Programmierung. HS Bhven, FB1, Studiengang Medizintechnik SS 14, MT-B 4. richard rascher-friesenhausen

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1 Programmierung HS Bhven, FB1, Studiengang Medizintechnik SS 14, MT-B 4 richard rascher-friesenhausen 14. März 2014 Organisatorisches Allgemeines Python PRG, SS 14 March 14,

2 Organisatorisches Organisatorisches Termin: Vorlesung: Di. 08:00 09:30, K302 Übung: Di. 09:45 11:15, Z0120, MSM und weitere Kontakt: am besten über Sprechstunde im Raum M5050 nach Vereinbarung oder nach der Veranstaltung. Leistungsnachweis: über Klausur am Ende des Smesters Lasse eine Liste rundgehen. Bitte eintragen mit -Adresse für Mailverteiler. PRG, SS 14 March 14,

3 Allgemeines Ein schneller Überblick auf was Programmieren ist, was dafür gebraucht wird und was wir machen werden. Was ist Programmieren? Programmieren, oder besser Computer Programmieren, ist der Prozeß, Instruktionen für einen Computer zu schreiben, die den Computer veranlassen, eine vorbestimmte Aufgabe zu erledigen. Bausteine der Programmierung sind Problemformulierungen Algorithmen Implementierungen Testen Dokumentieren Ergebnis ist Software : lauffähige Programme oder verwendbare Bibliotheken. PRG, SS 14 March 14,

4 Software-Engineering Software Engineering beschreibt eine systematische Vorgehensweise für die Entwicklung von Software Betrieb von Software Pflege von Software Sterben von Software Begleitet also die gesamte Lebenszeit einer Software ( software life-cycle ). Verschiedene Systematiken für einzelne Bausteine. Betrachten hier nur Entwicklung von Software (Programmieren). Systematiken notwendig/sinnvoll für Arbeiten im Team: Jeder weiß, wer was wie macht. Einhalten von Systematiken gehört zum Qualitätsmanagment oder kurz QM. Beispiele für Systematiken sind Extreme Programming oder Scrum. Problemformulierung Bevor man an die Lösung des Problems geht, sollte genau geklärt sein, was das Problem wirklich ist! PRG, SS 14 March 14,

5 Algorithmen Ganz grob ist ein Algorithmus ein Lösungsverfahren für eine Klasse von Problemen. Vergleichbar einem Rezept, Prozeß, Methode, Technik, Prozedur, Routine. Beispiele für Problemklassen und ihre Algorithmusidee Bestimmen des Größten Gemeinsamen Teilers: Euklidischer Algorithmus Lösung einer quadratischen Gleichung: p-q-formel Lösung eines linearen Gleichungssytems: Gauss-Algorithmus Sortieren von Patientendaten: Sortieren durch Auswahl öffnen einer Tür: trainierter Reflex?... (Wirklich wichtige Algorithmen findet man unter Dongarra, Sullivan (2000): Top ten algorithms of the century, IEEE, Comput. Sci. Eng.) Algorithmen Formale Definition (nach D.E. Knuth: The Art of Computer Programming I, pp. 4): Ein Algorithmus ist ein endlicher Satz von Anweisungen zur Lösung einer gegebenen Klasse von Aufgaben. Zusätzlich muß ein Algorithmus die folgenden fünf Kriterien erfüllen: 1. Endlichkeit (finiteness): Ein Algorithmus terminiert in allen Fällen nach einer endlichen Anzahl von Schritten. 2. Bestimmtheit (definitness): Jede Anweisung eines Algorithmus ist klar, unzweideutig und durchführbar. 3. Eingabe (input): Ein Algorithmus hat Null oder mehr Eingaben: Objekte, die zu Beginn oder zur Laufzeit extern eingegeben werden. 4. Ausgabe (output): Ein Algorithmus hat eine oder mehr Ausgaben: Objekte, die in einer spezifischen Relation zur Eingabe stehen. 5. Effizienz (effectiveness): Jede Anweisung eines Algorithmus muss so grundlegend sein, dass sie im Prinzip von jedermann mit Papier und Bleistift in endlicher Zeit ausgeführt werden kann. PRG, SS 14 March 14,

