Kopf und Rest einer Liste (head and tail): Trennung durch. Listenkopf: kann mehrere Elemente umfassen

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1 Prolog Syntax Liste, Variable [ Term Liste ] Listenelemente: Trennung durch Komma [1, pferd, klaus] Kopf und Rest einer Liste (head and tail): Trennung durch [K R] = [1, pferd, klaus] (K = 1, R = [pferd, klaus]) Listenkopf: kann mehrere Elemente umfassen [X, Y R] = [1, pferd, klaus] (X = 1, Y = pferd, R = [klaus]) Informatik 1 1 WS 2005/2006

2 Prolog Syntax Programm Klausel Prolog-Programm: Folge von Hornklauseln Typischerweise in einer Datei gespeichert und zur Ausführung geladen. Laufzeitumgebung: Es gibt Prolog-Compiler Aber: vorwiegend Interpreter im Einsatz. Informatik 1 2 WS 2005/2006

3 Prolog Syntax Anfrage?-, Literal. Anfragen in Prolog?- statt?- saeugetier(mensch). yes.?- saeugetier(x), beine(x, 4). X = pferd Bei mehreren Antworten: Interaktion ; nächste Antwort, sonst Abbruch der Ausgabe?- saeugetier(x). X = mensch ->; X = pferd Informatik 1 3 WS 2005/2006

4 Angabe von Termen: Infix- oder Prefixnotation oder auch +(3, 4) Termauswertung in Prolog: symbolisch?- write(3 + 5) Termgleichheit: auch symbolisch? = no. Erzwingung der Auswertung: Operator is?- X is 3 + 5, write(x). 8 Prüfung auf Gleichheit von Termen: valequal?- valequal(3 + 4, 4 + 3). yes. Prolog Arithmetik Informatik 1 4 WS 2005/2006

5 Beispiel Größter gemeinsamer Teiler Als Hornklauseln: ggt(u, 0, u). ggt(u, v, w) nichtnull(v), ggt(v, u mod v, w). In Prolog: ggt(u, 0, U). Prolog Arithmetik ggt(u, V, W) :- not(v = 0), R is U mod V, ggt(v, R, W). Auswertung der Modulo-Operation: über das mittlere Literal (R is U mod V) Informatik 1 5 WS 2005/2006

6 Unifikation in Prolog 1. Unifikation von Konstanten: nur mit sich selbst me = me yes 2. Unifikation uninstanziierter Variablen: mit beliebigen Termen Ggf. Unifikation mit einer anderen uninstanziierten Variablen?- X = Y. X = 23, Y = Unifikation strukturierter Terme (z.b. Funktion): nur erfolgreich bei gleichem Funktionsnamen und gleicher Anzahl von Argumenten Informatik 1 6 WS 2005/2006

7 Unifikation in Prolog Nutzen der Unifikation: Kurze Ausdrücke für viele Operationen Beispiel Verketten von Listen verketten([], Y, Y). verketten([a B], Y, [A W]) :- verketten(b, Y, W). Verketten kann auch rückwärts ausgeführt werden: Erzeugung aller Möglichkeiten zwei Listen zu verketten, die die gegebene Liste ergeben?- verketten(x, Y, [1, pferd]). X = [], Y = [1, pferd] ->; X = [1], Y = [pferd] ->; X = [1, pferd], Y = [] Informatik 1 7 WS 2005/2006

8 Resolution in Prolog: linear von links nach rechts und von oben nach unten (1) vorfahr(x, Y) :- elternteil(x, Z), vorfahr(z, Y). (2) vorfahr(x, X). (3) elternteil(karin, klaus).?- vorfahr(x, klaus). Resolution in Prolog vorfahr(x,klaus) 1 2 elternteil(x,z), vorfahr(z,klaus) {X = klaus} 3 Yes. vorfahr(klaus,klaus) {X = karin} 1 2 elternteil(klaus,z), vorfahr(z,klaus) {X = karin} {X = karin} Yes. No. Informatik 1 8 WS 2005/2006

9 Resolution in Prolog Tiefensuche: effizient, aber es wird evtl. keine Lösung gefunden, wenn ein Teil des Suchbaumes unendliche Tiefe hat. (1) vorfahr(x, Y) :- vorfahr(z, Y), elternteil(x, Z). (2) vorfahr(x, X). (3) elternteil(karin, klaus).?- vorfahr(x, klaus). vorfahr(x,klaus) 1 2 vorfahr(z,klaus), elternteil(x,z) {X = klaus} 1 3 Yes. vorfahr(z2, klaus) elternteil(z,z2), elternteil(x,z) vorfahr(klaus,klaus) {X = karin} Yes. terminiert nicht! Informatik 1 9 WS 2005/2006

10 Ausgabe aller Ergebnisse nach Benutzereingabe: Mit write und dem vordefinierte Prädikat fail Kontrollstrukturen in Prolog teile(l) :- verketten(x, Y, L), write(x), write(y), nl, fail.?- teile([1, pferd]). [][1, pferd] [1][pferd] [1, pferd][] no. Prolog-Aktion bei Fehlschlag: Backtracking Ausgabe aller Ergebnisse auf einmal Informatik 1 10 WS 2005/2006

