Das Dokument behandelt die Grundlagen der Programmiersprachen im Rahmen der Veranstaltung "Programmiersprachen I" an der Universität zu Köln. Es erläutert die Phasen der Programmentwicklung, darunter Analyse, Entwurf und Implementation, sowie verschiedene Programmierparadigmen wie objektorientierte und funktionale Programmierung. Zudem werden Beispiele für Programmierstrukturen und -schnittstellen in verschiedenen Programmiersprachen vorgestellt, um die Konzepte zu veranschaulichen.

1. Basisinformationstechnologie I
Wintersemester 2013/14
18. Dezember 2013 – Programmiersprachen I
Universität zu Köln. Historisch-Kulturwissenschaftliche Informationsverarbeitung
Jan G. Wieners // jan.wieners@uni-koeln.de

2. Themenüberblick „Programmiersprachen I“
Phasen der Programmentwicklung
 Analyse
 Spezifikation
 Entwurf
 Algorithmus
 Pseudocode
 Implementation
 Post-Implementation
Programmiersprachen




Compiler / Interpreter
Typisierung
Paradigmen
Objektorientierung

3. Neulich in den
Sommerferien…

10. Analyse

11. Programmentwicklung: Analyse
Descartes (1596-1650)
„Regeln zur Leitung des
Geistes" (1628):
 Hohe Relevanz der
Analysephase
 Aufteilung in Teil- und
Unterprobleme
 Hierarchischer
Erkenntnisprozess
 Analyse der Analyse
i.e. Sicherung der Analyse

12. Programmentwicklung: Algorithmus
Spezifikation: Problembeschreibung – im Gegensatz
zum Algorithmus, der die Lösung des Problems angibt
Algorithmus: Anleitung oder Vorschrift, wie sich ein
Problem lösen lässt
Algorithmus
 Arbeitsdefinition
: Eindeutige
Beschreibung eines endlichen Verfahrens zur Lösung
einer bestimmten Klasse von Problemen
Algorithmus im Labyrinthbeispiel: Verfahren, um aus
dem dunklen Labyrinth zu gelangen

13. Entwurf

14. Finden Sie einen Weg aus dem Labyrinth

15. Entwerfen Sie einen Algorithmus, der Sie aus jedem Labyrinth (mit Ausgang) führt

16. Terminierung von Algorithmen:
Wir verlangen (zumeist) von
Algorithmen, dass sie terminieren,
d.h. dass sie in endlicher Zeit (und
möglichst schnell  Performance)
ihre Arbeit erledigt haben
Entwerfen Sie einen Algorithmus, der Sie aus jedem Labyrinth (mit Ausgang) führt

17. Programmentwicklung: Entwurfsphase III
Pledge-Algorithmus:
 Prämisse: Wir gehen davon aus, dass alle Ecken rechtwinklig
sind
 Somit kommen nur Rechtsdrehungen und Linksdrehungen um
jeweils 90 Grad vor
 Wir verwalten unterwegs einen Umdrehungszähler, der:
 bei jeder Linksdrehung um eins erhöht und
 bei jeder Rechtsdrehung um eins verringert wird (auch bei der
ersten Rechtsdrehung, die nach dem Auftreffen auf eine Wand
ausgeführt wird).
 Zu Beginn wird dieser Umdrehungszähler auf null gesetzt
 Anschließend werden die beiden Anweisungen
 geradeaus, bis Wand erreicht
 Folge der Wand, bis Umdrehungszähler = 0
solange wiederholt, bis wir ins Freie gelangen

18. Pseudocode
Pseudocode Pledge-Algorithmus:


Setze Umdrehungszähler auf 0;
Wiederhole
 Wiederhole
 Gehe geradeaus;
 Solange Wand erreicht;
 Drehe nach rechts;
 Wiederhole
 Folge dem Hindernis;
 Solange Umdrehungszähler=0;

Solange ins Helle gelangt;
 Der Entwurf ist unabhängig von der Programmiersprache!

20. Implementation
Programmerstellung und Programmiersprachen

21. Programmiersprachen

22. Strukturierte Computerorganisation
Ebene 5
Problemorientierte Sprache
Ebene 4
Assemblersprache
Ebene 3
Betriebssystemmaschine
Ebene 2
Befehlssatzarchitektur (ISA)
Ebene 1
Mikroarchitektur
Ebene 0
Digitale Logik

23. Programmiersprachen: Klassifizierung
Maschinennahe Programmiersprache: Assembler
Beispiel: „Hello World“ :
DATA SEGMENT
Meldung db "Hello World"
db "$"
DATA ENDS
CODE SEGMENT
ASSUME CS:CODE,DS:DATA
Anfang:
mov ax, DATA
mov ds, ax
mov dx, offset Meldung
laden
mov ah, 09h
21h auswählen
int 21h
mov ax, 4C00h
int 21h
CODE ENDS
END Anfang
Vgl.: http://de.wikipedia.org/wiki/Assemblersprache
;;;;;;;;;
;-
Beginn des Datensegments
Die Zeichenkette "Hello World"
Endzeichen der Zeichenkette
Ende des Datensegment
Beginn des Codesegements
Dem Assembler die Segmente mitteilen
Label für den Anfang des Programms
das Daten...
...segment festlegen
den Text in das auf DS bezogene Datenregister
;- Die Unterfunktion 9 des Betriebssysteminterrupts
;- den Betriebssysteminterrupt 21h (hier erfolgt
Ausgabe des Texts) aufrufen
;- Die Unterfunktion 4Ch (Programmbeendigung) des
Betriebssysteminterrupts 21h festlegen
;- diesen Befehl wiederum ausführen
;- Ende des Codesegments
;- dem Assembler das Ende des Labels Anfang mitteilen

