Grundlagen. Grundlagen. 1 von 46

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2 Programmerstellung und -ausführung 2 von 46

3 Maschinencode Einfaches Modell: Adressraum eines C-Programms Programmausführung 1. Befehlssatz: Eine Mikroprozessorarchitektur unterstützt einen bestimmten Vorrat an Instruktionen (Maschinenbefehlen, Befehlssatz). Eine solche Anweisung ist charakterisiert durch eine "Anweisungs-Nummer" (Opcode) und gegebenenfalls eine Menge von Parametern. 2. Maschinenprogramm (ausführbares Programm): Ist eine Sequenz von Instruktionen, die durch die entsprechende CPU abgearbeitet werden kann. Dazu muss das Maschinenprogramm (in binärer Form) im Arbeitsspeicher vorliegen. Außerdem muss Arbeitsspeicher für die im Programm verwendeten Variablen vorhanden sein. 3. Ladevorgang: Der Maschinencode liegt zunächst in einer (oder mehreren) Datei(en) in binärer Form vor, z. B. EXE-Datei. Vor der Ausführung muss der Maschinencode also in den Arbeitsspeicher geladen werden. 3 von 46

4 Quellcode Eigenschaften 1. Der Programmierer arbeitet auf in der Regel auf einer höheren Abstraktionsebene als Maschinencode Zu diesem Zweck wurden höhere Programmiersprachen entwickelt, deren Ausdrucksstärke größer ist als der von maschinennahen Sprachen. Außerdem sind sie problem- (bzw. anwendungs-) und weniger maschinenorientiert. Vom Quellcode zum Maschinencode 1. Programme werden in einem lesbaren Quellcode-Format (als Textdateien) erstellt, mit einem Editor. 2. Die Umsetzung des Quellcodes in den Maschinencode erfolgt durch einen Übersetzer (Compiler). 3. Besteht ein Programm aus mehreren Quellcode-Dateien so ist nach dem Übersetzen (Compilieren) noch ein Binden (Linken) der einzelnen Programmteile erforderlich. 4. Beim Linken wird auch das Laufzeitsystem (runtime library) dazugebunden. Der Trend zur Virtualisierung Schon vor der kompletten Rechnervirtualisierung wurde das Prinzip für Ablaufumgebungen wie Java oder.net eingeführt. Dadurch Abstraktion von Basishardware und Betriebssystem bei der Programmentwicklung möglich (Details s. u.). 4 von 46

5 Wichtige Schritte bei der Programmentwicklung Überblick Kommentar Diese Darstellung ist angelehnt an das Wasserfallmodell. Oftmals ist dies jedoch nicht als strikte zeitliche Ablaufreihenfolge zu sehen (vgl. Vorgehensmodelle im Softwareengineering). 5 von 46

6 Programmierparadigmen und -sprachen 6 von 46

7 Ein kleiner Überblick Maschinennahe Programmierung 80x86-Assembler Prozedurale höhere Programmiersprachen Fortran Cobol C Pascal Objektorientierte Programmiersprachen Smalltalk C++ Java C# Funktionale Sprachen (im Unterschied zu imperativen Sprachen wie oben) Haskell Scala: objektorientierte funktionale Sprache mit imperativen Anteilen KI-Sprachen Lisp Prolog Skript-Sprachen (meist dynamisch typisiert) Java-Script Perl PHP Python Ruby 7 von 46

8 Entstehungsgeschichte von Java 8 von 46

9 Die Anfänge von Java Ende 1990: James Gosling, Patrick Naughton und andere: "Green-Project" bei Sun: Entwickeln von Software zur "intuitiven Steuerung" von Consumer-Electronic-Geräten ursprünglich in C++ Juni 1991: Gosling beginnt mit der Implementierung des "Oak-Interpreters", später umbenannt in Java Sommer 1992: intensive Entwicklungsarbeiten an Oak (und Star7-Hardware, Green-OS, UI), Protoyp entsteht. November 1992: Green-Project "wird" zur Fa. FirstPerson März 1993: Konzentration auf den Bereich interaktives Fernsehen. 9 von 46

