Kapitel 3 Programmierung Lernen mit Scheme. Xiaoyi Jiang Informatik I Grundlagen der Programmierung

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1 Kapitel 3 Programmierung Lernen mit Scheme 1

2 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Klassischer Ansatz: Es wird die Syntax einer (modischen) Programmiersprache beigebracht Es wird eine komplexe, kommerzielle Entwicklungsumgebung benutzt Es werden einige algorithmische Ideen diskutiert Folgen: Wie Sie selber völlig neue Programme schreiben, bleibt unklar Design: fummeln bis es funktioniert Sie kennen zwar ein paar Standardalgorithmen, aber dies ersetzt kein Vorgehensmodell für Programmdesign 2

3 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Welche Sprache (zum Anfangen)? Industrie: Heute benutzen wir xx. Wieso bringen Sie es Ihren Studenten nicht bei? Dozent??? Student mit Abi-Note 0.x: Ich weiß alles und yy ist die beste Sprache! Eltern: n-tv berichtet viel über zz. Wieso unterrichten Sie mein Kind nicht in dieser Sprache? 3

4 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Welche Arbeitsumgebung (zum Anfangen)? Arbeitsumgebung für Piloten: Gut geeignet für die ersten Flugstunden? 4

5 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Welche Arbeitsumgebung (zum Anfangen)? Arbeitsumgebung für Software-Profis: Gut geeignet für die ersten Programme? 5

6 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Unser Ansatz: 3 Säulen Einfache Programmiersprache (Scheme) Die fundamentalen Prinzipien der Programmierung lernen Präzise Modelle um die Bedeutung der Programmiersprache zu verstehen 2. Entwicklungsumgebung für Anfänger (DrScheme) 3. Leitfaden/Rezepte, wie sie Schritt für Schritt selber ein Programm entwerfen sollten. Diese Rezepte sind unabhängig von der Programmiersprache, die Sie benutzen. 6

7 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Einfache Programmiersprache: Scheme ist eine Sprache mit kleinem Wortschatz (ohne die Mächtigkeit zu beeinträchtigen) Scheme kann leicht in einige abgestufte Teilsprachen (nach pädagogischen Gesichtspunkten) aufgeteilt werden Benutzung von Konstrukten, die sie noch nicht kennen, wird unterbunden Keine bizarren Fehlermeldungen, mit denen sie nichts anfangen können Wir können uns auf die Designkonzepte und Ideen, die ihrem jeweiligen Wissensstand angemessen sind, konzentrieren! 7

8 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Entwicklungsumgebung für Anfänger: Übersetzung in Maschinensprache von einem Interpreter während der Ausführung Erledigt (interaktives Arbeiten) 8

9 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Vergleich Scheme/Java: DrScheme: Wir tippen das Programm (+ 3 7) ein und bekommen als Resultat 10 Java/Eclipse: Wir starten ein neues Projekt; Wir legen eine neue Klasse an; Wir schreiben folgendes Programm: public class Test { public static void main(string[] args) { System.out.println(3+7); } } Wir komplieren und starten das Programm; Im Ausgabefenter erscheint das Ergebnis 10 Sie brauchen Wochen, um alle Teile dieses Java Programms zu verstehen Die in Java/Eclipse benötigten Schritte sind nicht Unsinn, für einen Anfänger jedoch verwirrend und unnötig! 9

10 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Wieso nicht von Anfang an Java? Komplexe Notation, komplexe Fehler Keine Entwicklungsumgebung unterstützt Sprachlevel Direkte Interaktion mit dem Interpreter macht den Start einfacher Designrezepte ertrinken in umständlicher Syntax KISS (Keep It Simple Syntactically) Java/C++/Pascal: 90% Syntax, 10% Problemlösung Scheme: 10% Syntax, 90% Problemlösung Scheme (bzw. Lisp) ist die Mutter der meisten modernen Sprachen Sprachfeatures können in Scheme in Reinform studiert werden Viele neue Features moderner Sprachen können mit Scheme- Kenntnissen sehr leicht verstanden werden Untersuchungen zeigen, dass nach unserem Ansatz ausgebildete Studenten die besseren OO-Programmierer werden! 10

11 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Von Scheme nach Java: In der 2. Hälfte der Vorlesung wird Java verwendet Designrezepte funktionieren Schritt für Schritt auch für objektorientierte Programme Viele Unterschiede sind lediglich Notation Das Studium fundamentalerer Unterschiede ist sehr instruktiv 11

