Programmieren in Java

Transkript

1 Einführung in die (imperative) Programmierung

2 2 Programmierung Wunsch: Ein Zielsystem soll eine bestimmte Aktion ausführen Zielsystem: Eine Plattform wie Windows oder MacOS oder auch ein bestimmter Prozessor Aktion: Addiere zwei Zahlen Gebe einen Text auf dem Bildschirm aus Sende Daten (an einen Drucker, über Netzwerkverbindung,...)... Problem: Wie verständigt man sich mit dem Zielsystem Antwort: Maschinensprache

3 3 Maschienencode Ein Text geschrieben in der Sprache einer Maschine Ein Satz in Maschinencode besteht aus Folge von Nullen und Einsen beispielhaft Er beinhaltet den Befehl (Opcode) sowie evtl. Daten Sätze haben eine von der Maschine abhängige Maximallänge (hier: 8 Bit (1 Bit = 0/1)) Ein oder mehrere Sätze zusammen ergeben ein Programm Maschinencode als Kommunikationsmittel ungeeignet: Schwierig zu schreiben und ohne weitere Informationen schwer zu lesen Unterschiedlicher Sprachumfang einzelner Zielsysteme Gleiche Reihenfolge von Nullen und Einsen kann auf verschiedenen Zielsystemen zu verschiedenen Ergebnissen führen

4 4 Assembler mnemonische Symbole (Mnemonics) für mehr Lesbarkeit: movb $0x61, %al Mnemonic movb : Der hexadezimal Wert 0x61(= 97 dezimal) soll in das untere (l = low) Ende des Registers (grob: Speicherbereich) a geschoben werden Nicht ideal, aber brauchbar Heute noch von Bedeutung: Performance Das Zielsystem versteht den mnemonischen Code nicht Er muss in Maschinencode übersetzt werden Das Übersetzungsprogramm wird Assembler genannt movb $0x61, %al Assembler Quelle:

5 5 Compiler Übersetzt Code einer bestimmten Sprache in eine andere Sprache Der ursprüngliche Programmcode: Source-Program Der übersetzte Programmcode: Object-Program Source Object movb $0x61, %al Den Übersetzungsprozess bezeichnet man als Compilieren Der Compiler überprüft jeden Satz auf den richtigen Satzbau Falscher Satzbau führt zu einem Compile-Fehler Nur nach erfolgreichem Compilieren, kann das Programm auf dem Zielsystem ausgeführt werden Ausführen auf einem anderen Zielsystem ist nicht ohne weiteres möglich Vgl. Windows-Programme MacOS-Programme Ein Assembler ist demnach ein Compiler

6 6 Interpreter Laufzeit: Zeit, in der das Zielsystem das Object-Program ausführt Compiler: Object-Program wird vor dem Ausführen compiliert Interpreter: Source-Program wird zur Laufzeit analysiert, übersetzt (Object-Program) und dann ausgeführt Nachteil: Interpreter muss zum Ausführen mitgeliefert werden oder bereits vorhanden sein Analyse und Übersetzen zur Laufzeit kostet eben diese Vorteil: Compilezeit entfällt Interpreter eignen sich hervorragend zum Rapid Prototyping

7 7 Übersicht Hohe Programmiersprache Compiler Interpreter Maschinensprache Zielsystem

8 8 Höhere Programmiersprachen Sprache, die fast lesbar von Maschinensprache abstrahiert Die Anzahl solcher Sprachen ist gefühlt kaum noch aufzählbar Sprachen unterscheiden sich nicht nur in verschiedenen Dialekten Verschiedene Philosophien : Imperative Programmiersprachen (C, Pascal) Objekt-orientierte Sprachen (Java, C++, Objective-C) Funktionale Sprache (LISP, Haskell) Deklarative Programmiersprachen (SQL) Logische Sprachen (Prolog) Philosophien können durchaus vermischt werden!

9 9 Wichtig Ob eine Sprache compiliert oder interpretiert wird, ist kein Merkmal der Sprache!

10 10 Java Höhere Programmiersprache Aufgebaut auf dem Paradigma der Objektorientierten Programmierung Wie die meisten OOP-Sprachen aber auch imperativ Angelehnt an C++ Allerdings schlanker Version 1.0 erschien 1996 Mit Version 1.2 (1998) sprach man von Java 2 Version 5.0 (eigentlich 1.5) oder auch Java 5 aus dem Jahr 2004 brachte umfangreiche Änderungen, die sich bis zur Sprache selbst durchschlugen (bspw. Generics, Enums ) Die Versionen 6 (2006) und 7 (2011) brachten kleinere Erweiterungen Version 8 (März 2014) machte mit Closures wieder ein größeren Schritt in der Evolution der Sprache

11 11 Bytecode Ein Programm soll auf verschiedenen Zielsystemen lauffähig sein Probleme: Woher weiß man, auf welchem System das Object-Program ausgeführt werden wird? Für jedes potentielle System müsste ein Object-Program erzeugt werden Java-Lösung: Bytecode Ein Java-Compiler erstellt nicht Maschinen- sondern Bytecode Das JRE (Java Runtime Environment) ist eine virtuelle Maschine, die Bytecode versteht JRE nötig um Java-Programm überhaupt ausführen zu können Bytecode wird von der virtuellen Maschine für das jeweilige Zielsystem interpretiert