10 Die richtige Weichenstellung April 1993: NCSA Mosaic 1.0, der erste graphische Internet-Browser wird vorgestellt. nach vergeblichen Versuchen, mit Settop-Boxen u. ä. zum (geschäftlichen) Erfolg zu kommen Hinwendung auf das WWW. Sept Payne und Naughton schreiben "Webrunner", den Vorläufer von "Hotjava" (Web-Browser) Herbst 1994: Van Hoff implementiert den Java-Compiler in Java. (Gosling vorher in C.) Mai 1995: Sun stellt Java auf der SunWorld 95 offiziell vor (ß-Release). Ende 1995: Netscape wird Java-fähig 10 von 46

11 Die Java-Releases Januar 1996 offizielles Development-Kit für Java ist verfügbar (JDK 1.0) 1997 JDK JDK 1.2 Activator als Browser-Pluging 1999 J2EE Hot-Spot-Technologie JDK JDK 1.4 mit Fokus Konsolidierung 2004 JDK 1.5 (auch 5.0 genannt) Generics, Annotations, u. v. m 2006 JDK 1.6 Unterstützung von Scripting-Sprachen, Java wird schrittweise Open Source 2011 JDK 1.7 nur verhältnismäßig kleine Erweiterungen (auch bei der Sprache) erstmals unter Ägide von Oracle 2014 JDK 1.8 u. a. Lambdas (funktionaler Stil) 11 von 46

12 Diversifizierung Die Aufspaltung Java SE : Standard Edition Java EE: Enterprise Edition Java ME: Micro Edition Java FX: Für RIAs (vgl. Adobe Flex) Die Abspaltung Android Der aktuelle Trend Diverse neue Sprachen für die JVM (Java Virtual Machine) Es gilt zu unterscheiden: "Java" als Sprache "Java" als Plattform, geeignet auch für andere Sprachen. 12 von 46

13 Charakteristika von Java 13 von 46

14 Ziele bei der Entwicklung von Java Ausschnitt aus "The Java Language: A Whitepaper": "Java: A simple, object-oriented, distributed, interpreted, robust, secure, architecture neutral, portable, high-performance, multi-threaded, and dynamic language" 14 von 46

15 Die Ziele im Einzelnen (1) Einfach Syntax basiert auf C (C++) Vereinfachungen gegenüber C/C++: z. B. kein Präprozessor, keine structs, keine Mehrfachvererbung, kein Operatorüberladen, keine Templates (ursprünglich!) einfacheres Paketkonzept: keine Headerdateien keine Zeiger(-arithmetik), nur Referenzen automatische Garbage-Collection Objektorientiert Verteilt eine Basisklasse als Wurzel der Objekthierarchie: Object Programmierung ohne Klassen nicht möglich statt Mehrfachvererbung Schnittstellen (Interface) Einbindung von Applets in HTML-Dateien Zugriff auf entfernte Dateien über URL-Klasse Client/Server-Implementierungen über Sockets RMI (Remote Methode Invocation) 15 von 46

16 Die Ziele im Einzelnen (2) Interpretiert Bytecode Interpreter und Laufzeitumgebung (Java Virtual Machine) Integration in WWW-Browser Robust streng typisiert Ausnahmemechanismus keine Zeiger(arithmetik) Architekturunabhängig pro Plattform Implementierung der Java Virtual Machine Bytecode ist plattformunabhängig plattformunabhängige Entwicklung von GUIs (Graphical User Interfaces) 16 von 46

17 Die Ziele im Einzelnen (3) Portabel keine Implementationsabhängigkeit (wie bei C-Datentypgrößen) Portierung: Java-Compiler in Java, Laufzeitumgebung in ANSI-C Hochperformant schneller als reine Scriptsprachen (z. B. Perl) ursprünglich etwa 20 mal langsamer als C-Code (Native Code ) Compiler: heute unnötig Just-in-time-Compiler (Jit) Hot-Spot-Technologie Effiziente Garbage Collection Multithreading-Fähigkeit direkte Unterstützung von Nebenläufigkeit durch Sprache und API (Bibliotheken der Plattform) Dynamisch Klassen können zur Laufzeit hinzugefügt werden. Klassen können zur Laufzeit ausgetauscht werden. nicht gemeint: dynamisch typisiert! 17 von 46