11 Kontrollstrukturen in Prolog Beispiel Berechnung einer Funktion für alle natürlichen Zahlen bis I natural(0). natural(x) :- natural(y), X is Y+1. rechnefuncbis(i) :- natural(x), X =< I, write(func(x)), fail. Ergebnis in Prolog: Endlosschleife X wird immer weiter erhöht, selbst wenn es größer als I ist. Abhilfe: Mechanismus, um die Berechnung für den restlichen Suchbaum abzubrechen.! (cut): Abtrennen (Überspringen) eines Teilbaumes in Prolog Informatik 1 11 WS 2005/2006

12 Antreffen von! beim Backtrackings: restliche Kinder des Vaterknotens überspringen. Kontrollstrukturen in Prolog (1) vorfahr(x, Y) :- elternteil(x, Z),!, vorfahr(z, Y). (2) vorfahr(x, X). (3) elternteil(karin, klaus).?- vorfahr(x, klaus). vorfahr(x,klaus) 1 2 elternteil(x,z),!, vorfahr(z,klaus) {X = klaus} 3 Yes. vorfahr(klaus,klaus) {X = karin} Wird übersprungen 1 2 elternteil(klaus,z),!, vorfahr(z,klaus) {X = karin} {X = karin} Yes. No. Informatik 1 12 WS 2005/2006

13 Achtung: Bei falscher Verwendung des Cuts wird keine Lösung gefunden! Kontrollstrukturen in Prolog (1) vorfahr(x, Y) :-!, elternteil(x, Z), vorfahr(z, Y). (2) vorfahr(x, X). (3) elternteil(karin, klaus).?- vorfahr(x, klaus). vorfahr(x,klaus) 1 2!, elternteil(x,z), vorfahr(z,klaus) {X = klaus} 3 Yes. vorfahr(klaus,klaus) {X = karin} Wird übersprungen 1 2!, elternteil(klaus,z), vorfahr(z,klaus) {X = karin} {X = karin} Yes. No. Wird ebenfalls übersprungen Informatik 1 13 WS 2005/2006

14 Cut: Auflösung der Endlosschleife aus Beispiel Kontrollstrukturen in Prolog natural(0). natural(x) :- natural(y), X is Y+1. rechnefuncbis(i) :- natural(x), X =< I, write(func(x)), X = I,!, fail. Erhöhung von X nur bis I erreicht ist. Danach: Cut verhindert Abarbeitung des restlichen Suchbaums Programm terminiert. Informatik 1 14 WS 2005/2006

15 Probleme mit logischer Programmierung Ursprüngliche Ziel logischer Programmierung: Programmierer gibt nur Eigenschaften der Lösung an Interpreter/Compiler findet Lösung Logische Programmiersprachen (auch Prolog): Ziel nur teilweise erreicht. Resolution, Unifikation und Tiefensuche: Ursachen vieler Probleme bei der Spezifikation, die ein Programmierer kennen muss, um korrekte Programme zu schreiben. Informatik 1 15 WS 2005/2006

16 Probleme mit logischer Programmierung Existenzproblem: Unifikationsalgorithmus von Prolog nicht korrekt: keine Prüfung, ob eine Variable selbst in dem Term vorkommt, mit dem sie instanziiert wird. Beispiel Eigener Nachfolger eigener_nachfolger(x) :- X = nachfolger(x). Selbst ohne weitere Angaben über nachfolger wird Prolog mit Yes. antworten, d.h. Aussage ist für alle X wahr. Ausgabe von X, das diese Aussage erfüllt: eigener_nachfolger(x) :- X = nachfolger(x).?- eigener_nachfolger(x). Führt in Prolog zur Endlosschleife, da Unifikation sich im Kreis dreht. Informatik 1 16 WS 2005/2006

17 Probleme mit logischer Programmierung Grundlegende Eigenschaft aller logischen Programmiersprachen Alles, was nicht als wahr bewiesen werden kann, wird als falsch angenommen. Führt mit der Implementierung der Negation ggf. zu Überraschungen. Beispiel elternteil(karin, klaus).?- not(mutter(karin, klaus)). System weiß nicht, dass Karin weiblich ist und ein weiblicher Elternteil eine Mutter ist Antwort Yes.. Informatik 1 17 WS 2005/2006

18 Probleme mit logischer Programmierung Verwandtes Problem: Freigabe der Instanziierung von Variablen bei Backtracking Beispiel Beispiel mensch(klaus).?- mensch(x). X = klaus?- not(not(mensch(x)) X = _23 Aussage korrekt: not(mensch(x)) schlägt fehl. Instanziierung von X = klaus wird freigegeben.?- not(x = 1), X = 0. No. Lösung ist X = 0, aber X wird mit 1 instanziiert und Negation schlägt fehl. Informatik 1 18 WS 2005/2006