12 3.1 Wie lehrt man Programmierung? Fazit: Die Ausbildung guter Programmierer heißt nicht, dass man mit Werkzeugen für professionelle Programmierer beginnt, die gerade in Mode sind Bei uns bekommen Sie zunächst eine fundierte, rigorose Basis der Grundkonzepte der Programmierung Dann, und erst dann, werden wir sie auch mit der neuesten Mode vertraut machen! Ziele: Die grundlegenden Prinzipien der Programmierung kennenlernen Die Sprachen Scheme/Java kennenlernen 12

13 3.2 Literatur M.Felleisen, R.Findler, M.Flatt, S.Krishnamurthi: How to Design Programs. The MIT Press, H.Abelson, G.J.Sussman, J.Sussman: Struktur und Interpretation von Computerprogrammen. Springer, R.K.Dybvig: The Scheme Programming Langusage. The MIT Press,

14 3.3 Grundelemente der Programmierung Jede Programmiersprache hat eine Hierarchie von Mechanismen, um Prozessideen zu strukturieren: Primitive (atomare) Ausdrücke Repräsentieren die kleinsten Einheiten der Sprache Zusammengesetzte Ausdrücke Zusammengesetzte Elemente werden aus einfacheren Einheiten konstruiert Abstraktionsmittel Zusammengesetzte Elemente zur Modellierung einer komplexeren Sache können benannt und weiter als Einheiten verwendet werden 14

15 3.3.1 Sprachelemente Primitive (Atomare) Ausdrücke Zahlen: Bsp. 23, -2/3 Zahlen sind selbstauswertend: Die Werte der Ziffern sind die Zahlen, die sie bezeichnen. Boolesche Werte: true und false ebenfalls selbstauswertend Eingebaute Operatoren: arithmetische Operationen: +, *, /, -, =, weitere mathematische Operatoren: sqrt, expt, remainder, log, sin, Eine Auswertung ergibt den Wert einer derartigen Operation 15

16 3.3.1 Sprachelemente Zahlen: Bei Operatoren, die exakte Ergebnisse produzieren, rechnet Scheme mit exakten ganzen Zahlen bzw. Brüchen Beispiel: > (+ 3 7) > (- 1 2/3) 10 1/3 Bei reellen Zahlen muss mit Ungenauigkeit gerechnet werden Beispiel: > ( ) > ( )

17 3.3.1 Sprachelemente Zusammengesetzte Ausdrücke Eine Sequenz von Ausdrücken eingeschlossen in Klammern. Die Ausdrücke selbst sind primitiv oder wiederum zusammengesetzt. Beispiel: Präfixdarstellung (Operator A 1 A n ) öffende Klammer (+ 3 7) schließende Klammer Operator Operanden Der Wert einer Kombination wird bestimmt durch Ausführung der (durch den Operator) angegebenen Prozedur mit den Werten der Operanden 17

18 3.3.1 Sprachelemente Beispiel: Weitere mathematische Operatoren neben den einfachen arithmetischen Operationen (sqrt A): Wurzel von A (expt A B): A B (remainder A B): Rest bei ganzzahliger Division A/B (log A): natürlicher Logarithmus von A (sin A): Sinus von A (Radiant) > (sqrt 2) > (expt 2 3) 8 > (remainder 8 3) 2 18

19 3.3.1 Sprachelemente Verschachtelte Zusammensetzungen: Regeln einfach rekursiv anwenden (* (+ 2 2) (/ (* (+ 3 5) (/ 30 10)) 2)) = (* 4 (/ (* 8 3) 2)) = (* 4 (/ 24 2)) = (* 4 12) = 48 Scheme wertet einen solchen Ausdruck genauso aus: Von den innersten primitiven Ausdrücken anfangen und schichtweise nach außen hinarbeiten 19

20 3.3.1 Sprachelemente Abstraktionen 1. Erstelle eine komplexe Sache aus primitiveren Sachen 2. Benenne sie 3. Behandle sie als eine primitive Sache Beispiel: Einfachstes Abstraktionsmittel define (define pi ) Beispiel: Definition neuer Operatoren durch Benutzer (später) 20