18 Java Programme 18 von 46

19 Die Übersetzung (Compilierung) Die Situation Erläuterungen Der in den Class-Files enthaltene sogenannte Byte-Code ist "Maschinen-Code" für die JVM (Java Virtual Machine). Diese definiert einen eigenen Befehlssatz. Dieser Befehlsatz kann durch Hardware realisiert werden (ein paar Versuche in der Vergangenheit) oder durch Software, d. h. einen Interpreter (auch JVM genannt). 19 von 46

20 Beispiele für Quellcode Hello World als Applikation (File HelloWorld.java) /** * The HelloWorld class is an application that * simply displays "Hello World!" on the screen. */ public class HelloWorld { public static void main(string[] args) { System.out.println("Hello World!"); //Display the string. } } Hello World als Applet (File HelloWorldApplet.java) import java.applet.applet; import java.awt.graphics; public class HelloWorldApplet extends Applet { public void paint(graphics g) { g.drawstring("hello world!", 50, 25); } } 20 von 46

21 Ausführen von Applikationen und Applets 21 von 46

22 Ein Applet Beispiel: Applet HelloWorldApplet Mit folgendem Tag in die HTML-Seite eingebunden: <applet codebase="classes" code="helloworldapplet.class" width=200 height=50 alt="hello STATIC"> </applet> 22 von 46

23 Das JDK (Java Developer Kit) 23 von 46

24 Bestandteile des JDK Ein JDK umfaßt eine (plattformspezifische) JVM, einen Compiler und sonstige nützliche kommandozeilenorientierte Werkzeuge, sowie eine Klassenbibliothek. 24 von 46

25 Die Tools Siehe ausführliche Dokumentation in der JDK-Dokumentation (für Windows, Linux,...). Überblick:... Die Umgebungsvariable CLASSPATH muss alle Verzeichnisse für benötigte Klassen (Bytecode) umfassen Beispiel-Wert (unter Windows): C:\usr\javagurulib;. Der Compiler javac einfachster Aufruf: javac Beispiel.java Der Interpreter java einfachster Aufruf: java Beispiel Der Java-Appletviewer appletviewer einfachster Aufruf: appletviewer Beispiel.html Der Dokumentationsgenerator javadoc einfachster Aufruf: javadoc Beispiel.java Der Debugger jdb meist integrierter Debugger in der Entwicklungsumgebung Der Disassembler javap 25 von 46

26 Entwicklungsumgebungen (IDEs) Die gebräuchlichsten Entwicklungsumgebungen: Eclipse ( frei) Netbeans (von Sun/Oracle, frei) IntelliJ IDEA (von Jetbrains, kommerziell, eine freie Basisvariante) und Ableger davon (insbes. von Eclipse), wie z. B. JDeveloper 26 von 46

27 Die APIs Die "mitgelieferten" Klassenbibliotheken werden über sogenannte APIs (Application Programming Interface) angesprochen. Darin ist eine Menge von Funktionalität vorhanden, welche die Programmierarbeit wesentlich vereinfacht. Diese Funktionalität ist beschrieben in der API-Documentation (HTML). Diese Bibliotheken teilt man (historisch bedingt) auf in Core-APIs (Paket java) und Extension-APIs (Paket javax). Die Core-APIs und auch viele Extension-APIs sind im Jdk enthalten. Darüber hinaus gibt es massenweise Open-Source-Bibliothekten für die verschiedensten Anwendungssituationen. 27 von 46

28 Syntax und Semantik 28 von 46

29 Der Gegenstand Beispiel: /** * calculates the absolute value of an integer */ public class AbsValue { public static void main(string[] args) { int number = -3; // get a number from somewhere /* replace value of number by its absolute value which means do nothing if it is already positive */ if (number < 0) number = -number; } } System.out.println("The value of number is " + number); Der allgemeine Hintergrund Java (im engeren Sinne) ist eine Programmiersprache, also eine formale Sprache. Eine solche formale Sprache ist durch einen endlichen Satz von Regeln definiert, eine Grammatik. Diese Regeln definieren die Sprache vollständig und eindeutig. (Keine Mehrdeutigkeiten wie bei natürlichen Sprachen). Jedes Programm muss diesen Regeln genügen: korrekte Syntax. Die syntaktische Korrektheit wird vom Compiler geprüft. 29 von 46