19 Probleme mit logischer Programmierung Obwohl ein Programm nur eine Spezifikation der Lösung sein sollte, ist Kontrollinformation ebenfalls enthalten: Implizit durch die Reihenfolge der Klausen und Teilausdrücke Explizit durch Cuts Prolog is -Operation: bei Verwendung müssen alle Variablen auf der rechten Seite instanziiert sein. Programm kann nicht rückwärts ausgeführt werden. Einschränkung fällt in constrained logischen Programmiersprachen (z.b. Prolog IV) weg, allerdings zum Preis einer deutlich höheren Laufzeit. Informatik 1 19 WS 2005/2006

20 Zustandsorientierte Programmierung Literatur: Küchlin/Weber, Kap. 6 Goos, Bd. II, Kap. 8, Louden, Chap. 5-9, Broy, Bd. I, Kap. 5, Sebesta, Chap Informatik 1 20 WS 2005/2006

21 Rückblick: Software für Turingmaschine Endlich viele Zustände Tabelle, die Zustandswechsel beschreibt Beispiel Zustandsorientiertes Programmieren Im Zustand q liest Maschine a. Paar (q, a) bestimmt Zeile für Operation p und Folgezustand q'. Maschine führt p aus und wird in den Zustand q' versetzt. Definition Zustand der Berechnung: Vorkommende Größen zusammen mit der Angabe des vorangegangenen Schritts. Informatik 1 21 WS 2005/2006

22 Definition Zustandsorientiertes Programmieren Zustandsvariable: Eine Größe, die während der Programmausführung ihre Identität behält, aber ihren Wert ändern kann. Bemerkungen Oft ungenaue Sprechweise: der Zustand x meint der Wert der Zustandsvariable x. Datenobjekt: Strukturierter Zustand, der aus Teilzuständen besteht. Zustand der Programmausführung: Werte der Datenobjekte Zustand ändert sich durch Ausführung von Anweisungen. Imperative Programmiersprachen: Programm besteht aus Anweisungen. Zustandsorientiertes Programmieren = imperatives Programmieren. Beispiele imperative Programmiersprachen: Fortran, Pascal, C, Ada, Java,... Informatik 1 22 WS 2005/2006

23 Die Programmiersprache Java Java ist eine objektorientierte Programmiersprache in der Tradition von C und C++ Die Java-Syntax lehnt sich an C an, nimmt aber einige deutliche Bereinigungen vor z.b. Abwesenheit von goto und Zeigern Die Erweiterung um Objekte geschieht ähnlich wie bei C++ Allerdings gibt es doch einige Unterschiede In erster Näherung könnte man sagen, dass Java aus der riesigen Vielfalt der C++-Konstrukte eine sinnvolle Auswahl trifft und gleichzeitig einiges umstellt und bereinigt Informatik 1 23 WS 2005/2006

24 Java Bibliotheken Zu Java gehört außerdem eine Sammlung von standardisierten Bibliotheken, die häufige Programmieraufgaben stark erleichtern Beipiele solcher Bibliotheken sind java.applet für Programme, die in Web-Browsern laufen sollen java.awt für das Erzeugen graphischer Benutzeroberflächen java.math für Arithmetik auf beliebig langen Zahlen (wichtig z. B. für die Kryptographie), java.net zum Betreiben von Verbindungen über das Internet java.rmi zum Aufrufen von Methoden auf entfernten Rechnern... Informatik 1 24 WS 2005/2006

25 Home Page von Java Java wurde bei der Firma SUN Microsystems entwickelt Von James Gosling Ursprünglich für die Programmierung von in Haushaltselektronik eingebetteten Prozessoren Die zentrale Internet Site der Firma SUN zum Thema Java ist Besonders empfehlenswert (und sehr empfohlen zur Ergänzung des Selbststudiums): Das offizielle Java-Tutorium: Die offizielle Sprachdefinition: Über Informatik 1 25 WS 2005/2006

26 Das Buch der Entwickler Arnold, K., Gosling, J. und Holmes, D. (2000). The Java Programming Language. Addison- Wesley. Dritte Auflage. Die originale Referenz, die auch einen kompakten Überblick und ein Nachschlagen während des Programmierens ermöglicht Setzt aber oft schon das Standardwissen der Informatik voraus Das wir in dieser Vorlesung erarbeiten wollen Informatik 1 26 WS 2005/2006

27 Wiederholung: Compilieren Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 27 WS 2005/2006

28 Programmentwicklung und -ausführung: Interpretieren Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 28 WS 2005/2006

29 Programmiervorgang für Java Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 29 WS 2005/2006

30 Platformunabhängige Compilierung für Java Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 30 WS 2005/2006

31 Programmiervorgang für Java Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 31 WS 2005/2006

32 Programmiervorgang für Java Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 32 WS 2005/2006

33 Hello World -Programm Anweisung Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 33 WS 2005/2006

34 Pragmatisches zur Programmausführung in Java Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 34 WS 2005/2006

35 Pragmatisches zur Programmausführung in Java Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 35 WS 2005/2006

36 Pragmatisches zur Programmausführung in Java Skizze von R. Manthey, Vorlesung Informatik I, WS 2001/2002 Informatik 1 36 WS 2005/2006

37 Beispiel: Benutzung von Kommandozeilenparametern Konkatenation von Zeichenketten Informatik 1 37 WS 2005/2006