Kapitel 3: Variablen. Grundlagen der Programmierung 1. Holger Karl. Wintersemester 2016/2017. Inhaltsverzeichnis 1. Abbildungsverzeichnis 2

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1 Kapitel 3: Variablen Grundlagen der Programmierung 1 Holger Karl Wintersemester 2016/2017 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Abbildungsverzeichnis 2 Liste von Definitionen u.ä Überblick Variablen Arbeiten mit Variablen und Zuweisungen Zuweisungen und Typen Anmerkungen zu Syntax und Stil Zusammenfassung

2 Abbildungsverzeichnis 3.1 If you like it, you should put a name on it Der Name a referenziert den Wert Beiden Namen a und b referenzieren den Wert Name a referenziert einen neuen Wert PythonTutor: Editier-Ansicht PythonTutor: Ausführungs-Ansicht Screenshot PythonTutor Vorsicht falsch: b wird nicht zu Namen für a Code ist kein Salatrezept Liste von Definitionen u.ä. 3.1 Definition (Zuweisung (v1)) Definition (Variablennamen) Definition (Schlüsselwort) Definition (Namenskonvention) Beispiel (Namenskonvention für Variablen in Python) Achtung (Kein tutor in normalen Programmen) Achtung (b = a ist kein Name für a) Definition (Zuweisung (v2)) Definition (Dynamisch typisierte Programmiersprache) Definition (Statisch typisierte Sprache)

3 3.1. Überblick Überblick Dieses Kapitel Bisher nur Ausdrücke, die keine Zustandsänderung bewirken Dieses Kapitel: Konzept der Variable das Benennen eines Werts Erlaubt Weiterverwendung und Manipulation von Ergebnissen eines Ausdrucks 3.2 Variablen Ausdrücke sind vergesslich Bisher: Nur Literale und Ausdrücke Wert eines Ausdrucks nach Berechnung sofort wieder vergessen Unpraktisch! Aufheben? Namen! Wie können wir den Wert eines Ausdrucks aufbewahren? Wie können wir den Wert wieder benutzen? Wir brauchen einen Namen für einen Ausdruck Mit Namen dann wieder benutzbar Abbildung 3.1: If you like it, you should put a name on it Namen Beispiel Wir benutzen einfachen Namen: a Der Name a wird dem Wert 42 zugeordnet

4 4 Liste von Definitionen u.ä. Dazu nutzen wird das Zeichen = Zuweisung (Assignment) 1 # a wird zu einem Namen für den Wert 42 2 a = Zuweisung (v1) Definition 3.1 (Zuweisung (v1)). Bei einer Zuweisung wird ein Name mit einem Wert verbunden. Der Name referenziert den Wert; der Wert wird der Variable zugewiesen. Schreibweise Zuweisung wird durch ein Gleichheitszeichen angegeben Links davon: der Name Rechts davon: der Wert Zuweisung: Im Detail Die Zuweisung erzeugt den Wert, falls er noch nicht existiert Die Zuweisung erzeugt den Namen, falls er noch nicht existiert Die Zuweisung verbindet Namen mit Wert Oder: erzeugt Referenz Zustandsänderung! Eine Zuweisung ändert den Zustand des laufenden Programms Wert erzeugen? Die Formulierung, einen Wert zu erzeugen, ist für das hier gewählte Beispiel ggf. missverständlich inwieweit kann oder muss die Zahl 42 erzeugt werden; die existiert doch an sich? Das stimmt; die Zahl 42 wird nicht erzeugt. Genauer wäre zu sagen, eine Repräsentation der Zahl 42 wird im Speicher des Rechners erzeugt. Es wird eine freie Stelle im Speicher gefunden, an der (unter anderem) ein Bitmuster abgelegt wird, das als die Zahl 42 interpretiert wird. Bei einer Zeichenkette ist das schon deutlicher. Diese muss erst explizit im Speicher erzeugt werden, bevor sie mit einem Namen versehen werden kann. Bei komplexeren Datentypen (siehe folgende Kapitel) ist dies ebenso der Fall. Wir kommen darauf noch zurück.