30 Grammatiken allgemein Definition Eine Grammatik ist eine (endliche) Menge von formalen Regeln, welche die Syntax einer Sprache definieren. Die Regeln legen fest, welche Folge von Symbolen (Zeichen) aus einem Symbolvorrat (Zeichenvorrat, Alphabet) zulässige Folgen in der Sprache sind. Metasprachen Eine Metasprache (mit Metasymbolen) dient dazu, die Regeln (genannt Produktionen) exakt und eindeutig zu formulieren. Bestandteile von Regeln: Metasymbole (also Zeichen aus der Metasprache) terminale Symbole : die Zeichen aus dem gegebenen Zeichenvorrat sogenannte syntaktische Variablen (nichtterminale Symbole), die durch eigene Regeln erklärt werden. Letztere erlauben es, kompliziertere Gebilde strukturiert beschreiben zu können. 30 von 46

31 Die Metasprache EBNF EBNF: Extended Backus Naur Form Die Metasymbole Metasymbol Bedeutung = ist definiert durch Alternative: (X Y: X oder Y) [] einfach optional ([X] : X kommt nicht oder einmal vor) {} beliebig oft ({X} : X kommt nicht, einmal oder mehrmals vor () Gruppierung (Klammerung) von Teilausdrücken "XYZ" terminales Symbol XYZ XYZ nichtterminales Symbol XYZ. Ende einer Produktion Die Produktion Jede Folge von Zeichen aus dem Zeichenvorrat, die der Grammatik genügt, muss sich aus einem Startsymbol durch Anwendung von endlich vielen Regeln herleiten lassen. 31 von 46

32 EBNF: Ein Beispiel Beispiel: Definition einer ganzen Zahl in EBNF Menge der terminalen Symbole: { +, -, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} Menge der nichtterminalen Symbole: { Integer, Sign, Digit} Startsymbol: Integer Regeln: Integer = [Sign] Digit {Digit}. Sign = "+" "-". Digit = "0" "1" "2" "3" "4" "5" "6" "7" "8" "9". Syntaxdiagramme Erlauben eine graphische Repräsentation von Produktionen. 32 von 46

33 Formaler Aufbau eines Java-Programms Die Elemente Zeichenvorrat Lexikalischer Aufbau Syntaktischer Aufbau Semantik Man beachte die Analogien zu natürlichen Sprachen Alphabet Wörter Sätze Inhalt 33 von 46

34 Zeichenvorräte bei Programmiersprachen Anforderungen Jedes Programm wird aus Zeichen eines Zeichenvorrats (Zeichensatz, character set) aufgebaut, den kleinsten Einheiten jedes Texts. Die üblichen Zeichensätze umfassen Buchstaben, Ziffern, Sonderzeichen, Steuerzeichen,... Sie müssen im Rechner (Hauptspeicher, Festplatte, Editor,...) darstellbar sein, also als binäre Zahl. Beispiele für Zeichenvorräte: ASCII: 7 bit etwa: 'A' codiert als dezimal 65, 'a' als 97 ISO-Latin-1: 8 bit erweitert ASCII Unicode: 16 bit erweitert ISO-Latin-1 34 von 46

