Programmierung. PRG, SS 08 March 19, Inhalt. in Python. richard rascher-friesenhausen.

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1 Inhalt Programmierung in Python Organisatorisches Allgemeines Python richard rascher-friesenhausen 19. März 2008 Organisatorisches Allgemeines Termin: Vorlesung am Di. 08:00 09:30, Z1020 Übung am Di. 09:45 11:15, Rechnerraum MT Was ist Programmieren? Software-Engineering Problemformulierung Dokumentieren Inhalte der Vorlesung und der Übung Kontakt: am besten über Sprechstunde im Raum M5050 nach Vereinbarung oder nach der Veranstaltung. Leistungsnachweis: über wöchentliche Hausaufgaben (in zweier Gruppen!) Ein schneller Überblick auf was Programmieren ist, was dafür gebraucht wird und was wir machen werden. Pflichtfach für Medizininformatiker, Wahlpflicht für Ingenieurmediziner. Lasse eine Liste rundgehen. Bitte eintragen mit -Adresse für Mailverteiler. Aktuelle Informationen zur Veranstaltung findet man unter Was ist Programmieren? Software-Engineering Was ist Programmieren? Software-Engineering 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 Implementierungen Testen Dokumentieren Ergebnis ist Software : lauffähige Programme oder verwendbare Bibliotheken. 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. Beispiel für eine Systematik ist Extreme Programming. PRG, SS 08 March 19,

2 Problemformulierung Problemformulierung Bevor man an die Lösung des Problems geht, sollte genau geklärt sein, was das Problem wirklich ist! Ganz grob ist ein Algorithmus ein Lösungsverfahren für eine Klasse von Problemen. Vergleichbar einem Rezept, Prozess, Methode, Technik, Prozedur, Routine. Beipiele 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 findet man unter Dongarra, Sullivan (2000): Top ten algorithms of the century, IEEE, Comput. Sci. Eng.) Formale Definition (nach Knuth 1 ): 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. 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), 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. 1 The Art of Computer Programming I, pp. 4 Problem: Lösungsidee: Algorithmus: Finde alle Lösungen x R der quadratischen Gleichung x 2 + p x + q = 0, p, q R x 1,2 = p 2 ± (p 2) 2 q Input: Koeffizienten p und q. 1 Bestimme Radikanden r = ( p 2 2) q. 2 if r < 0 then 3 Setze Fehlercode auf keine reelle Nullstelle. 4 elseif r = 0 then 5 Bestimme x1 = x2 = p 2. 6 Setze Fehlercode auf doppelte reelle Nullstelle. 7 else 8 Bestimme x1 = p 2 r, x2 = p 2 + r. 9 Setze Fehlercode auf zwei reelle Nullstellen. 10 end.if Output: Nullstellen x1, x2 und Fehlercode 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 List. Algorithmus: Input: n ganze Zahlen 1 Lese n Zahlen in das Feld a 0,..., a n 1 ein. 2 for i = 0, 1,..., n 1 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 PRG, SS 08 March 19,

3 Woher kommt der Name? 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... Wie rede ich mit meinem Computer? Wie bringe ich ihm bei, daß 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. Maschinensprache, 2. Assembler und 3. Höher Programmiersprache. Maschinensprache Maschinensprache 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 garnicht für den Menschen programmierbar. Führte zu den Assemblern. 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 Assembler Höhere Assembler Höhere 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 spezial Lösungen: Signalprozessoren, Grafikchips. Führt zu höheren. Einzelne Anweisungen führen komplexe Augaben 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 08 March 19,

4 Höhere Höhere Es gibt viele Hundert verschiedene höhere : 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 diesen The Language Guide: /course.des/cis400/ Und Computer Languages History: Beispiel kommt 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 Höhere 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. Was meist noch dazukommt sind Funktionen oder Unterprogramme, Bibliotheken für das modulare Programmieren. Syntaktische Fehler Laufzeit Fehler Semantische Fehler Testen Programmieren ist die eine Sache. Prüfen, ob das Programm dass gestellte Problem wirklich löst, eine andere Sache. Fehler kommen vor! Unterscheidbar in 1. Syntaktische Fehler 2. Laufzeit Fehler 3. Semantische Fehler Syntaktische Fehler Laufzeit Fehler Syntaktische Fehler Laufzeit 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. 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. PRG, SS 08 March 19,