6 Algorithmen Zwischen Algorithmus und Programm wird in der Informatik unterschieden. Ein Programm muss beispielsweise nicht endlich sein. Etwa wartet eine vergessene grafische Oberfläche endlos auf Benutzereingaben, wenn das Betriebssystem des Computers nicht abstürzt. Darüber hinaus muss das Programm so formuliert sein, dass es auf einem Rechner lauffähig ist. Einen Algorithmus kann auf verschiedene Weisen formuliert werden: in natürlicher Sprache, in Pseudo Code, in grafischer Darstellung (Struktogramm, Flußdiagramm),... Algorithmen Problem: Finde alle Lösungen x R der quadratischen Gleichung x 2 + p x + q = 0, p, q R Lösungsidee: x 1,2 = p 2 ± (p 2) 2 q Algorithmus: Input: Koeffizienten p und q. 1 Bestimme Radikanden r = ( p 2 2) q. 2 if r < 0 then 3 Belege x 1 = x 2 =None 4 Setze Fehlercode auf keine reelle Nullstelle. 5 elseif r = 0 then 6 Bestimme x 1 = x 2 = p 2. 7 Setze Fehlercode auf doppelte reelle Nullstelle. 8 else 9 Bestimme x 1 = p 2 r,x 2 = p 2 + r. 10 Setze Fehlercode auf zwei reelle Nullstellen. 11 end.if Output: Nullstellen x 1, x 2 und Fehlercode PRG, SS 14 March 14,

7 Algorithmen Problem: Sortiere einen Satz von n 1 ganzen Zahlen entsprechend ihrer Größe beginnend mit der kleinsten. Lösungsidee: Finde von den momentan unsortierten Zahlen die kleinste und plaziere sie als nächste in die sortierte Liste. Algorithmus: Input: n ganze Zahlen 1 Lese n Zahlen in das Feld a 0,..., a n 1 ein. 2 for i = 0, 1,..., n 2 do 3 Suche das kleinste Element aus a i,..., a n 1. 4 Nehme an, es steht in a min. 5 Vertausche a i mit a min. 6 end.for Output: Sortiertes Feld a 0,..., a n 1 ganzer Zahlen Falls Zahlen gleich sind, wählen wir die erste Position. Algorithmen Woher kommt der Name? Algorithmus ist lateinische Fassung eines arabischen Namens: Mohammad ibn-mus al-khwarizmi ( ) Gelehrter am Hofe des Kalifen Al-Ma mun in Bagdad. Mathematisches Werk Hisab al-gabr wal-muqdala Rechenverfahren durch Ergänzen und Ausgleichen. Drei Jahrhunderte später lateinische übersetzung in Spanien. Beginnt mit Dixit Algoritmi... Es sprach Algoritmi... PRG, SS 14 March 14,

8 Programmiersprachen Wie rede ich mit meinem Computer? Wie bringe ich ihm bei, das zu tuen, was ich von ihm will? Wie setze ich konkret einen Lösungsalgorithmus auf dem Rechner um? Brauchen eine Programmiersprache. Diese fallen in drei Kategorien: 1. Maschinensprachen, 2. Assembler und 3. Höher Programmiersprachen. Programmiersprachen Maschinensprache Einzige Sprache, die direkt vom Computer verstanden wird. Definiert durch das Hardware Design des Rechners: maschinenabhängig. Unverständlich für den Menschen: Strom von 0en und 1en (wie alle Info im Rechner). Kaum bis gar nicht für den Menschen programmierbar. Anfang von hello.exe hexadezimal: f 464c a2c c c f f f b b a0 96b a b c d d d e f c2f c2f 2d64 696c 756e Führte zu den Assemblern. PRG, SS 14 March 14,

