Programmieren. Kapitel 1: Einführung Was bedeutet Programmieren? Wintersemester 2008/2009. Prof. Dr. Christian Werner

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1 Institut für Telematik Universität zu Lübeck Programmieren Kapitel 1: Einführung Was bedeutet Programmieren? Wintersemester 2008/2009 Prof. Dr. Christian Werner

2 1-2 Inhalt 1. Von Menschen und Computern 2. Realität und Modell 3. Verantwortung des Informatikers 4. Wie entsteht gute Software? 5. Programmieren als Wissenschaft 6. Programmieren als Handwerk 7. Programmieren als Kunst 8. Schlussfolgerung

3 1-3 Warum beschäftigen sich Menschen mit Computern? Der Computer soll für uns Arbeit erledigen: Berechnungen durchführen, z.b.: - Tabellenkalkulation - ballistische Berechnungen - andere Simulationen (Physik, Chemie, Genetik, usw.) Kommunikationsaufgaben erledigen, z.b.: - - Skype - StudiVZ Signale erfassen, auswerten und darstellen, z.b.: - Intelligente Ampelsteuerung - Computertomographie (CT) - Magnetresonanztomographie (MRT)

4 1-4 Wie lernt der Computer nun diese Tätigkeiten? Wichtiges Teilproblem: Computer sind stockdoof! (Originalzitat: Hr. Möller, Lehrer für Mathe, Physik und Informatik am Gymnasium in Salzgitter-Bad, Niedersachsen, ca. 1994) Dies manifestiert sich vor allem darin, dass Computer Sätze wie Lies eine Ziffer von der Tastatur ein, multipliziere sie mit zwei und gib das Ergebnis auf den Bildschirm aus einfach nicht verstehen können. Computer verstehen bauartbedingt nur Sprachen, die für Maschinen gemacht sind sog. Maschinensprachen

5 1-5 Maschinensprache ein Beispiel für x86 PCs : EA C0 07 B4 00 CD 16 2C C : C1 B4 0E BB B0 0D CD 10 B0 20 CD 10 CD : B0 0D CD C8 3C DB 3C 3A 72 0C 3C : 73 D3 B0 31 CD C8 2C 0A CD 10 EB C Problem: Für die meisten Menschen ist Maschinensprache schwer verständlich. Daher bedarf es speziell ausgebildeter Fachkräfte, die Maschinensprache fehlerfrei erzeugen und verstehen können. Diese heißen ProgrammiererInnen

6 1-6 (Weitere) Aufgaben des Programmierers Fachspezialist Programmierer Computer Anwender Daher: Die Aufgaben des Programmierers sind sehr anspruchsvoll und vielschichtig!

7 1-7 Wirklichkeit und Modell Der Programmierer muss also das Problem, das zu lösen ist, verstehen (!) das Problem in ein (mathematisches) Modell überführen dieses Modell als Computerprogramm implementieren sicherstellen, dass das Programm sinnvoll funktioniert. Wichtiger Teilaspekt: Modellbildung Verbreitet: Modelle als Abbildung der Wirklichkeit: Ein Modell ist ein formal beschreibbares, typischerweise vereinfachtes Abbild der Realität (Wirklichkeit) bzw. eines realen Systems. Es repräsentiert das Teilsystem, das unter der gegebenen Fragestellung (Erkenntnisinteresse) als relevant betrachtet wird. Aber: Ist diese Abbildung immer objektiv? Ist immer die Wirklichkeit Bezug? Ist die eine mathematische Modellierung überhaupt angemessen? Frage: Wie findet man ein sinnvolles (mathematisches) Modell?

8 1-8 Modellbildung Wesentliche Aspekte: Das Modell muss die Realität abbilden aber zugleich auch den (technischen) Anforderungen der Maschine genügen. Daher: Erfahrung des Modellierers hilfreich! Modell sollte möglichst einfach sein - KISS: Keep it small, simple, stupid Modelle sollten flexibel und robust sein (spätere Anpassung ist u.u. erforderlich!)

9 1-9 Beispiel 1: Modell für Planentenbewegungen Wirklichkeit: Modell: Planeten des Sonnensystems Newtonsche Axiome Anwendungsbereich des Modells: Berechnung der Planentenbewegungen

10 1-10 Beispiel 2: Wie verarbeitet ein Computer Schrift? (Lösung: ASCII-Tabelle)

11 1-11 Beispiel 3: Moderne Lösung Unicode Unicode: Wichtig: Java arbeitet durchgängig mit Unicode!

12 1-12 Was passiert bei ungeeigneten Modellen? Z.B. Rechenfehler: cat inttest.c int main() { int a = ; int b = ; int c=a*b; printf("%i*%i=%i\n",a,b,c); } werner@itm01:~$ gcc inttest.c -o inttest werner@itm01:~$ chmod +x inttest werner@itm01:~$./inttest * = werner@itm01:~$

13 1-13 Was passiert bei ungeeigneten Modellen? (2) Probleme bei der Benutzung von Maschinen:

14 1-14 Was passiert bei ungeeigneten Modellen? (3) Unfälle: Ariane-5-Unglück am 4. Juni 1996 Software stammte teilweise aus Ariane 4. Durch die höhere Beschleunigung der Ariane 5 kam es zu einem Überlauf, der ein Teilsystem des Steuerungssystems zum Absturz brachte. Schaden: ca. 500 Mio. US-$

15 1-15 Verantwortung des Informatikers (allgemein) Der Computer ist schuld ist eine faule Ausrede! Die Verantwortung tragen immer Menschen und zwar sowohl für die Spezifikation als auch für die Implementierung!

