Großübung zu Einführung in die Programmierung

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1 Großübung zu Einführung in die Programmierung Daniel Bimschas, M.Sc. Institut für Telematik, Universität zu Lübeck

2 Inhalt 1. Begriffsklärungen deterministisch / determiniert / terminierend / partielle Funktion 2. Besprechung Theorie Übung 2 3. Arbeiten mit der Linux / Mac OS X Shell 4. Hinweise zu Übung 3 5. Korrektheit und Fehlerfreiheit von Software 2. Großübung Programmieren #2

3 #3 Großübung zu Einführung in die Programmierung 1. Begriffsklärung deterministisch / determiniert / terminierend / partielle Funktion

4 1. Begriffsklärung deterministisch deterministisch (Determinismus) Bei gleicher Eingabe: - Immer gleiche Berechnungspfade - Immer gleiches Ergebnis 2. Großübung Programmieren #4

5 #5 1. Begriffsklärung determiniert determiniert (Determiniertheit) Bei gleicher Eingabe: - Potentiell unterschiedliche Berechnungspfade (gleiche Abfolge von Zuständen) - Immer gleiches Ergebnis Wahl des Pfades oft abhängig von Zufallsvariablen )

6 #6 1. Begriffsklärung terminierend terminierend (Terminiertheit) Ein Algorithmus: terminiert für eine Eingabe a wenn er nach endlichen vielen Schritten ein Ergebnis liefert ist terminierend wenn er für alle erlaubten Eingaben nach endlichen vielen Schritten ein Ergebnis liefert

7 #7 1. Begriffsklärung partielle Funktion VL: Die Semantik eines imperativen Algorithmus ist eine partielle Funktion ->??? Eine partielle Funktion f mit f: X -> Y ordnet jedem Element aus X höchstens ein Element aus Y zu. Nicht für jedes x aus X liefert f ein Ergebnis Für manche x aus X liefert f entweder einen Fehler oder terminiert nicht D.h. Definitionsbereich ist häufig nicht nur durch den Typ (z.b. int) gegeben, sondern wird weiter eingeschräkt

8 #8 1. Begriffsklärung partielle Funktion Beispiel Fibonnaci-Funktion (vgl. Vorlesung) fib: int -> int fib(0) = 0 fib(1) = 1 fib(n) = fib(n-1) + fib(n-2) für n > 1 fib ist für negative Zahlen nicht definiert, kann also (je nach Implementierung) einen Fehler liefern, nicht terminieren oder Abstürzen fib ist nicht definiert, für natürliche Zahlen bei denen das Ergebnis größer ist als der Zahlenraum von int (größte Zahl bei 16 Bit Integer ohne Vorzeichen: 65535)

9 #9 Großübung zu Einführung in die Programmierung 2. Besprechung Theorie Übung 2

10 #10 2. Besprechung Übung 2 (Aufgabe 2.1a Übung)

11 #11 2. Besprechung Übung 2 (Aufgabe 2.1b Übung)

12 #12 2. Besprechung Übung 2 (Aufgabe 2.1c Übung)

13 2. Besprechung Übung 2 1. Fülle 200ml Wasser in einen Topf 2. Erhitze das Wasser im Topf auf einem Herd 3. Wenn das Wasser kocht, gehe zu 4., sonst gehe zurück zu Gieße das Wasser in eine Tasse (bis 5mm unter dem Rand) 5. Hänge einen Teebeutel Earl Grey in die Tasse mit Wasser 6. Warte 2 Minuten und 54 Sekunden 7. Nehme den Teebeutel heraus 2. Großübung Programmieren #13

14 #14 2. Besprechung Übung 2 Algorithmus zur Berechnung perfekter Zahlen zwischen 1 und 999: Hier Müsterlösung von Aufgabe 2.2 Freigabe dieser Folie nach Abgabe der Übungszettel am Anfang der Großübung (Aufgabe 2.2 Übung)

15 #15 2. Besprechung Übung 2 Sind richtige / gute / korrekte Algorithmen immer terminierend, determiniert und vielleicht sogar deterministisch?