21 3.3.2 Bindungen und Umgebung Ein wichtiger Aspekt einer Programmiersprache sind die Möglichkeiten, Objekte über Namen zu referenzieren. Ein Name identifiziert eine Variable. (define <name> <exp>) Scheme wertet den Audruck <exp> aus und bindet den resultierenden Wert an den Namen <name> Umgebung: Der Scheme Interpreter unterhält eine Art Speicher, um Name- Wert Paare zu verwalten Assoziiere die Werte mit den Symbolen Hole die Werte später über die Symbole define steht für eine Funktion, welche die Umgebung verändert 21

22 3.3.2 Bindungen und Umgebung Nach und nach können verschiedene Werte an den gleichen Namen gebunden werden (zeitlicher Aspekt) > (define pi ) > (define radius 10) > (* pi radius radius) > (define radius 20) > (* pi radius radius) Ausdrücke mit Namen ohne Bindung können nicht ausgewertet werden > (+ a 1) reference to undefined identifier: a 22

23 3.3.3 Auswertungsregeln Selbst-auswertend: gib den Wert zurück Bsp. Zahlen und boolesche Werte Name: gib den Wert zurück, der in der Umgebung mit diesem Namen assoziiert wird Eingebauter Operator: gib die Sequenz der Maschineninstruktionen zurück, welche die entsprechende Operation durchführen. Kombination: Rechne die Unterausdrücke (in beliebiger Reihenfolge) aus Wende die Prozedur, die der Wert des links stehenden Unterausdruckes ist (der Operator), auf die Operanden an (die Werte der restlichen Unterausdrücke) Sonderform: mache was besonderes 23

24 3.3.3 Auswertungsregeln Die Auswertungsregel ist rekursiv: Bei einer Kombination ruft die Regel sich selbst auf Jedes Element muss ausgewertet werden, bevor die Gesamtauswertung einer Kombination abgeschlossen werden kann Beispiel: Auswertung der folgenden Kombination erfordert die Anwendung der Auswertungsregel auf drei unterschiedliche Kombinationen (* 4 (/ (* 8 3) 2)) 24

25 3.3.3 Auswertungsregeln Sonderformen: Geklammerte Ausdrücke, die mit einem der wenigen Schlüsselwörter von Scheme anfangen Beispiel: define Mit define kann man einen Wert an einen Namen binden Bsp. (define pi ) Die define Sonderform wertet den zweiten Ausdruck nicht aus (in dem Beispiel pi) Sie assoziiert diesen Namen mit dem Wert des dritten Ausdrucks in einer Umgebung Der Rückgabewert einer Sonderform ist nicht spezifiziert 25

26 3.3.3 Auswertungsregeln Arbeitsweise eines Scheme-Interpreters: Read-Eval-Print Zyklus Warten auf Eingabe Benutzer gibt Ausdruck und <RETURN> ein Einlesen, Analysieren auf erlaubte Syntax und Auswerten des eingegebenen Ausdrucks Ausgabe des Auswertungsresultats (falls keine Fehler auftreten) Gehe zu Warten auf Eingabe zurück 26

27 3.3.4 Definition neuer Prozeduren Beispiel: Berechne die Kreisfläche für Radius = 1, 2, 3 > (define pi ) > (* pi (* 1 1)) > (* pi (* 2 2)) > (* pi (* 3 3)) Wiederholung derselben Rechenvorschrift kann in einer allgemeinen Form formuliert werden 27

28 3.3.4 Definition neuer Prozeduren Die define Sonderform wird für die Definition neuer Prozeduren verwendet, um Wiederholungsmuster in einer allgemeinen Form festzuhalten Name Parameter (define (area-of-disk r) (* pi (* r r))) Prozedurrumpf 28

29 3.3.4 Definition neuer Prozeduren Die obige Prozedur kann wie eine primitive Prozedur (+, *, etc.) benutzt werden Beispiel: Kreisfläche mit Radius = 5 > (area-of-disk 5) 78.5 Beispiel: Fläche eines Ringes mit Radius = 3 und 5 > (- (area-of-disk 5) (area-of-disk 3))

30 3.3.4 Definition neuer Prozeduren Bereits definierte Prozeduren können zu neuen, mächtigeren Prozeduren kombiniert werden (Abstraktion auf einer höheren Ebene) Beispiel: Allgemeine Berechnung der Fläche eines Rings (define (area-of-ring outer inner) (- (area-of-disk outer) (area-of-disk inner))) Anwendung der neuen Prozedur: (area-of-ring 5 3) = (- (area-of-disk 5) (area-of-disk 3)) = (- (* (* 5 5)) (* (* 3 3))) = =