5 3.2. Variablen Zuweisung: Namen sind Schilder an Werten Referenz: An den Wert ein Namensschild hängen Code 1 # a wird zu einem Namen für den Wert 42 2 a = 42 Konzept Abbildung 3.2: Der Name a referenziert den Wert 42 Schilder an Werten oder Boxen mit Aufschrift? Wenn Sie schon mit anderen Programmiersprachen wie etwa Java vertraut sind, ist die Vorstellung, ein Variablenname ist eine Referenz auf oder ein Namensschild für einen Wert, möglicherweise befremdlich. Dort ist die typische Vorstellung eher: Eine Variable ist eine Schuhschachtel (mit einem Namen), in die ein Wert gelegt wird. Auf den ersten Blick macht das keinen großen Unterschied. Allerdings ist für das Speichermodell von Python die Namensschild-Analogie passender. Details werden wir im Kapitel zu veränderlichen Datentypen besprechen Gültige Namen? a war ein Beispiel für einen Variablennamen Wie darf ein Variablenname überhaupt aussehen? Definition 3.2 (Variablennamen). Ein Variablenname (oder identifier) ist eine nichtleere Zeichenkette beliebiger Länge, bestehend aus Kleinoder Großbuchstaben, Ziffern, oder dem Unterstrich _ Das erste Zeichen hat Sonderrolle: Es darf keine Ziffer sein Unterstrich _ als erstes Zeichen hat besondere Bedeutung (später) Groß-/Kleinschreibung ist wichtig Einige Zeichenketten sind für andere Zwecke reserviert

6 6 Liste von Definitionen u.ä Gültige und ungültige Namen: Beispiele Gültig: hallo, x1, _a_b Gültig, aber unterschiedlich: a, A, var1, Var1 Ungültig: 1x, x-y, Sonderzeichen in Variablennamen ($, #,...) Reservierte Namen Manche Namen haben Sonderrolle Beispiel: Literale True, False True als Variablenname benutzbar? * True = False??? * Nein! Definition 3.3 (Schlüsselwort). Ein Schlüsselwort (reserviertes Wort, reservierter Name, key word) ist ein Bezeichner, der in einer Programmiersprache eine Sonderrolle einnimmt. Ein Schlüsselwort darf nicht für andere Zwecke benutzt werden, z.b. als Variablenname. Jede Programmiersprache hat eine Liste von Schlüsselworten Python-Schlüsselworte bis jetzt True, False Achtung: True, nicht true! Groß-/Kleinschreibung wichtig bei Schlüsselworten! and, or Sinnvolle Namen? Ist a ein sinnvoller Variablenname? Für eine Folie mit einer Variable: naja Für ein größeres Programm: Nein! Nutzen Sie sog. sprechende Namen: Namen, denen man den Zweck, Inhalt, Benutzung leicht ansieht * Gut: eingabedatei, quersumme, usw. * Schlecht: ii2, x_17_b Sie müssen Ihr Programm auch in drei Monaten noch selbst verstehen!

7 3.2. Variablen Namenskonvention Definition 3.4 (Namenskonvention). Eine Namenskonvention beschreibt übliche Vorgehensweisen zur Wahl von Namen. Sie schränkt die möglichen Namen auf die sinnvollen Namen ein, ist aber kein formaler Bestandteil der Sprache. Beispiel 3.1 (Namenskonvention für Variablen in Python). Kleinbuchstaben am Anfang Variablennamen aus mehreren Worten werden durch Unterstrich getrennt Vermeide: kleines l, großes O und großes L Verwechselungsgefahr Variable nutzen Wie bekomme ich den referenzierten Wert? Einfach: Variable als Ausdruck benutzen 1 a = 5 2 a Weitere Variable Code 1 # a und b werden zu Namen für Wert 42 2 a = 42 3 b = 42 Konzept Abbildung 3.3: Beiden Namen a und b referenzieren den Wert 42

8 8 Liste von Definitionen u.ä Weitere Variable Beobachtungen Namen und Werte Zwei unterschiedliche Namen für den gleichen Wert! Dem Wert ist das egal; die Zahl 42 ist immer die gleiche Syntaxregel Mehrere Anweisungen: Eine Zeile, eine Anweisung Weitere Zuweisung Code 1 a = 42 2 b = 42 3 # a wird Referenz für einen neuen Wert 4 a = "Hallo" Konzept Abbildung 3.4: Name a referenziert einen neuen Wert 3.3 Arbeiten mit Variablen und Zuweisungen Variablen an Variablen zuweisen Geht das? Wert von b? 1 a = 42 2 b = a

