Vorlesung Programmieren. Inhalt. Warum mit Computern beschäftigen? Einführung Was bedeutet Programmieren? 1. Von Menschen und Computern

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1 Vorlesung Programmieren Einführung Was bedeutet Programmieren? Prof. Dr. Stefan Fischer Institut für Telematik, Universität zu Lübeck Inhalt 1. Von Menschen und Computern 2. Realität und Modell 3. Verantwortung des Informatikers 4. Wie entsteht gute Software? 5. Programmieren als Wissenschaft, Handwerk und Kunst 6. Schlussfolgerung 1-2 Warum mit Computern beschäftigen? Quelle: 1

2 Warum mit Computern beschäftigen? Der Computer soll für uns Arbeit erledigen Berechnungen durchführen Tabellenkalkulation Ballistische Berechnungen Simulationen (Informatik, Physik, Chemie, Genetik, usw.) Signale erfassen, auswerten und darstellen Intelligente Ampelsteuerung, Verkehrsleitsysteme Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) Mobilfunk Kommunikationsaufgaben erledigen Vernetzung von Computern, , Skype, Facebook, Twitter, 1-4 Effizienzsteigerung 1-5 Hauptaufgabe des Programmierers Der Maschine beibiegen, was sie tun soll Problem: Computer sind dumm Security - 04 Cryptology #6 2

3 Wie lernen Computer diese Tätigkeiten? Aufgabe: Lies eine Ziffer von der Tastatur ein, multipliziere sie mit zwei. Danach gib das Ergebnis auf den Bildschirm aus Computer verstehen keine menschliche Sprache Diese Aufgabe kann so nicht ausgeführt werden Bauartbedingt verstehen Computer nur Sprachen, für die sie gebaut worden sind Sog. Maschinensprachen 1-7 Bauartbedingte Funktionen Taschenrechner hat nur bestimmte Befehle Sog. Maschinensprache Mögliches Programm 1+2=M+C9/2=- MR+6= Maschinensprache 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: Maschinensprache ist (für Menschen) schwer verständlich Daher: Speziell ausgebildete Fachkräfte, die Maschinensprache fehlerfrei erzeugen können Diese heißen Programmierer 1-9 3

4 Weitere Aufgaben des Programmierers Fachspezialist Programmierer Computer Anwender 1-10 Aufgaben des Programmierers Problem, das zu lösen ist, verstehen Problem in (mathematisches) Modell überführen Extrem wichtiger Schritt Modell als Computerprogramm implementieren Sicherstellen, dass das Programm funktioniert 1-11 Modell Formal beschreibbares, typischerweise vereinfachtes, Abbild der Realität bzw. eines realen Systems Repräsentiert Teilsystem, das unter der gegebenen Fragestellung als relevant betrachtet wird Was ist relevant für das Modell? Ist eine mathematische Modellierung angemessen? Wie findet man sinnvolle (mathematische) Modelle? 4

5 Modellbildung Modell muss Realität abbilden Aber zugleich auch (technischen) Anforderungen der Maschine genügen Modelle sollten möglichst einfach sein KISS: Keep it small, simple, stupid Modelle sollten flexibel und robust sein Spätere Anpassung ist u.u. erforderlich! Daher: Erfahrung des Modellierers hilfreich! 1-13 Beispiel: Modell für Planentenbewegungen Anwendungsbereich: Berechnung der Planentenbewegungen Wirklichkeit: Planeten des Sonnensystems Modell: Newtonsche Axiome 1-14 Beispiel 2: Wie verarbeitet ein Computer Schrift? Computer können nur mit Zahlen umgehen Dennoch gibt es ja scheinbar Buchstaben auf dem Bildschirm Zahlen können bei der Darstellung als Zeichen interpretiert werden Modell: Abbildung von Zahlen zu Buchstaben Früher gab es verschiedene solcher Abbildungen Es war daher schwer, Dokumente zwischen verschiedenen Rechners auszutauschen Rechner A: Hallo Rechner B: H/%%? Security - 04 Cryptology #15 5

6 Standard Abbildung: ASCII American Standard Code for Information Interchange Standard für Computer weltweit Definiert Abbildung von Nummer zu Zeichen Zeichen 0 bis 128 Beispiel: 65 A Zeichen sind länderspezifisch Bildquelle: Ist das Modell ausreichend? Es gibt ja offensichtlich mehr als 256 verschiedene Zeichen auf der Welt Wie stellen Griechen, Russen, Chinesen, etc. ihre Zeichen im Computer dar? Lösung: Unicode Modell: Größere Tabelle Kompatibel mit ASCII 65 bedeutet nach wie vor A Security - 04 Cryptology #17 Unicode: Griechische Buchstaben Security - 04 Cryptology #18 6

7 Unicode: Mathematische Symbole Security - 04 Cryptology #19 Modelle in Wissenschaft & Technik Beispiel: Steuerungen, die die Wirklichkeit verändern Regelkreise: Konvergieren gegen Sollwert s Wenn das System im Gleichgewicht ist, gilt Istwert = Sollwert Sollwert s Stellgröße Regler Regelstrecke Regelgröße (Ist-Wert) Störgröße Zu regelnder Prozess 1-20 Beispiel-Regelkreis: Tempomat Regelstrecke (Aspekt der Wirklichkeit) Eingestellte Reisegeschwindigkeit Regelgröße (gemessene Entität) Geschwindigkeit v Regler (Vergleich: Ist- und Sollwert) Berechnet Änderung der Stellgröße über Modell Stellgröße (wirkt auf Regelstrecke ein) Beschleunigung oder Abbremsen Störgröße Gefälle, Wind, etc. 7