12 12 Just-In-Time Compiler Ist Java langsam, weil Bytecode interpretiert wird? Mit Java 2 wurde der Just-In-Time Compiler (HotSpot) eingeführt: Häufig wiederkehrende Programmabschnitte werden zur Laufzeit erkannt und dann zu Maschinencode des jeweiligen Zielsystems übersetzt Im nächsten Zyklus wird die Code-Einheit nicht mehr interpretiert, sondern der bereits fertig compilierte Maschinencode ausgeführt Für die Code-Einheiten können zum Teil Optimierungen vorgenommen werden, zu denen normale Compilier nicht in der Lage wären (Stichworte: Dynamische Optmierung oder Closed World-Annahme )

13 13 Übersicht: Java Java Compiler Bytecode JRE Just-In-Time Interpreter Maschinensprache

14 14 Wichtig Vorheriges Schaubild zeigt den gängigen Java-Ansatz. In diesem wird ein Java-Programm also compiliert und interpretiert! Aber nach Folie 8: Das ist keine Eigenschaft der Sprache Java, sondern Konvention im Umgang mit in Java geschriebenen Code!

15 15 Satzbau Jeder Satz einer Sprache kann unterteilt werden in kleinere Bausteine Klassische Satzlehre: Subjekt Prädikat Objekt Begriffe: Syntax: Regeln, nach denen ein beliebiger Satz Teil einer Sprache ist Compiler/Interpreter versteht nur syntaktisch korrekte Sätze Semantik: Bedeutung/Aussage eines Satzes der Sprache Compiler/Interpeter kann den Sinn eines Satzes nicht feststellen Token: Ein Baustein eines Satzes Separator : Trennzeichen, welche die Bausteine eines Satzes separieren Es kann bestimmte Zeichen zur Auszeichnung eines Satzendes geben Es gibt Trennzeichen mit Semantik (z.b. Klammern in math. Ausdrücken)

16 16 Token Tokens lassen sich in die folgenden Kategorien unterteilen: Bezeichner: Das Token besteht aus Buchstaben eines zuvor definierten Alphabets (bspw.: A-Z und 0-9) und stellt einen Name dar, dessen Bedeutung sich aus dem Kontext des Codes ergibt Literal: Ein Literal ist ein konstanter also unveränderbarer Ausdruck, bspw. eine Zahl Schlüsselwort: Schlüsselwörter sind die Pfeiler aller Sprachkonstruktionen und damit das Fundament einer Sprache Operator: Operatoren sind Vorschriften zur Verarbeitung einer bestimmten Anzahl von Operanden (analog zur Mathematik, bspw. + für die Addition zwei Zahlen) Auch Separatoren werden zumeist als Tokens eingestuft

17 17 Tokens in Java Bezeichner: ZEICHEN=A... Z a... z _ $ ( == oder) ZIFFER= BEZEICHNER=<ZEICHEN>,{ZEICHEN ZIFFER} ({ } == optional) myvariable my_variable myvariable_2 2_variable!&variable variable!_2 Literale: Boolesch (eine Ausgabe betreffend): true, false Ganzzahlig: 1, 27, 37, 1000 Gleitkomma: , Zeichen: 'A', '0' Zeichenketten: "Hello World" // Apostroph // Anführungszeichen Separatoren: ; Satzende, Aufzählung { } Code-Block () Klammerung (Operatoren, Methoden-Signatur, Methoden-Aufruf)

18 18 Tokens in Java II Schlüsselwörter: abstract default for package synchronized assert do if private this boolean double implements protected throw break else import public throws byte enum instanceof return transient case extends int short true catch false interface static try char final long strictfp void class finally native super volatile continue float new switch while const goto

19 19 Tokens in Java III Operatoren: Mathematsich = Zuweisung + Addition - Subtraktion * Multiplikation / Division % Modulo ++ Inkrement -- Dekrement Boolesch! Negation == Vergleich!= Nicht-Gleich > Größer < Kleiner >= Größer-Gleich <= Kleiner-Gleich instanceof Typ-Check && Logisch-Und Logisch-Oder?: Falls Ansonsten Bitweise ~ Bit-Komplement << Shift-Links >> Shift-Rechts >>> " (unsigned) & Bit-Und Bit-Oder (inklusiv) ^ Andere Bit-Oder (exklusiv) [] Index-Operator. Dereferenzierung Jeder Operator hat eine Priorität (vgl. Punkt vor Strich -Rechnung)

20 20 Beispiel (Java-Code) Zuweisung eines einfachen konstanten Wertes: mynumber = 27 ; Bezeichner Operator Literal Separator Syntax: Der Operator = erwartet auf der linken Seite einen Bezeichner sowie rechts einen Wert Regel: Der Bezeichner muss dem Bezeichner-Alphabet entsprechen Der Wert rechts muss zu mynumber passen (Datentypisierung, Vorlesung 2) Das Satzende muss durch ein ; markiert werden Semantik: Bis zur nächsten Zuweisung steht mynumber im Programmcode für 27