16 #16 2. Besprechung Übung 2 Telefonbuchsuche: determiniert, terminierend Webserver: nicht-terminierend (liefert jedoch für Anfragen deterministisch oder determiniert Antworten) Betriebssystem: nicht-terminierend, hoffentlich determiniert / deterministisch Steuerungssysteme für Industrieanlagen (nichtterminierend) Las Vegas / Monte Carlo und weitere mathematische Simulations- und Optimierungs- Algorithmen: verwenden Zufall, liefern nicht immer eine Antwort, ggf. falsche Antworten mit einer vorher bekannten Fehlerwahrscheinlichkeit

17 #17 Großübung zu Einführung in die Programmierung 3. Arbeiten mit der Linux / Mac OS X-Shell

18 3. Linux, Mac OS X, Unix Verbreitung Linux (2013): Internet-Server: Linux: 38,6% Unix-like (inkl. Linux): 67,4 % Top 500 Supercomputer: 98 % Desktop: 1,41% Verbreitung Mac OS X: Desktop: 7,05% Server:? Android und ios (ebenfalls Unix-artig): 83,53% Quelle: 2. Großübung Programmieren #18

19 Unix Der gemeinsame Vorfahren von Linux, Mac OS X, Android, ios, *BSD,... DEC PDP-7, US$72,000 erster Computer mit Unix (1969) Ken Thompson (Erfinder von Unix) und Dennis Ritchie (Erfinder von C) an einer PDP-11 Quelle: Wikipedia 2. Großübung Programmieren #19

20 #20 Quelle: Wikipedia

21 #21 Quelle: Wikipedia

22 #22 3. Linux / OS X, Unix und POSIX Linux und Mac OS X haben einen gemeinsamen Vorfahren (Unix) Die meisten Unix-artigen Betriebssysteme halten sich (weitgehend) an den POSIX-Standard POSIX (/ˈpɒzɪks/ poz-iks), an acronym for "Portable Operating System Interface, is a family of standards specified by the IEEE for maintaining compatibility between operating systems. [Wikipedia] POSIX definiert u.a. Programmierschnittstelle zum Betriebssystem Kommandozeilenwerkzeuge (z.b. echo, awk, ed) Zugriff auf Dateien, Netzwerk, Terminals Threads

23 #23 3. Terminal & Shell (CLI) Shell bzw. Command Line Interpreter Terminal DEC VT 100 Quelle: Wikipedia

24 3. Die Shell (Command-Line-Interpreter, CLI) Die Shell interpretiert Kommandos: Benutzer geben diese in Form von alphanumerischen Zeichen an der Tastatur ein Interagiert mit dem Betriebssystem (Kernel) Startet und stoppt Programme Gibt Fehlermeldungen aus Großübung Programmieren PDP-11 Emulation von Unix 6 #24

25 #25 3. Die Shell Terminal Shell Standard: bourne-again Shell (bash) Hier: fish Shell

26 #26 3. Die Shell Befehle / Kommandos Ausgabe Befehl Kommandozeilenparameter / Kommandozeilenargument(e) Das erste Wort ist immer der Befehl / das Kommando Alle weiteren Worte sind Parameter / Argumente (getrennt durch Leerzeichen) Mehrere Worte in Anführungszeichen (s.o.) sind ein Parameter / Argument

27 3. Dateisystem Es gibt unter Linux keine Laufwerksbuchstaben Alle Verzeichnisse, Dateien und Geräte befinden sich unterhalb des Wurzelverzeichnisses (root): / / ist vergleichbar mit Laufwerk C: unter Windows Zusätzliche Datenträger werden in ein Verzeichnis unterhalb von / eingehängt (Beispiel: USB-Stick unter /media/usb) 2. Großübung Programmieren #27

28 #28 3. Dateisystem (Linux)

29 #29 3. Die Shell Navigation im Verzeichnisbaum Programm cd (change directory) wechselt Verzeichnisse und erhält als Parameter einen Pfade Pfadangaben können absolut (/Users/danbim/) oder relativ sein (../../danbim/coding/). bezeichnet das aktuelle Verzeichnis.. bezeichnet das übergeordnete Verzeichnis Auf Ordner (s.o.) oder Dateien verweisen, z.b. /Users/danbim/coding/MeinProgramm.java

30 #30 3. Die Shell Wichtige Befehle / Kommandos

31 #31 3. Die Shell Wichtige Befehle / Kommandos mkdir <dir> legt Verzeichnisse an ls zeigt Dateien und Verzeichnisse an ls a + versteckte Dateien ls la + Zusatzinfos cat <file> gibt den Inhalt einer Datei aus cp <src> <dst> kopiert eine Datei von Quelle nach Ziel mv <src> <dst> verschiebt eine Datei oder benennt sie um rm <file> löscht eine Datei

32 #32 3. Shell - Argumente und eigene Programme

33 #33 3. Shell - Argumente und eigene Programme

34 3. Die Shell Weitere Informationen Eine ausführliche Anleitung befindet sich im Moodle unter Literaturhinweise und Links Und natürlich sehr viele Tutorials online Großübung Programmieren #34