16 1-16 Verantwortung des Informatikers (Spezifikation) Ist die Spezifikation adäquat? Dies können und sollen Informatiker i.a. nicht allein entscheiden! Diese Bewertung schließt in der Regel nicht-technische Abwägungen mit ein: - Effizienz der Datenverarbeitung vs. Datenschutz - Wirtschaftlichkeit vs. Sicherheit, -...

17 1-17 Verantwortung des Informatikers (Implementierung) Ist die Implementierung korrekt, robust, angenehm zu benutzen, gut wartbar? Erfüllt das System die Vorgaben der Spezifikation? Passiert auch bei Fehlbedienung keine Katastrophe? Arbeiten Benutzer gern damit? Lassen sich Anpassungs- und Änderungswünsche leicht erfüllen? Ist das System wirtschaftlich?...

18 1-18 Wie entsteht gute Software? Die Programmierung von Computern ist offensichtlich gar nicht so einfach. Um die (gröbsten) Fehler zu vermeiden, wurden Konzepte entwickelt, die dabei helfen, den Softwareentwicklungsprozess zu strukturieren. Wir betrachten exemplarisch: Wasserfallmodell (Winston Royce, 1970) V-Modell (Barry Boehm, 1979) Spiralmodell (Barry Boehm, 1988)

19 1-19 Wasserfallmodell (Winston Royce, 1970)

20 1-20 V-Modell (Barry Boehm, 1979)

21 1-21 Spiralmodell (Barry Boehm, 1988)

22 1-22 Besonders Wichtig: Frühe Phasen der Softwareentwicklung! Kosten eines Fehlers Projektfortschritt

23 1-23 Programmieren: Wissenschaft, Handwerk oder Kunst? Da der Softwareentwicklungsprozess so facettenreich ist, wollen wir uns noch verschiedene Möglichkeiten anschauen, wie man sich diesem Thema nähern kann: Wissenschaft Handwerk Kunst

24 1-24 Programmieren als Wissenschaft Programmiersprachen entwerfen. Primär auch Konzepte wie: Objektorientierung Aspektorientierung funktionale Programmierung Usw. Übersetzer, sog. Compiler, für diese Programmiersprachen schreiben (übersetzt: Programmiersprache Maschinencode) Wichtige Grundlage: Formale Sprachen Beweisbarkeit der Korrektheit von Programmen Techniken zur Effizienzsteigerung Strukturierung des Entwicklungsprozesses

25 1-25 Programmieren als Wissenschaft (2) ;-) Beispiel INTERCAL: Auszug aus einem Programm zur Berechnung von Primzahlen (Autor: Louis Howell): DO READ OUT #2 DO.10 <- #1 PLEASE COME FROM (23) DO.11 <-!10$#1'~'#32767$#1' DO.12 <- #1 PLEASE COME FROM (16) DO.13 <-!12$#1'~'#32767$#1' DO.1 <-.11 DO.2 <-.13 DO (2030) NEXT DO (11) NEXT (15) DO (13) NEXT (13) DO.3 <- "?!4~.4'$#2"~#3

26 1-26 Programmieren als Handwerk Sicheres Beherrschen von Programmiersprachen (mindestens einer) Sicherer Umgang mit Computern insgesamt, vor allem auch mit den Entwicklungswerkzeugen Praktische Kenntnisse über wichtige Datenstrukturen: Array Liste Stack HashTable Usw. Praktische Kenntnisse über wichtige Basisalgorithmen Sortieren von Datensätzen Suchen von Datensätzen Solide Kenntnisse über den Anwendungsbereich Basiswissen Softwareergonomie

27 1-27 Programmieren als Handwerk (2): typische Arbeitsumgebung

28 1-28 Programmieren als Kunst Kreativer Umgang mit Computern Grafik Sound Algorithmen Konstruktion intelligenter Systeme Hacking ( Cracking) A person who enjoys exploring the details of programmable systems and how to stretch their capabilities, as opposed to most users, who prefer to learn only the minimum necessary. (Jargon File) A person who delights in having an intimate understanding of the internal workings of a system, computers and computer networks in particular. (RFC 1392) Interesse? Chaos Computer Club e.v. (

29 1-29 Programmieren als Kunst (2) Computer-generierte Musik. Z.B. Karlheinz Essl: Lexikon Sonate Hörbeispiel:

30 1-30 Schlussfolgerung Programmieren ist eine sehr breit gefächerte Tätigkeit. In dieser Veranstaltung geht es nicht primär um die Aspekte Wissenschaft oder Kunst, sondern zunächst um Handwerk. Dies ist die Voraussetzung für alles Weitere! Genau wie in anderen Handwerken gilt: Übung macht den Meister. Daher: Nutzen Sie Ihre Zeit und schreiben Sie Programme!