21 21 Werte und Ausdrücke Ein Ausdruck ist ein Teilsatz, der einen Wert beschreibt und kann somit überall dort verwendet werden, wo die Syntax einen Wert erwartet mynumber = 27 ; Erste Zuweisung mynumber = mynumber * ; Zweite Zuweisung Wert ; Ausdruck ; Ausdruck + Wert ; Wert * Wert + 1 ; Bezeichner * ; 27 * ; mynumber == 1000

22 22 Das erste Programm Klassischerweise immer Hello World Ein Programm, dass die Zeile Hello World ausgibt Als Ausgabe wird hier die Eingabeaufforderung/Konsole gewählt Was wird benötigt? Compiler, um das Source-Program zu Bytecode zu übersetzen JRE zum Ausführen des Bytecodes Oracel bietet unter dem Kürzel JDK (Java Development Kit) alles nötige

23 23 Das erste Programm Leider macht Java es dem Anfänger nicht einfach Für die simple Hello World Ausgabe ist viel Boilerplate Code nötig class MyProgram { public static void main(string[] args){ System.out.println("Hello World"); } } Der Code muss in einer Datei mit folgender Namenskonventionen stehen: Dateiname: Gleich der Angabe nach dem Schlüsselwort class Dateiendung:.java Hier: MyProgram.java Compilieren des Programmes: Ausführen des Object-Program: Falls Classpath nicht gesetzt: javac MyProgram.java java MyProgram java cp. MyProgram

24 24 Das erste Programm: Tokens class MyProgram { public static void main(string[] args){ System.out.println("Hello World"); } } Kategorie Schlüsselwort Bezeichner Tokens Operator [],. Separator {, (, ), ;, } Literal class, public, static, void, MyProgram, main, String, args, System, out, println "Hello World" Bezeichnerkonventionen (Erinnerung: kein Leerzeichen in Namen): Klassennamen: Erster Buchstabe eines jeden Wortes groß ( UpperCamelCase ) Variablen/Methoden/Attribute: aller erster Buchstabe klein ( lowercamelcase )

25 25 Code-Blöcke Da Sätze in Java mit einem ; beendet werden, ergibt sich: Der Hello World -Code enthält genau einen Satz: System.out.println("Hello World"); In Java öffnen/schließen geschweifte Klammern sogenannte Code-Blöcke class MyProgram { public static void main(string[] args){ Block I Block II System.out.println("Hello World"); } } Alles vor der {-Klammer bis zum letzten Semikolon/Block gehört zum Block Blöcke enthalten Sätze Blöcke können geschachtelt werden Konvention: Der Inhalt eines Blockes wird eine Tab-Stufe weiter eingerückt

26 26 Code-Blöcke II class MyProgram { public static void main(string[] args){ Block I Block II } } System.out.println("Hello World"); Die Semantik eines Blockes ergibt sich aus dem Teil vor { Block I class MyProgram { } Definiert eine Klasse (class) mit dem angegeben Namen (MyProgram) Block II public static void main(string[] args){ } Definiert eine statische (static), öffentliche (public) Methode, mit dem angegeben Namen (main), die Daten des Typs void zurückliefert und als Eingabe ein Datum vom Typ String[] erwartet

27 27 Code-Blöcke III Was passiert innerhalb des zweiten Blockes System.out.println("Hello World"); Wie bereits aufzeigt sind System, out und println Bezeichner System beginnt groß, sollte (nach Namenskonvention) also eine Klasse sein out/println beginnen klein und sollten daher Methode/Variable oder Attribut sein Der Satz endet mit dem geklammerten Literal "Hello World" Klammerung nach einem Bezeichner: println Methodenaufruf Alles innerhalb der Klammerung: Parameter zum Aufruf der Methode (vgl. math. Funktion) out beginnt klein und endet ohne Klammerung Attribut System beginnt groß Klasse Alle drei Bezeichner werden mit dem.-operator konkateniert Semantik insgesamt: Rufe die Methode println der zur Klasse System gehörenden Variablen out mit dem Literal "Hello World" auf Ergebnis: Hello World wird in der Eingabeaufforderung ausgegeben

28 28 Das erste Programm: Das eigentlich simple Hello World Programm beinhaltet demnach: Eine Klassendefinition Eine Methodendefinition Den Punkt-Operator (mehrfach) Einen Methodenaufruf Arrays bzw. []-Operator Kurzum: Nichts davon wurde diese Vorlesung eingehend besprochen Man kann nach einer Vorlesung Hello World nicht verstehen Zu merken für die nächsten Vorlesungen: Es wird eine Klasse benötigt, die den gleichen Namen trägt wie die Datei, in der sie definiert ist Alles innerhalb des main-blockes wird ausgeführt Mit System.out.println(AUSDRUCK); wird alles in Ausdruck beschriebene auf der Konsole ausgegeben