9 3.3. Arbeiten mit Variablen und Zuweisungen 9 (PT link) Semantik von Zuweisung: Wert Das ist nur ein Sonderfall! Allgemein: Wert des Ausdrucks auf der rechten Seite bestimmen Variable wird zu Namen für diesen Wert Egal, ob der Ausdruck rechts eine Variable ist es geht um den Wert Animationen von Programmen Die vorherige Folie war auch ein Beispiel für Programmanimationen Web-Anwendung: PythonTutor Erlaubt Ausführung von Programmen in Einzelschritten und Anzeige der Variablenbelegungen Sie können das selbst nutzen direkt auf Webseite von PythonTutor oder aus den Jupyter-Notebooks heraus: mit ~der ersten Zeile aus dem Skript heraus: Links (PT link) Pythontutor-Links im Skript Wenn Sie im Skript (PDF-Datei) auf ein Code-Beispiel stoßen, bei dem unter dem Quellcode (PT link) steht, so ist dies ein Link auf ein das Beispiel in Pythontutor. Wenn Sie auf diesen Link klicken, sollte sich ein Browser-Fenster öffnen, das auf die Webseite von Pythontutor zeigt und wo das entsprechende Code-Beispiel bereits eingetragen ist. Sie können dort das Code-Beispiel noch editieren oder direkt auf den Knopf Visualize Execution unterhalb des Editier-Fensters drücken (Abbildung 3.5). Danach kommen Sie zu einer zweiten Ansicht, in der Sie durch Forward und Backward das Programm in einzelnen Schritten ausführen können (Abbildung 3.6). Links werden die jeweils auszuführenden bzw. gerade ausgeführte Anweisung durch rote bzw. grüne Pfeile angezeigt. Rechts sieht man die Belegungen von Variablen.

10 10 Liste von Definitionen u.ä. Abbildung 3.5: PythonTutor: Editier-Ansicht Abbildung 3.6: PythonTutor: Ausführungs-Ansicht Animationen von Programmen Quellcode Achtung 3.1 (Kein tutor in normalen Programmen). Die Anweisung %%tutor in der ersten Zeile einiger der Programmbeispiele hier ist eine JupyterNotebooks-Eigenheit. Sie dient dazu, das Notebook mit der Web- Anwendung PythonTutor zu verknüpfen. Leider werden diese in die Ausgabe des Skriptes mit übernommen. Übernehmen Sie diese Zeile nicht, wenn Sie das Programm ausserhalb eines Notebooks (z.b. in einem Terminal-Fenster) ausführen wollen. PythonTutor: Typische Anzeige Abbildung 3.7 ist ein typisches Beispiel der Anzeigen von PythonTutor. Auf der linken Seite wird das Programm angezeigt

11 3.3. Arbeiten mit Variablen und Zuweisungen 11 Abbildung 3.7: Screenshot PythonTutor Der rote Pfeil zeigt auf die Anweisung, die als nächstes ausgeführt wird (sobald man auf den Forward-Knopf drückt). Der grüne Pfeil weist auf die Zeile hin, die gerade ausgeführt wurde und die den momentan angezeigten Zustand erzeugt hat. Auf der rechten Seite wird eben dieser Zustand angezeigt. Die rechte Seite hat zwei Spalten: Links die sog. Frames; bis jetzt haben wir nur einen einzigen (Details später). Hier sind die bisher bekannten Namen aufgeführt. Rechts die Werte (hier als Objects bezeichnet; mehr dazu später). Pfeile zeigen von den Namen auf die referenzierten Werte FALSCH: Name auf Name Achtung 3.2 (b = a ist kein Name für a). Durch die Zuweisung b = a wird KEIN neuer Name für a vereinbart. b wird zu einem weiteren Namen für den Wert, der von b referenziert wird.