35 Zeichenvorrat von Java Festlegung: Unicode! D. h. Namen von Variablen usw. können aus Unicode-Zeichen bestehen. Problem: Das lokale System (Dateiformat, Tastatur) unterstützt oft nicht den gesamten Unicode-Zeichenvorrat. Lösung: Ersatzdarstellung von Unicode-Zeichen mit der Escape-Syntax \uxxxx, wobei xxxx der Hexadezimalcode des einzusetzenden Unicodezeichens ist (vier hexadezimale Ziffern!). Beispiel: 'm' : dezimal 109, hexadezimal 6D Somit kann im Beispielprogramm AbsValue auch geschrieben werden: if (nu\u006dber < 0) Also: Jedes Java-Programm, das beliebige Unicodezeichen beinhalten soll, kann allein mit Hilfe des ASCII-Zeichensatzes aufgeschrieben werden. Die Ersatzdarstellung wird vom Compiler in das entsprechende Unicodezeichen umgewandelt. Groß- und Kleinschreibung In Java werden Groß- und Kleinbuchstaben unterschieden, d. h. Java ist case sensitive. 35 von 46

36 Die Identifizierung lexikalischer Einheiten Einordnung: Gruppen von aufeinanderfolgenden Zeichen aus dem Zeichenvorrat werden zu (Eingabe-)Einheiten zusammengefasst. Kategorien davon sind Zwischenraum (white space), Kommentare und die eigentlichen lexikalischen Einheiten (Tokens) der Sprache. Leerzeichen und Kommentare haben im Hinblick auf die Übersetzung nur Trennwirkung, sie werden vom Compiler verworfen, während die Tokens als bedeutungstragende Teile weiterverarbeitet werden. Die Tokens müssen durch Trenner separiert sein, wobei manche Trennzeichen selbst Tokens sein können. 36 von 46

37 Trenner und lexikalische Einheiten: Kategorien Die Trenner von Java sind Zwischenraum Kommentare Satzzeichen Operatoren Die lexikalischen Einheiten von Java sind Namen (Bezeichner, identifier) Schlüsselwörter (reservierte Wörter, keywords) Literale (Konstanten, literals) Operatoren Satzzeichen (Interpunktionszeichen, separators) 37 von 46

38 Zwischenraum und Kommentar Zwischenraum wichtigste Trennzeichen als Bestandteile von Zwischenraum (white space): Leerzeichen (Blank), Tabulator, Zeilenumbruch Diese können beliebig häufig hintereinander stehen. Kommentar Typen von Kommentar Zeilenkommentar Kommentarblock Javadoc-Kommentar vgl. AbsValue-Beispiel! 38 von 46

39 Lexikalische Einheiten: Namen In Java werden Klassen, Variablen, Pakete usw. vom Programmierer mit Namen versehen. Ein Name ist eine beliebig lange Zeichenfolge, bestehend aus "Java-Buchstaben" und "Java-Ziffern", wobei das erste Zeichen ein Java-Buchstabe sein muss. Java-Buchstaben umfassen neben den ASCII-Buchstaben weitere "länderspezifische Buchstaben" (Umlaute, griechische Buchstaben,...) und die Sonderzeichen "_" und "$". Die Java-Ziffern umfassen die ASCII-Ziffern. Schlüsselwörter, boolsche Literale (true,false) oder die Referenzkonstante (null) dürfen nicht als Namen gewählt werden. 39 von 46

40 Lexikalische Einheiten: Schlüsselwörter Schlüsselwörter haben eine vordefinierte Bedeutung für den Compiler. Folgende Wörter sind reserviert: abstract default if private this boolean do implements protected throw break double import public throws byte else instanceof return transient case extends int short try catch final interface static void char finally long strictfp volatile class float native super while const for new switch assert continue goto package synchronized enum 40 von 46

41 Lexikalische Einheiten: Operatoren Alle nachfolgenden Zeichenkombinationen (die Semantik wird weiter unten besprochen) = > <! ~? : == <= >=!= && () []. + - * / & ^ % << >> >>> += -= *= /= &= = ^= %= <<= >>= >>>= new (type) instanceof Man beachte In der Folge a--b wird -- vom Compiler als ein Operator aufgefaßt nicht als zwei (Subtraktionsoperator und Vorzeichenoperator). 41 von 46

42 Lexikalische Einheiten: Literale u. Satzzeichen Literale Darunter fallen alle möglichen als Folge von Zeichen aus dem Alphabet angegebenen Werte für die verschiedenen Datentypen (s. u.), z. B. 123, 1.6e-19, 'a', "abc", true, null Satzzeichen Alle nachfolgenden Zeichen (Semantik weiter unten): ( ) { } [ ] ;,. Die Klammern können dabei jeweils nur paarweise auftreten. 42 von 46