5 Semantische Fehler Testen Semantische Fehler Testen Etwas ist verkehrt mit den Reslutaten. In jeder Phase der Programmentwicklung sollte getestet werden. Programm läuft durch. Aber es löst nicht das gestellte Problem. Dazu werden gebraucht: Zumeist Fehler in dem Lösungsalgorithmus oder der Lösungsidee. Auch nicht ganz leicht! Gültige Programmeingaben Zugehörige korrekte Programmausgaben Müssen korrigiert werden! Mit kleinen Beipielproblemen einzelne Funktionen oder Programmzeilen austesten. Im Extremfall zuerst die Tests schreiben, dann erst das Lösungsprogramm. Tests automatisieren. Beispiele dazu später. Zumeist wird sich darum gedrückt...aber: Gehört zum QM. Dokumentieren Inhalte der Vorlesung und der Übung Dokumentieren Inhalte der Vorlesung und der Übung Dokumentation für einen selber und für andere. Dokumentation des Programms 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. 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 Geschichte Anwendungsgebiete Ein bischen was zu Python. Wie es aussieht, woher es kommt, welche Hilfen es gibt und wie man dran kommt. Traditionell beginnt jedes Lernen einer Programmiersprache mit einem Programm, dass Hello World! auf dem Monitor ausgibt. Wir schauen uns das an in Python, C++ und Java. Wer noch mehr Beispiele sehen möchte: Hello, World Page!: PRG, SS 08 March 19,

6 in C++: // "Hello world!" in C++ #include <iostream>./src/hello.cpp int main(void) { std::cout << "Hello world!" << std::endl; return 1; } Dann compilieren (erzeugt hello.o): C:\> g++ -c hello.cpp Starten mit C:\> hello Dann linken (erzeugt hello.exe): C:\> g++ -o hello.exe hello.o Und nochmal in Java:./src/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 Starten mit C:\> java hello Geschichte Zuletzt in Python: Geschichte # "Hello world!" in Python print "Hello world!"./src/hello.py Entstand 1989, geschrieben von Guido van Rossum. Veröffentlicht 1991 (version 1.5, heute Version 2.3). Starten mit C:\> python hello.py Ursprüngliche Idee: Scripting Sprache für Administrationszwecke. Basiert auf den Sprachen ABC (All Basic Code) und Modula-3. Benannt nach Monty Python. Schnell wachsende Python Gemeinde. Gut unterstütze und lebende Programmiersprache: Web-Seite: Dokumentation: News-Group: news:comp.lang.python... Und alle drei Programme erzeugen die Ausgabe Hello world! Geschichte Anwendungsgebiete 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 ist mächtig durch eine Menge von Standardmodulen: io, system calls, sockets, gui,... 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 und MacOS ist kostenlos Anwendungsgebiete Anwendungsgebiete für Python sind (siehe auch python.org): Web-Programmierung Datenbankanbindungen Grafische Oberflächen Numerische Mathematik, Bioinformatik Netzwerke Softwareentwicklung Python auf dem Handy: Nokia S60. Python für Spiele: Civilization IV. Verknüpfen von Applikationen, Steuern von Applikationen. (Bsp.: MeVisLab) Und natürlich als Einstieg in das Programmieren... Mehr unter PRG, SS 08 March 19,

7 Distributionen Distributionen Distributionen Texte Bücher & Dokumentation 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. PythonWare: eine Distribution mit Bild- und Soundverarbeitungs Bibliothek. Enthought: 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... Texte Bücher & Dokumentation Texte Bücher & Dokumentation Einfache einführende Texte zu Python sind im Netz frei verfügbar. Etwa: Python Tutorial : Python Tutorial (deutsch) : /tut/ (älter) Non-Programmers Tutorial For Python : How to Think Like a Computer Scientist : 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. Siehe auch Learning to program : Siehe auch für eine längere Liste. Command Line Mode Command Line Mode 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. Die Kommandozeilenversion von Python wird aufgerufen über C:\> Python Danach erschein ein Willkommensgruss und ein neuer Prompt Enthought Edition build 1028 Python 2.3 (#46, Aug :34:05) [MSC v bit (Intel)] on win32 Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information. >>> Siehe auch das Tutorial unter PRG, SS 08 March 19,

8 Script Mode IDLE Script Mode IDLE Sollte man schon in einer Datei myfile.py ein kleine Python Programm geschrieben haben, so kann man dieses auch direkt laufenlassen über C:\> python myfile.py Windows: Zu der Python Distribution gehört auch eine Programmierumgebung oder eine Integrated Development Environment namens IDLE. Eine kurze Einführung git es unter 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 08 March 19,

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