8 Was passiert bei ungeeigneten Modellen? Probleme bei der Benutzung von Maschinen 1-22 Was passiert bei ungeeigneten Modellen? cat inttest.c int main() { int a = ; int b = ; int c = a * b; printf("%i*%i=%i\n",a,b,c); } pfisterer@itm01:~$ gcc inttest.c -o inttest pfisterer@itm01:~$ chmod +x inttest pfisterer@itm01:~$./inttest * = pfisterer@itm01:~$ 1-23 Was passiert bei ungeeigneten Modellen? Ariane-5-Unglück am 4. Juni 1996 Software teilweise von Ariane 4 Ariane 5: höhere Beschleunigung als Ariane 4 Dadurch kam es zu einem Überlauf (siehe vorherige Folie) Brachte Teilsystem des Steuerungssystems zum Absturz Schaden: ca. 500 Mio. US$

9 Was passiert bei ungeeigneten Modellen? Security - 04 Cryptology #25 Verantwortung des Informatikers Der Computer ist schuld ist eine faule Ausrede Verantwortung tragen immer Menschen Und zwar sowohl für die Spezifikation als auch für die Implementierung und deren Verifikation 1-26 Verantwortung (Spezifikation) Ist die Spezifikation adäquat? Dies können (und sollen) Informatiker i.a. nicht allein entscheiden Bewertung schließt oft nicht-technische Abwägungen mit ein Effizienz der Datenverarbeitung vs. Datenschutz Wirtschaftlichkeit vs. Sicherheit

10 Verantwortung des Informatikers (Implementierung) Ist die Implementierung korrekt (im Sinne der Spezifikation), robust (funktioniert noch nach Änderungen), fehlertolerant, angenehm zu benutzen, gut wartbar? Passiert auch bei Fehlbedienung keine Katastrophe? Arbeiten Benutzer gern damit? Lassen sich Anpassungs- und Änderungswünsche leicht erfüllen? Ist das System wirtschaftlich? Gestaltungsrichtung und -spielraum Mensch-Mensch Funktionsverteilung Gestaltung der Arbeitsabläufe Mensch-Rechner Funktionsverteilung Werkzeug - Gestaltungsrichtung - Gestaltungsspielraum Dialog Ein/Ausgabe Hardware Gestaltungsebenen Hardware, Arbeitsplatz und Arbeitsumgebung Software Organisatorischer Bereich nach Koch, Reiterer et al Herausforderungen Beispiel Krankenhaus In a retrospective review of 14,000 in-hospital deaths, communication errors were found to be the lead cause, twice as frequent as errors due to inadequate skills. zitiert aus: Wilson RM, Runciman WB, Gibberd RW, Harrison BT, Newby L, Hamilton JD. The quality in Australian health care study. Medical Journal of Australia 1995, 163(9):

11 Wie entsteht gute Software? Programmierung von Computern (und vorangehende Modellierung) ist nicht einfach Vermeidung der (gröbsten) Fehler Verschiedene Konzepte zur Strukturierung des Softwareentwicklungsprozesses Wir betrachten exemplarisch Wasserfallmodell (Winston Royce, 1970) V-Modell (Barry Boehm, 1979) Spiralmodell (Barry Boehm, 1988) 1-31 Wie entsteht gute Software? Wasserfallmodell (Winston Royce, 1970) Wichtig: Lastenheft und Pflichtenheft Übergang bei definierten Ergebnissen Rücksprung um systembedingte Fehler in der aktuellen Kaskade in der vorhergehenden zu beheben

12 V-Modell (Barry Boehm, 1979) Standard bei öffentlichen Projekten Keine so strikten Übergänge wie im Wasserfallmodell 1-34 Spiralmodell (Barry Boehm, 1988) 1-35 Besonders Wichtig Frühe Phasen der Entwicklung! Kosten eines Fehlers Projektfortschritt

13 Programmieren Wissenschaft, Handwerk oder Kunst? Softwareentwicklungsprozess sehr facettenreich Verschiedene Möglichkeiten anschauen, wie man sich diesem Thema nähern kann: Wissenschaft Handwerk Kunst 1-37 Programmieren als Wissenschaft Programmiersprachen oder Konzepte entwerfen Objektorientierung, Aspektorientierung, Funktionale Programmierung usw. Übersetzer (Compiler): Programmiersprache Maschinencode Wichtige Grundlage: Formale Sprachen Weitere Elemente Beweisbarkeit der Korrektheit von Programmen Techniken zur Effizienzsteigerung Strukturierung des Entwicklungsprozesses 1-38 Programmieren als Wissenschaft (2) Beispiel INTERCAL ( The Programming Language From Hell Auszug aus einem Programm zur Berechnung von Primzahlen 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"~#

14 Programmieren zum Geldverdienen Security - 04 Cryptology #40 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. ( Programmieren als Kunst

15 Pixel City (Quelle: YouTube) Programmieren als Handwerk Sicheres Beherrschen von Programmiersprachen (min. eine) Sicherer Umgang mit Computern und Entwicklungswerkzeugen Fundiertes theoretisches und praktisches Wissen über Datenstrukturen (Array, Liste, Stack, HashTable, etc.) Basisalgorithmen (Sortieren und Suchen von Daten) Solide Kenntnisse über den Anwendungsbereich Basiswissen Softwareergonomie 1-44 Programmieren als Handwerk Typische Arbeitsumgebung

16 Zusammenfassung Programmieren ist eine sehr breit gefächerte Tätigkeit Diese Veranstaltung Weniger Wissenschaft oder Kunst Mehr Handwerk Voraussetzung für alles Weitere Genau wie in anderen Handwerken gilt Übung macht den Meister Nutzen Sie Ihre Zeit und schreiben Sie Programme!