12 12 Liste von Definitionen u.ä. FALSCH: (PT link) Abbildung 3.8: Vorsicht falsch: b wird nicht zu Namen für a Eine Variable verändern Genauer: Eine Variable referenziert einen neuen Wert Wert von b? 1 a = 5 2 b = a 3 a = a b (PT link)

13 3.3. Arbeiten mit Variablen und Zuweisungen Warum hat b den Wert 5? 1. a = 5 : Variable a referenziert den Wert 5 2. b = a : Der Wert des Ausdrucks auf der rechten Seite wird bestimmt. Variable b wird zu einem Namen für diesen Wert. 3. a = a + 2 : a) a + 2 ausrechnen, ergibt Wert 7 b) Der Wert 7 wird im Speicher repräsentiert c) a wird zu einem Namen für diesen Wert 4. b ist immer noch ein Name für 5 a) Warum sollte sich hier etwas geändert haben? Ausdrücke in Variablen In Ausdrücken können Variablennamen wie Werte benutzt werden Bei Berechnung des Ausdrucks: Variable durch Wert ersetzt Wie Beispiel oben: b = a Variable wird zu Namen für berechneten Ausdruck Beispiele 1 a = b = 3*a +5 3 c = (a + b)/ Beispiel: Wert von y am Ende? 1 x = 42 2 y = x 3 x = 42 - y 4 y = 2*x Beispiel: Werte zweier Variablen vertauschen Wie vertauschen Sie die Werte zweier Variablen? 1 a = 17 2 b = 42 3 # Your code here 4...

14 14 Liste von Definitionen u.ä Gleichzeitig Zuweisungen Python: Gleichzeitige Zuweisung an mehrere Variablen möglich Syntax Links von =: Mehrere Variablennamen, durch Komma getrennt Rechts von =: Mehrere Ausrücke, durch Komma getrennt Anzahl muss übereinstimmen Beispiel mit drei Ausdrücken: 1 a, b, c = Ausdruck1, Ausdruck2, Ausdruck Gleichzeitige Zuweisungen Semantik 1. Alle Ausdrücke auf der rechten Seite werden ausgewertet a) Dabei werden noch die ursprünglichen Variablenwert benutzt 2. Danach werden alle Zuweisungen zu den neu berechneten Werten hergestellt 3. Erst wenn alle Zuweisungen fertig sind, geht es weiter Formal: atomare Zuweisungen Gleichzeitige Zuweisungen Beispiele 1 x, y = 17, 42 2 x, y = 2*x, y-5 Vertauschen zweier Variablenwerte? 1 x, y = 17, 42 2 #??? Zuweisung (v2) Definition 3.5 (Zuweisung (v2)). Bei einer Zuweisung werden ein oder mehrere Namen mit einem oder mehreren Werten verbunden. Der Name referenziert den entsprechenden Wert; der Wert wird der Variable zugewiesen. Schreibweise Zuweisung wird durch ein Gleichheitszeichen angegeben

15 3.4. Zuweisungen und Typen 15 Links davon: der oder die Namen, durch Komma getrennt Rechts davon: der oder die Werte, durch Komma getrennt Kurzschreibweisen bei Zuweisungen Häufig: an Variable einfachen arithmetischen Ausdruck aus dieser Variable zuweisen x = x + 1, y = y / 2 Dafür Kurzschreibweise: Variable Operator= Ausdruck Entspricht: Variable = Variable Operator Ausdruck Beispiele x += 1 y /= Zuweisungen und Typen Typen? Werte und Ausdrücke haben Typen Variablen? Variable ist nur eine Referenz auf einen Wert Typ der Variable : Typ des zugewiesenen Werts Welcher Typ sollte es auch sonst sein?? Variablentyp veränderlich? Heißt das, dass sich der Typ einer Variable verändern kann? JA! 1 x = 42 2 # Typ von x: int 3 x = Hallo GP1 4 # Typ von x: str Wo ist der Typ? Typ-Information liegt nicht beim Variablennamen Für eine Variable muss kein Typ angegeben werden

