Nino Simunic M.A. Computerlinguistik, Campus DU

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1 Vorlesung 2. Sitzung Grundlegende Programmiertechniken Wintersemester 2007/2008 Dozent Nino Simunic M.A. Computerlinguistik, Campus DU

2 Grundlegende Programmiertechniken, WS 2007/2008 Programm, Algorithmus Syntax, Semantik Realisierungsebenen von Programmen Binärcode, Assembler, Höhere Programmiersprachen Compiler, Interpreter Code-Struktur (in Java) Variablen und Datentypen (in Java)

3 Grundlegende Programmiertechniken, WS 2007/2008 Programm, Algorithmus Syntax, Semantik

4 Woraus bestehen Programme im Wesentlichen? Programm = Daten + Befehle Daten Elemente, die das Programm verarbeitet Zahlen, Texte, Bilder, Videos, etc. Befehle Operationen, die mit den Daten ausgeführt werden Math. Operationen, Texte (vor-/ein-)lesen/schreiben, Anordnung/Abarbeitung der Befehle strukturiert ist endlich: Algorithmus -4-

5 Algorithmen (1) Präzise definierte Handlungsvorschrift zur Lösung eines Problems in endlicher Zeit/endlichen Schritten. Alltagsalgorithmen Bedienungsanleitungen, Kochrezepte, Routen, Waschmaschinenprogramm Computerprogramme können aus mehreren Algorithmen bestehen Analogie Kochrezept: Neben Hauptalgorithmus weitere Algorithmen für's Herstellen von Sahne, Blätterteig, etc. Bestehen aber aus einer begrenzten Anzahl von Code- Zeilen. -5-

6 Algorithmen (2) Abstrakter Algorithums: Gegenstück zum konkret auf eine Maschine zugeschnittenen Programm Ist im Optimalfall Grundlage für die Implementierung. Abstraktion erfolgt im Weglassen der spezifischen Details der Maschine/Programmiersprache. 1. drucke "Hello World" Oft auch in natürlicher Sprache semi-formal: Bsp.»Kaffeekoch«-Programm als»pseudo- Algorithmus«: take Filter -> place Filter -> take coffeepowder -> measure coffeepowder -> -6-

7 Hello World: Daten, Befehle, Algorithmus Das Hello World Programm enthält sowohl Daten, Befehle, und einen (zugegeben sehr simplen) Algorithmus: "Hello World" System.out.println( DATEN ) -7-

8 Weitere Aspekte einer Programmiersprache: Syntax, Semantik Syntax Grammatik, Syntaxregeln, Symbole,»Vokabeln«Syntaxfehler werden vom Compiler/Interpreter anhand der Grammatik und einem Parser erkannt und zurückgewiesen Zuweisungsregel: Variable = Ausdruck (3+1) = einevariable einevariable = (3+1) Auch clas (class) ist ein syntaktischer Fehler Semantik Was "bedeutet" die Regel Variable = Ausdruck? Werte den Ausdruck rechts vom = aus und weise ihn der Variablen links vom = zu Online Spezifikation der»java-sprache«: -8-

9 Grundlegende Programmiertechniken, WS 2007/2008 Realisierungsebenen von Programmen Binärcode, Assembler, Höhere Programmiersprachen

10 Realisierungsebenen von Programmen: Binärcode, Assembler Rechner sind»abspielgeräte«für Programme und verstehen nur eine bestimmte Menge an elementaren Befehlen, die in Machinencode kodiert sind. Z.B.: ADDI ACC, 6 ACC = ACC SUBI ACC, 6 ACC = ACC - 6 Programmierung in Assembler bzw. Maschinencod/Binärcode: Vorteil: Sehr performante Ausführung (kaum»umwege«) Für den Programmierer unpraktikabel: Schwer zu programmieren, lesen, warten Anpassung für verschiedene Rechnersysteme/Prozessoren nötig. Kompromiss gesucht: Formale (»maschinell nutzbare«) Sprache mit höherem Anteil»Menschenlesbarkeit«

11 Realisierungsebenen von Programmen: Höhere Programmiersprachen (1) Kompromiss bereits von Ihnen mit Hello World verwendet: Java als höhere Programmiersprache (PS)»Vokabular«und Konstrukte/Syntax oft in Anlehnung an die engl. Sprache: this, for, if, do, while, etc. IF thisistrue THEN this ELSE that WHILE (thisistrue) DO { thisandthat}

12 Realisierungsebenen von Programmen: Höhere Programmiersprachen (2) Höheren Programmiersprachen Sind formale Sprachen und Mindestvoraussetzung für die Programmierung von Maschinen im Allgemeinen Besitzen demnach auch eine spezifische Grammatik Perl, JScript, Turbo Pascal, C#, C, C++ sind auch höhere Programmiersprachen. HTML, XML, etc. sind keine Programmiersprachen. Höhere Programmiersprachen müssen übersetzt bzw. kompiliert werden By the way: Assembler muss auch kompiliert werden