9 Programmiersprachen Assembler Englisch ähnliche Abkürzungen, die elementare Operationen des Rechners darstellen. Ebenfalls maschinenabhängig. Spricht Prozessor, Register und RAM direkt an. Werden in die Maschinensprache übersetzt. Übersetzung geht schnell. Deutlich lesbarer als Maschinencode. Aber immer noch viele Instruktionen für einfache Aufgaben. total = LDA 5 STA num1 LDA 4 ADD num1 STA total Einsatz für System-Software und Speziallösungen: Signalprozessoren, Grafikchips. Führt zu höheren Programmiersprachen. Programmiersprachen Höhere Programmiersprachen Einzelne Anweisungen führen komplexe Aufgaben aus. Maschinenunabhängig. Compiler Sprachen: Werden nach Maschinensprache übersetzt: Compiler. Übersetzung benötigt relativ viel Zeit. Schnelle Laufzeit der Programme. Interpreter Sprachen: Lassen Programme ohne Compilierung laufen. Rapid Development. Deutlich langsamere Laufzeiten der Programme. Für beide gilt: Anweisungen sind lesbar für den Menschen. Klingen nach alltäglichen Englisch. Enthalten übliche mathematische Notationen. PRG, SS 14 March 14,

10 Programmiersprachen Höhere Programmiersprachen Es gibt viele Hundert verschiedene höhere Programmiersprachen: Ada, Algol, APL, awk, Basic, C, C++, Cobol, Delphi, Eiffel, Euphoria, Forth, Fortran, (HTML), Icon, Java, Javascript, Lisp, Logo, Mathematica, Matlab, Miranda, Modula-2, Oberon, Pascal, Perl, PL/1, Prolog, Python, Rexx, SAS, Scheme, sed, Simula, Smalltalk, Snobol, SQL, Visual Basic, Visual C++, (XML) Siehe zu den The Language Guide:.des/cis400/ Und Computer Languages History: Beispiele kommen später. Aber nicht zu allen Sprachen... C Dennis Ritchie (Bell Laboratories), 1971 C++ Bjarne Stroustrup (Bell Laboratories), Juli 1983 Fortran John Backus (IBM), November 1954 Java James Gosling (Sun Labs), 23. Mai 1995 Mathematica Stephen Wolfram (Wolfram Research), 1988 Pascal Nikolaus Wirth (ETH), 1970 Python Guido Van Rossum (Stichting Mathematisch Centrum), 1991 Ruby Yukihiro Matsumoto (?), 24. Februar 1993 Programmiersprachen Höhere Programmiersprachen Was jede höhere Programmiersprache unterstüzt sind Input: Lesen von Werten in das Programm Output: Schreiben von Werten aus dem Programm Mathematik: Rechenoperationen auf Zahlen Bedingungen: Bedingte Ausführung von Anweisungen Wiederholungen: Wiederholte Ausführung von Anweisungen Und das genügt auch, um all das zu programmieren, was gebraucht wird (Turing-vollständig). Was meist noch dazukommt sind Funktionen oder Unterprogramme, Bibliotheken für das modulare Programmieren. PRG, SS 14 March 14,

11 Fehler & Testen Syntaktische Fehler Laufzeit-Fehler Semantische Fehler Testen Programmieren ist die eine Sache. Prüfen, ob das Programm das gestellte Problem wirklich löst, eine andere Sache. Fehler kommen vor! Unterscheidbar in 1. Syntaktische Fehler 2. Laufzeit-Fehler 3. Semantische Fehler Fehler & Testen Syntaktische Fehler Verstoß gegen die Syntax Regeln der Programmiersprache. Etwa: Falsch geschriebene Namen für Befehle, vergessene Satzzeichen,... Meckert ein Compiler/Interpreter an! Mit Angaben wo und was. Nicht so wild... Müssen korrigiert werden, damit Programm überhaupt läuft. Wohl zu Beginn die häufigsten Fehler. PRG, SS 14 March 14,