16 16 Liste von Definitionen u.ä. Es wäre auch sinnlos, das zu tun Typ-Information liegt beim referenzierten Wert Ist dort aber explizit bekannt Problem? Dem Interpreter ist das egal die Typinformation ist ja vorhanden Ein Programmierer sieht einer Variable nicht an, was darin steckt Das kann sich ja ändern Das erfordert Disziplin! Idee: Solange der Wert weiß, was er ist, ist alles gut Dynamisch typisierte Sprache Definition 3.6 (Dynamisch typisierte Programmiersprache). Eine Programmiersprache ist dynamisch typisiert, wenn Typen-Informationen für jeden Wert oder Ausdruck zur Laufzeit bekannt sind. Diese Typen-Information ist im Programm-Code nicht explizit repräsentiert und nicht notwendigerweise aus ihm ableitbar. Python ist ein Beispiel Statisch typisierte Sprache Definition 3.7 (Statisch typisierte Sprache). Eine Programmiersprache ist statisch typisiert wenn Typen-Informationen für Variablen explizit im Programm-Code angegeben werden müssen. Aus der Betrachtung des Programm-Codes kann der Typ eines Wertes abgeleitet werden, bereits bevor das Programm selbst abläuft. Meist (aber nicht unbedingt) wird in einer solchen Sprache auf die explizite Repräsentation des Typs eines Wertes zur Laufzeit verzichtet, da ja alle Informationen bereits vorab bekannt sind. Java ist ein Beispiel. Historie Eine nette Zusammenfassung der Geschichte dahinter findet sich in diesem Blog. 3.5 Anmerkungen zu Syntax und Stil

17 3.5. Anmerkungen zu Syntax und Stil Syntax Einige aufgetauchte Syntaxregeln: Formulierung von Literalen und Ausdrücken Kommentare beginnen mit # Eine Anweisung, eine Zeile Anweisungen mit Gleichheitszeichen schreiben Und gleichzeitige Anweisungen mit Komma trennen Syntax: Formalisierung Syntaxregeln durch formale Sprachen und Grammatiken formalisiert Visualisiert: Syntaxdiagramme Beispiele: Später Stil Syntax: Harte Regeln, müssen eingehalten werden Aber mit Spielraum Beispiel: Leerzeichen vor, nach =, Klammern? Unterschiedliche Interpretation von Spielraum? Verwirrt, senkt Lesbarkeit, erschwert Wiederbenutzung Code wird öfter gelesen als geschrieben! Daher: Stilregeln (style guides) für Konsistenz Anfänger-Code = inkonsistenter Code Schlechter Stil ist peinlich Abbildung 3.9: Code ist kein Salatrezept Stilregeln Python Python: festgelegte Stilregeln Python Enhancement Proposal No. 8 (PEP 8)

18 18 Liste von Definitionen u.ä. Beispiele: Maximale Zeilenlänge 79 Zeichen Leerzeichen * Nach Komma, nicht davor * Nicht nach öffnender oder vor schließender Klammer * Genau ein Leerzeichen vor und nach Zuweisung * Stimmt mit Buchsatzregeln überein! Stilregeln in Python: Beispiel Kommentare Beginne mit #, gefolgt von einem Leerzeichen Schreibe englisch Auch: Empfehlungen zu Struktur der Kommentare Sinnlos: Offensichtliches 1 x = x + 1 # Erhoehe x um 1 Sinnvoll: Grund für die Anweisung 1 x = x + 1 # Platz am Rand lassen Stilregeln in Python Aber: es sind Regeln keine Regel ohne Ausnahme Selbst nachdenken, nachfragen, eigenes Urteil PEP 20 The Zen of Python Beautiful is better than ugly. Readability counts. 3.6 Zusammenfassung Zusammenfassung Variablen geben Werten einen Namen Damit ändert sich der Zustand eines laufenden Programms Syntaxregeln für Variablennamen Semantik der Zuweisung Die Repräsentation des Typs (in Wert oder Variable) unterscheidet dynamisch von statisch typisierten Programmiersprachen

19 3.6. Zusammenfassung Rückblick Waren Sie überrascht? Gute Programmiersprache: Keine Überraschungen Principle of least possible surprise Hätten Sie etwas anders gemacht? Idealerweise: Eine offensichtliche Lösung There should be one and preferably only one obvious way to do it. (PEP 20 The Zen of Python)