43 Lexikalische Analyse Die lexikalische Analyse (Symbolentschlüsselung) erzeugt aus einem Zeichenstrom einen Strom von Token (Symbolen), soweit keine lexikalischen Fehler entdeckt werden. Dies wird realisiert durch den Scanner (Bestandteil des Compilers). Der Aufbau der lexikalischen Einheiten (insbesondere der Tokens) wird durch Regeln beschrieben (z. B. Name, Integer-Literal). Mit diesen Regeln wird der Scanner "gefüttert". Auf diese Weise lassen sich allgemeine Scanner implementieren (z. B. lex). Beispiel Ausschnitt aus der Klasse AbsValue 43 von 46

44 Syntaktischer Aufbau Java-Programm Die Situation Anordnung und Reihenfolge der Tokens in einem Programm können nicht beliebig sein. Sie unterliegen Regeln. Nur wenn diese eingehalten werden, entstehen Konstrukte, denen eine Bedeutung zugewiesen werden kann. Beispiel: if-anweisung in der Klasse AbsValue. Die Sprache Java kann also durch ein Regelsystem (Grammatik), formuliert mit EBNF oder ähnlichem, beschrieben werden (siehe Chapter 18 in der Java Language Specification). Das Startsymbol ist CompilationUnit. Syntaktische Analyse Bei der syntakt. Analyse wird ein Strom von Tokens verarbeitet und gegen eine Grammatik geprüft. Falls die vorgeschriebene Syntax nicht erfüllt ist, muß eine qualifizierte Fehlermeldung erfolgen. Sobald das Programm syntaktisch fehlerfrei ist, kann das Resultat der syntaktischen Analyse (z. B. ein Syntaxbaum) der semantischen Analyse zugeführt werden. Die Syntaxanalyse wird von einem Parser durchgeführt (Bestandteil des Compilers). Da die Grammatik separat spezifiziert werden kann, können sehr allgemeine Parser definiert werden (z. B. yacc). 44 von 46

45 Semantik von Sprachkonstrukten Jenseits der Syntax Die Syntax von Programmiersprachen ist relativ einfach. Für den Programmentwickler maßgeblich sind 1. Semantik: Die Bedeutung der einzelnen Konstrukte. 2. Pragmatik: Was kann man mit diesen Konstrukten alles anfangen? Wie mächtig ist die Sprache? Beispiel Der Ausdruck (number < 0)in der Klasse AbsValue. Ein Konstrukt hat Bedeutung in zwei Richtungen: 1. für den Programmierer 2. für die Zielmaschine: Welcher Maschinencode realisiert das Konstrukt? (eine Art formaler Semantik) 45 von 46

46 Semantische Analyse Die Bedeutung der einzelnen (syntakt. korrekten) Konstrukte wird analysiert, insbes. die von Namen. Beispiel: number in der if-anweisung von Klasse AbsValue. Die semantische Korrektheit eines Programmes kann teilweise durch den Compiler geprüft werden (statische Semantik). Beispiel: number vom Typ boolean Bestimmte semantische Fehler treten aber erst zur Laufzeit auf (dynamische Semantik). Beispiele: Teilen durch 0. Missachtung von Feldgrenzen Ein Qualitätsmerkmal einer Sprache und des zugehörigen Laufzeitsystems ist es, möglichst viele semantische Fehler zu lokalisieren. Auf diese Weise können Fehlerquellen vermindert werden, die zu unerklärlichen Programmabstürzen, zu unsinnigem Verhalten oder zu schwer nachzuvollziehenden Effekten führen. Eine typisierte Sprache erlaubt das Prüfen von vielen semantischen Regeln schon zur Compilierzeit. Ergebnis der semantischen Analyse eines Compilers ist in der Regel ein Zwischencode, der weiteren Compilierschritten (z. B. Optimierungen) und letztendlich der Maschinencode-Generierung zugeführt werden kann. 46 von 46