13 Grundlegende Programmiertechniken, WS 2007/2008 Compiler, Interpreter

14 Übersetzung höherer Programmiersprachen Interpreter Beispiele: Perl, PHP, Javascript, Übersetzt bei Ausführung Zeile für Zeile eines Programms in Maschinencode: Syntaxfehler in Zeile 1000 wird es beim Erreichen dieser Stelle zur Laufzeit erkannt. Compiler C(++), Pascal, Java, Übersetzt Quelltext vor der Laufzeit gänzlich in CPUverarbeitbaren Maschinencode Nur bedingt gültig für Java (Bytecode) Syntaxfehler nicht erst zur Laufzeit des Programms

15 Java ist plattformunabhängig (Kompilierte) Java-Programme sind plattformunabhängig C, C++, : Code muss für jede Plattform neu kompiliert werden Mindestvoraussetzung: JRE (enthält JVM) auf dem ausführenden Rechner Java-Version von Entwicklungs- und ausführendem Rechner sollten im Idealfall identisch sein

16 Unterstützte OS, obligatorische Softwarekomponenten Solaris x64, Solaris OS SPARC, Solaris OS x86 Windows Intel IA32, Windows AMD64/EM64T 32-bit mode, Windows AMD64/EM64T 64-bit mode Linux Intel IA32, Linux AMD64/EM64T 32-bit mode, Linux AMD64/EM64T 64-bit mode Überblick:

17 Skizze: Interpreter-Sprachen und Übersetzung Spezifikation, Lösungsidee, Algorithmus Programmierer If (x==1) goto 10; Programmiersprache Ausführung via Interpreter CPU

18 Skizze: Compiler-Sprachen und Übersetzung Programmierer If (x==1) goto 10; Compiler Spezifikation, Lösungsidee, Algorithmus Programmiersprache Ausführbares Programm in Binärcode Direkte Ausführung CPU

19 Skizze: Java Übersetzungsprozess, und Bytecode Spezifikation, Lösungsidee, Algorithmus Programmierer Quelltext in Java Compiler: javac.exe?6??7??8?9?:??;?<?=?>?? Programm in Bytecode Ausführung: java.exe Interpretation Laufzeitumgebung, Virtuelle Maschine JIT-Compiler CPU

20 Plattformabhängigkeit (C, C++, ) Compiler (SPARC) (Kompilierte) Binärdatei SPARC- Plattform //Quelltext Compiler (Pentium) (Kompilierte) Binärdatei Pentium- Plattform Compiler (AMD64) (Kompilierte) Binärdatei AMD64- Plattform

21 Plattformunabhängigkeit (Java) JVM (SPARC- Plattform) //Quelltext Java Compiler (javac.exe) Java Bytecode Datei Plattformunbhängig JVM (Pentium- Plattform) JVM (AMD64- Plattform)

22 Implementierungsprozess: Abstrakte/Generische Perspektive Aufgabe Modellierung Implementierung Einsatz Modellierung Konzeptioneller, abstrakter, algorithmisierter Entwurf der Problemlösung Implementierung Quelltext (Code, Quellcode) in einer ausgewählten Programmiersprache wie Java Einsatz Evaluation des Programms Je besser die Modellierung, desto effizienter die Programmierung

23 Grundlegende Programmiertechniken, WS 2007/2008 Code-Struktur (in Java)

24 Quelltext-Struktur in Java Import-Anweisungen, Paketdefinitiaonen Quelltext-Datei Anweisung Anweisung Klassendefinition Variablen mit Sichtbarkeitsmodifizierer Methode 1 Methode 2 Anweisung Anweisung Anweisung Weitere Klassen möglich später mehr dazu

25 Programm bzw. Klassen-Struktur Ein Programm besteht aus mindestens einer Klasse Eine der Klassen enthält die main()-methode Eine Klasse besteht (mindestens) aus dem Schlüsselwort class, gefolgt von einem Bezeichner und { einer Auflistung von Attributen, die Auflistung darf leer sein einer Auflistung von Methoden, die ebenfalls leer sein darf der schließenden geschweiften Klammer } Eine Methode besteht (mindestens) aus einem Schlüsselwort für den Rückgabewert (für jetzt: void) einem Bezeichner,gefolgt von einer Parameterliste in Klammern und { Null bis beliebig vielen Anweisungen der schließenden geschweiften Klammer }

26 Veranschaulichung einiger Grundbegriffe Sichtbarkeitsmodifikator Methodenkopf Methodenrumpf Schlüsselwort public class HelloWorld { Klassenbezeichner public static void main ( String[] args ) { // Jetzt kommt eine Anweisung Methodenbezeichner Parameterliste (Formaler) Parameter Kommentar } } System.out.println( "Hello World!" ); Argument (hier Literal) Methode (-naufruf) static-modifikator Anweisung Rückgabewert(-Typ) Elemente in dieser Farbe: Schlüsselwörter

