ausserhalb von Zeichenketten. Fortran kennt auch keine reservierten Symbole. Korrekt ist z.b. IF = 2 IF (IF.LT. 0) THEN IF = IF + 1 ELSE IF = IF + 2 END IF Informatik I -26- WS 2005/

14 Reguläre Ausdrücke Erkennung von Token in der lexikalischen Analyse: Reguläre Ausdrücke Generatoren für lexikalische Analysekomponenten, z.b. Lex. Reguläre Ausdrücke auch Eingabesprache für Programme, die Zeichenreihen verarbeiten. Suchbefehle: Unix grep (Global (search for) Regular Expression and Print) Formatierwerkzeuge: Unix awk (report generator, benannt nach den Autoren Aho, Weinberger, Kernighan). Beschreibung von Mustern, die in einer Datei gesucht werden. Auch in Programmiersprachen, z.b. Perl, die umfangreiche Textmanipulationsmöglichkeiten zur Verfügung stellen. Informatik I -27- WS 2005/2006 Reguläre Ausdrücke Reguläre Ausdrücke definieren reguläre Sprachen 01* + 10*: Sprache besteht aus Zeichenketten mit einer führenden Null und nachfolgend beliebig vielen Einsen oder einer führenden Eins und nachfolgend beliebig vielen Nullen. Operationen auf regulären Sprachen: Vereinigung zweier Sprachen L und M: L M = Beispiel: L = {001, 10, 111}, M = {ε, 001}, L M = {ε, 001, 10, 111} Verkettung der Sprachen L und M: LM { vw v L w M} =, { v v L v M} Beispiel: L = {001, 10, 111}, M = {ε, 001}, LM = {001ε, 10ε, 111ε, , 10001, } Informatik I -28- WS 2005/

15 Reguläre Ausdrücke Kleensche Hülle einer Sprache L, L*: 0 L = { ε} 1 i i 1 L = L L = LL + = U i L* = L L U L i= 0 i= 1 Mit L = {0,1} enthält L* alle Zeichenketten aus Nullen und Einsen. Mit L = {0,11} enthält L* alle Zeichenketten aus Nullen und Einsen, in denen die Einsen paarweise auftreten: L 0 = {ε} L 1 = L L 2 = {00, 011, 110, 1111} L 3 = {000, 0011, 0110, 01111, 1100, 11011, 11110, } i Informatik I -29- WS 2005/2006 Bilden regulärer Ausdrücke Definition Reguläre Ausdrücke über einem Alphabet Σ: Induktionsbeginn 1. ε und sind reguläre Ausdrücke L(ε) = {ε} und L( ) =. 2. Mit a Σist a ein regulärer Ausdruck (Fettsatz nur Kennung) L(a) = {a}. Induktionsschritt 1. Mit E und F ist auch E+F ein regulärer Ausdruck L(E+F) = L(E) L(F). 2. Mit E und F ist auch EF ein regulärer Ausdruck L(EF) = L(E)L(F). 3. Mit E ist auch E* ein regulärer Ausdruck L(E*) = L(E)*. 4. Mit E ist (E), d.h. E in Klammern, der selbe reguläre Ausdruck L((E)) = L(E) (gleiche Sprache). Informatik I -30- WS 2005/

16 Bilden regulärer Ausdrücke Beispiel: Ein regulärer Ausdruck, der die Menge der Zeichenketten erzeugt, die aus alternierenden 0 und 1 bestehen. Beginn: Zeichenkette 01 0 und 1 sind reguläre Ausdrücke: L(0) = {0}, L(1) = {1} und L(0)L(1) = {01} (01)*: Zeichenketten, die mit 0 beginnen und mit 1 enden 1(01)*: Zeichenketten, die mit 1 beginnen und mit 1 enden (10)*: Zeichenketten, die mit 1 beginnen und mit 0 enden 0(10)*: Zeichenketten, die mit 0 beginnen und mit 1 enden Und damit: E = (01)* + 1(01)* + (10)* + 0(10)* oder in Kurzform: E = (ε + 1)(01)*(ε + 0) Informatik I -31- WS 2005/2006 Auswerten regulärer Ausdrücke Vorrangsregeln bei regulären Ausdrücken: 1. *-Operator Wird auf die kürzeste Sequenz von Symbolen angewendet, die einen regulären Ausdruck darstellt, d.h. ein einzelnes Symbol oder einen eingeklammerten Ausdruck. 2. Verkettung 3. Vereinigung (+) Klammern heben Vorrang auf Informatik I -32- WS 2005/