35 #35 Großübung zu Einführung in die Programmierung 4. Hinweise zu Übung 3

36 #36 4. Hinweise zu Übung 3 Theorieaufgaben Anzahl der Punkte und Schwierigkeit einer Aufgabe stehen nicht zwangsweise 1:1 im Verhältnis Notation aus der Vorlesung befolgen

37 #37 4. Hinweise zu Übung 3 Signatur von Funktionen Der Begriff Signatur bezeichnet die formale Schnittstelle, bestehend aus: Name (der Funktion/...) Anzahl, Reihenfolge und Typ der Parameter Rückgabetyp Beispiele Signatur: Mathematische Schreibweise: min: N N N Notation aus Vorlesung: fun min(a, b : int) : int Java: public int min(int a, int b) C++: int min(int a, int b)

38 #38 4. Hinweise zu Übung 3 Auslagern von Funktionen

39 #39 4. Hinweise zu Übung 3 Auslagern von Funktionen Aufruf der Funktion Rückgabewert des Funktionsaufrufs anschließend in Variable v gespeichert

40 #40 4. Hinweise zu Übung 3 Auslagern von Funktionen Aufruf der Funktion Durch Auswertung des Ausdrucks times(10, 20) (rein gedanklich, zur Illustration)

41 #41 Großübung zu Einführung in die Programmierung 5. Korrektheit und Fehlerfreiheit von Software

42 5. Korrektheit und Fehlerfreiheit 2. Großübung Programmieren Quelle: #42

43 5. Korrektheit und Fehlerfreiheit Am 04. Juni 1996 explodierte Flug 501 vom Typ Ariane 5 auf ihrem Jungfernflug aufgrund eines Softwarefehlers Auslöser: mangelnder Schutz vor Ganzzahlenüberlauf (integer overflow) Quelle: Wikipedia 2. Großübung Programmieren #43

44 #44 5. Wozu formales Verständnis? Beispiel: parallele Verarbeitung von Anweisungen ( - Operator ) Welchen Wert besitzt p in Zeile 5?

45 #45 5. Wozu formales Verständnis? Beispiel: parallele Verarbeitung von Anweisungen ( - Operator ) Welchen Wert besitzt p in Zeile 5? p = 2 (linker Teil ließt p zuerst, rechter Teil ließt, rechnet und schreibt, linker Teil schreibt) p = 3 (rechter Teil ließt p zuerst, linker Teil ließt, rechnet und schreibt, rechter Teil schreibt) p = 6 (links erst oder rechts erst) Festlegung einer formalen Semantik hilft hier!

46 #46 5. Formale Verifikation Formale Verifikation (Extremfall): Mathematischer Beweis der Korrektheit Überprüfung ob Software einer formalen Spezifikation genügt Heute i.a. teilautomatisiert mit Software: Software kann gewisse Schritte automatisiert beweisen, bei anderen muss der Mensch helfen Grund: es existiert kein Algorithmus der entscheiden kann ob ein beliebiger anderer Algorithmus terminiert (Halteproblem) Angewandt in Sicherheitskritischen Bereichen: Luftund Raumfahrt, Medinische Geräte, Militär,...

47 #47 5. Testen von Software Am weitesten verbreitet: Unit Testing fib: int -> int fib(0) = 0 fib(1) = 1 fib(n) = fib(n-1) + fib(n-2) für n > 1 Erstellen eines/mehrerer Testprogramme zur Überprüfung von Normal- und Extremfällen: fib von negativen Zahlen? fib von zu großen Zahlen? fib für Zahlen aus dem Definitionsbereich?

48 #48 5. Testen von Software Wichtigster Unterschied zum formalen (mathematischen) Beweis: Testen zeigt die Abwesenheit bestimmter Fehler, nicht die Korrektheit eines Algorithmus für beliebige Werte Testen aller möglichen Werte i.a. nicht möglich da dies zu komplex wäre / zu lange rechnen würde

49 #49 5. Testen von Software Unit Testing testet klein(st)e Einheiten von Code (z.b. Funktionen) Weitere Arten: Integrationstest (Zusammenspiel mehrerer ausgesuchter Komponenten, Bsp: Webserver + Datenbank + Browser) Systemtest (Test eines Gesamtsystem auf Einhaltung einer Spezifikation) Akzeptanztests (nehmen Anwender die Software an?) Regressionstests (Testen auf Bugs die schon mal behoben waren und durch Änderungen erneut auftreten können) Sicherheitstests...