27 Schlüsselwörter, Symbole Schlüsselwörter Durch Java reservierte Wörter, die nicht als Bezeichner verwendet werden dürfen class ist bspw. kein gültiger Bezeichner für den Klassennamen oder anderes Symbole Besondere Bedeutung, u.a. die syntaktische Organisation und Strukturierung des Quellcodes Klammern: { }, ( ), [ ] ; Semikola/Semikolons am Ende jeder Anweisung, Kommata zum Trennen von Listenelementen

28 Auflistung d. Schlüsselwörter

29 Grundlegende Programmiertechniken, WS 2007/2008 Variablen, Datentypen

30 Variablen: Einleitung und Definitionen (1) Variablen Speichern veränderliche Werte Der Wertebereich von Variablen wird durch den Datentyp festgelegt Festlegung wird Deklaration einer Variablen genannt Deklaration Der (Daten-)Typ der Variablen muss vor der Verwendung festgelegt werden, d.h. welche Werte sie annehmen kann

31 Variablen: Deklarationseigenschaften Deklaration innerhalb einer Methode: Variable existiert sie nur innerhalb und während der Ausführung der Methode Eine weitere Methode in der Klasse hat (ohne Weiteres) keinen Zugriff! Eine Variable darf innerhalb einer (main-)methode nur einmal deklariert werden! Innerhalb einer Methode haben Variablen keine Sichtbarkeitsmodifikatoren! (Mehr dazu später)

32 Variablen: Datentypen Alle primitiven Datentypen und Referendatenztypen möglich Zuweisung eines nicht kompatiblen Werts (»passt nicht zum deklarierten Typ«), führt zu Fehlermeldungen (u. ggfs. zum Absturz des Programms)! Welche primtiven Datentypen gibt es in Java?

33 Variablen: Einfache/Primitive Datentypen Ganzzahlen Schlüsselwort Bit Wertebereich Klasse byte bis 127 Byte short bis Short int bis Int long bis Long Gleitkommazahlen (Wertebeich: ±m*2e (IEEE-754 Spez.)) Schlüsselwort Bit m e float 32 0 bis bis 104 double 64 0 bis bis 970 Klasse Float Double Character, Boolean Schlüsselwort Bit char 16 boolean 1 Wertebereich \u0000 bis \uffff true oder false Klasse Character Boolean

34 Variablen: (Syntax der) Deklaration Deklarationssyntax <Datentyp> <Variablenname>; oder <Datentyp> <Variablenname> = <Initialwert> ; Anwendung Fehler int a; int a=8; int a; a=8; a=2; a=251; int a=8; a=1; a=2; a=251; int a=8; a=1; int a=2; int a=8; a=1; String a="0";

35 Referenzdatentyp: String Zeichenketten werden in Objekten der Klasse String gespeichert Explizite Instanzierung nicht notwendig Zuweisung von Literalen direkt möglich String city = "44225 Dortmund"; String country = "NRW, Germany"; Konkatenation: Verknüpfung bzw. Verkettung von Zeichenketten Via + Operator String nachname = "Uwenknecht"; String vorname = "Ochse"; String name = vorname + " " + vorname;

36 Primitive vs. Referenzdatentypen (mehr dazu später) Primitive Datentypen sind nicht komplex! Besitzen keine Attribute und Methoden Komplexe Datentypen (z.b. String) können beides besitzen! Aufruf nur nach Erzeugung eines Objekts möglich Ausnahmen: Statische Klassen-Elemente Aufruf von Methoden oder Attribut via Punktnotation System.out.println( "Hallo" ); String a = "Hi"; System.out.println( a.length() ); //

37 Deklarationsbeispiele innerhalb der main-methode: Fehlerfälle public static void main (String[] var) { String text ="Jetzt lerne ich Java."; System.out.println(text); String text ="Jetzt lerne ich etwas anderes."; System.out.println(text); } public static void main (String[] var) { System.out.println(String text="jetzt mache ich etwas falsch..."); text ="Jetzt lerne ich etwas anderes."; System.out.println(text="Och nö doch nicht, anders überlegt."); } public static void main (String[] var) { text ="Jetzt lerne ich etwas anderes."; System.out.println(text); } public static void main (String[] var) { System.out.println(text); text ="Jetzt lerne ich Java."; }

38 Variablen: Zusammenfassung Eine Variable ist ein benanntes Aufbewahrungsfach für einen Wert Eine Variable wird durch ihren Bezeichner (Namen) identifiziert Einer Variablen kann man einen Wert zuweisen (im Fach "hinterlegen") Der Wert einer Variablen kann man auslesen und modifizieren Eine Variable hat einen bestimmten Typ Nur Werte mit kompatiblem Typ können an die Variable zugewiesen werden Eine Variable muss vor ihrer Benutzung deklariert (erklärt) werden Deklaration an beliebiger Stelle innerhalb einer Klasse Doppelte Deklaration im selben Codeblock nicht zulässig

39 (Für) Nächste Woche Lesen Sie aus Sprechen Sie Java? [Mössenböck:2005] die mindestens die Seiten Hauptthemen der nächsten Woche Operationen, Operatoren Kontrollstrukturen Tutorien (3 x Woche) Termine werden bis zum auf unserer Seite bekannt gemacht