12 Fehler & Testen Laufzeit-Fehler Machen sich erst zur Laufzeit des Programmes bemerkbar. Etwa: Division durch Null, überschreiben von Speicherbereichen,... Exceptions Brechen das Programm vorzeitig ab. Nicht ganz leicht! Kommen immer wieder vor. Sollten korrigiert oder abgefangen werden. Fehler & Testen Semantische Fehler Etwas ist verkehrt mit den Resultaten. Programm läuft durch. Aber es löst nicht das gestellte Problem. Zumeist Fehler in dem Lösungsalgorithmus oder der Lösungsidee. Auch nicht ganz leicht! Müssen korrigiert werden! PRG, SS 14 March 14,

13 Fehler & Testen Testen In jeder Phase der Programmentwicklung sollte getestet werden. Dazu werden gebraucht: Gültige Programmeingaben und Zugehörige korrekte Programmausgaben Mit kleinen Beispielproblemen einzelne Funktionen oder Programmzeilen austesten. Im Extremfall zuerst die Tests schreiben, dann erst das Lösungsprogramm (Extreme Programming). Tests automatisieren. Beispiele dazu später. Zumeist wird sich darum gedrückt... Aber: Gehört zum QM. Dokumentieren Dokumentation für einen selber und für andere. Dokumentation des Programms für 1. was tut es: für Anwender Handbuch 2. wie tut es es: für Entwickler Kommentare im Quellcode Vor dem Dokumentieren wird sich zumeist gedrückt! Zu unrecht. Gehört zum QM. PRG, SS 14 March 14,

14 Inhalte der Vorlesung und der Übung Natürlich können wir nicht alles machen, was oben angedeutet wurde. Dazu sind eine Menge Spezialvorlesungen erforderlich und auch jahrelanges anwenden und probieren. Wir werden Python lernen (das ist einfach). Wir werden mit Python Programmieren lernen. Abstrakte Datentypen Suchen und Sortieren Rekursion OOP GUI... Wir werden viel progammieren (learning by doing). Wir werden einige Software Engineering Techniken praktisch kennenlernen. Entwerfen Dokumentieren Testen Wir werden vielleicht noch einen Blick auf Java oder C++ werfen. Python Hello world Geschichte Anwendungsgebiete Resourcen Python verwenden (in der Übung) Ein bischen was zu Python. Wie es aussieht, woher es kommt, welche Hilfen es gibt und wie man dran kommt. PRG, SS 14 March 14,

15 Hello world Traditionell beginnt jedes Lernen einer Programmiersprache mit einem Programm, dass Hello World! auf dem Monitor ausgibt. Wir schauen uns das an in Python, Java und C++. Wer noch mehr Beispiele sehen möchte: Hello, World Page!: Hello world Hello world in C++: // "Hello world!" in C++ #include <iostream> hello.cpp int main(void) { std::cout «"Hello world!" «std::endl; return 1; } Dann compilieren (erzeugt hello.o): C:\> g++ -c hello.cpp Dann linken (erzeugt hello.exe): C:\> g++ -o hello.exe hello.o Zuletzt starten mit C:\> hello PRG, SS 14 March 14,

16 Hello world Und nochmal Hello world in Java: hello.java // "Hello world!" in Java class hello { public hello() { } public static void main(string[] args) { System.out.println("Hello world!"); } } Dann compilieren (erzeugt hello.class): C:\> javac hello.java Zuletzt starten mit C:\> java hello Hello world Zuletzt Hello world in Python: # "Hello world!" in Python print "Hello world!" hello.py Starten mit C:\> python hello.py Und alle drei Programme erzeugen die Ausgabe Hello world! PRG, SS 14 March 14,

17 Geschichte Entstand 1989, geschrieben von Guido van Rossum. Veröffentlicht 1991 (Version 1.5, heute Versionen 2.7, 3.3). Ursprünglich Scripting Sprache für Administrationszwecke. Basiert auf den Sprachen ABC (All Basic Code) und Modula-3. Benannt nach Monty Python. Gut unterstütze und lebende Programmiersprache: Web-Seite: Dokumentation: News-Group: news:comp.lang.python... Geschichte Python ist einfach (wirklich...) aber dennoch eine echte und objektorientierte Programmiersprache eine very-high-level Programmiersprache: high-level Datentypen sind eingebaut modular und erlaubt Wiederverwendeung von Code enthält viele Standardmodule: batteries included interpretiert und spart so Zeit während der Entwicklungsphase interaktiv und erlaubt das Experimentieren mit den Sprachfeatures erweiterbar durch C und C++. Jython verwendet Java für Erweiterungen portabel, läuft auf Windows, Linux, OS X, Android,... ist kostenlos. PRG, SS 14 March 14,

18 Anwendungsgebiete Anwendungsgebiete für Python sind (siehe auch python.org): Web-Programmierung Datenbankanbindungen Grafische Oberflächen Numerische Mathematik, Bioinformatik Netzwerke Softwareentwicklung Python auf dem SmartPhone: Python for Android QPython, Py4A. Python für Spiele: Civilization IV. Verknüpfen von Applikationen, Steuern von Applikationen. (Bsp.: MeVisLab) Und natürlich als Einstieg in das Programmieren... Mehr unter Resourcen Distributionen Texte Bücher & Dokumentation PRG, SS 14 March 14,

19 Resourcen Distributionen Python ist freie Software. Sie kann aus dem Internet für den Rechner zu Hause heruntergeladen werden (Windows, Linux, Unix, Mac OS). Adressen dazu sind: Python: das Original. ActiveState: eine Distribution mit mehr Windows Tools. Enthought: eine Distribution mit ganz, ganz viel. PythonXY: code.google.com/p/pythonxy/ noch eine Distribution mit ganz, ganz viel. Die verwenden wir. Jython: Python in Java, Python für Java, (Java für Python). Die Distributionen Dritter hinken in der Version dem Original stets ein wenig hinterher... Resourcen Texte Einfache einführende Texte zu Python sind im Netz frei verfügbar. Etwa: Python Tutorial: docs.python.org/2/tutorial/ Python Tutorial (deutsch): starship.python.net/crew/gherman/publications/tut-de/online/tut/ (älter) Non-Programmers Tutorial For Python: How to Think Like a Computer Scientist: Learning to program: Siehe auch wiki.python.org/moin/beginnersguide für eine längere Liste. PRG, SS 14 March 14,

20 Resourcen Bücher & Dokumentation Es ist kein Buch erforderlich. Wer aber dennoch mal was in einem Buch nachlesen will: How to Think Like a Computer Scientist und Learning to program gibt es auch als Bücher (eng.). Einführung in Python Learning Python, eng. Python in a Nutshell, eng. Oder suche bei unter python. Oder besuche die nächste grössere Buchhandlung und schmökerere herum. Python verwenden (in der Übung) Command Line Mode Script Mode IDLE Python kann in zwei Modi verwendet werden: interaktiv auf der Kommandozeile oder als Skript. Darüberhinaus gibt es natürlich auch Entwicklungsumgebungen für Python. PRG, SS 14 March 14,

21 Python verwenden (in der Übung) Command Line Mode Die Kommandozeilenversion von Python wird aufgerufen über C:\> python Danach erschein ein Willkommensgruss und ein neuer Prompt Python (default, Apr , 23:31:26) [MSC v bit (Intel)] on win32 Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information. > Siehe auch das Tutorial unter docs.python.org/2/tutorial/. Alternative: IPython Python verwenden (in der Übung) Script Mode Sollte man schon in einer Datei myfile.py ein kleines Python Programm geschrieben haben, so kann man dieses auch direkt ausführen über C:\> python myfile.py Windows: Doppelklick auf das Datei-Icon. Zumeist geht das Fenster nach Abschluss des Skripts sofort wieder zu! Linux: Anfangszeile #!/usr/bin/env python und als Executable eintragen chmod a+x. Dann direkt als Befehl aufrufbar. PRG, SS 14 March 14,

22 Python verwenden (in der Übung) IDLE Zu der Python Distribution gehört auch eine Programmierumgebung oder eine Integrated Development Environment namens IDLE. Eine kurze Einführung gibt es unter hkn.eecs.berkeley.edu/~dyoo/python/idle_intro/index_ger.html. Wenn auch schon recht alt, trotzdem hilfreich... Alternativen: Spyder, Eclipse. PRG, SS 14 March 14,

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