24. Programmiersprachen
Anweisungen, die wir dem Computer geben, werden als Text
formuliert, z.B.:
In Python:
print "Hello World!"
In PHP:
print "Hello World!";
In JavaScript:
document.write("Hello World!");
In C++:
cout << "Hello World";

25. Programmiersprachen
Programmtext ist formuliert nach festen Regeln:
Beispiel C++:
cout << "Hello World";
Die Regeln (Grammatik) der Programmiersprache
C++ schreiben vor, dass der Ausdruck
cout << "Hello World"
mit einem Semikolon abgeschlossen werden
muss

27. Spracheigenschaften und
Programmierparadigmen

29. ?
var beispiel = 23;

30. Deklaration und Initialisierung
In JavaScript:
// Deklaration
var eineVariable, eineWeitereVariable;
// Initialisierung
eineVariable = 23;
eineWeitereVariable = “Hello World!“;

31. Typisierung
Variablen: Behälter / Speicherstelle; Typisierung  Typ
der Variable
In JavaScript:
// Deklaration
var eineVariable, eineWeitereVariable;
 Dynamische Typisierung
In C++:
int eineVariable = 23;
char eineWeitereVariable[]="Hello World";
 Statische Typisierung
Datentyp

32. Datentypen (C++)
Einfache Datentypen in C++:






bool  Wahrheitswerte
int  ganze Zahlen
unsigned int  Natürliche Zahlen
float  Fließkommazahlen
double  Fließkommazahlen, doppelte Genauigkeit
char  Zeichen
Zusammengesetzte Datentypen (in C++):
 string  Zeichenketten
 array  Sammlung von Daten eines Datentyps

33. Doppelte Genauigkeit…?!?

34. Paradigmen:
 funktional
 objektorientiert
 prozedural
 etc. etc. etc.

35. Programmierparadigmen: Funktionale Programmierung
var randomize = function( lowerBound,
upperBound ) {
if( lowerBound > upperBound ) {
return( -1 );
}
if( lowerBound === upperBound ) {
return( lowerBound );
}
return lowerBound + parseInt(
Math.random() * ( upperBound-lowerBound+1 ),
10);
}

36. Programmierparadigmen: Prozedurale Programmierung
Prozedurale Programmierung: Aufteilung von
Programmen in Teilprogramme bzw. -Aufgaben:
Prozeduren [C, Pascal]
Objektorientierte Programmierung [C++, Java]
 Zentrales Konzept: Objekt
 Objekt
 Verfügt über einen bestimmten Zustand
 Reagiert mit einem definierten Verhalten auf
Anforderungen / seine Umgebung
 Besitzt eine Identität, die es von anderen Objekten
unterscheidet
 Kann mit anderen Objekten verbunden sein

37. Objektorientierung

38. Kapselung, Information Hiding, Geheimnisprinzip
Abb.: Balzert, Heide: Lehrbuch der Objektmodellierung. Heidelberg, 2005.

39. Zentrales Konzept I: Klassen
Gleichartige Objekte (Objekte mit denselben
Operationen und gleichen Attributen) gehören zur
gleichen Klasse.
Abstrakt vs. konkret: Jedes Objekt ist Exemplar bzw.
Instanz einer Klasse
Klasse: Definiert für eine Sammlung von Objekten
deren
 Struktur (Attribute)
 Verhalten (Operationen)
 Beziehungen
 Verfügt über Mechanismen, um neue Objekte zu erzeugen
(Object Factory)

40. Klassen in C++  Kapselung / Information Hiding
class EineKlasse
{
public:
// öffentlicher Teil
EineKlasse()
// Konstruktor
{
klassenVariable=23;
}
~EineKlasse();
// Destruktor
int gebeVariablezurueck(void)
{
return klassenVariable;
}
private:
int klassenVariable;
};
// privater Teil
// private Variable

41. Notation von Klassen
Abb.: Balzert, Heide: Lehrbuch der Objektmodellierung. Heidelberg, 2005.

42. Zentrales Konzept II: Vererbung
 Eine Klasse kann Elemente (Variablen, Konstanten, Funktionen) von
anderen Klassen erben
Beispiel C++:
class Person
{
string name;
//...
};
class Mitarbeiter : Person
{
long sozialversicherungsNr;
//...
};

43. Martial Arts Fighter
attribute 1: name
attribute 2: gender
attribute 2: two legs
attribute 3: two arms
behaviour 1: printName()
behaviour 2: walk()
behaviour 3: bong_sau()
behaviour 4: tan_sau()

44. Objektorientierte Programmiersprache: C++
C++:
 Ermöglicht maschinennahe Programmierung (Stichw.
„Zeiger“), als auch abstrakte Programmierung (i.e.
Objektorientierung)
 Kompilierung über g++ Compiler, Microsoft Visual C++
Compiler, etc.

45. Objektorientierte Programmiersprachen: Java
Java
 Besonderheit: Java-Programme werden in Bytecode übersetzt,
anschließend in einer Java-Laufzeitumgebung ausgeführt 
Virtuelle Maschine (VM)
 Vorteil: Plattformunabhängigkeit: Java-Programme laufen
(zumeist) ohne weitere Anpassungen auf unterschiedlichen
Computer- und Betriebssystemen, für die eine Java-VM
existiert

46. Endspurt der
Implementation…

47. Refactoring
Refactoring
(Refaktorisierung /
Umgestaltung): Manuelle
oder automatisierte
Programmverbesserung
(u.a. Performance,
CodeQualität) unter
Beibehaltung des
Programmverhaltens

48. Test-driven development
“Write the simplest code that could possibly
make the test pass
Refactor the code to eliminate all possible
duplications and code smells”
(vgl.: Francesco Carucci (Crytek): http://www.slideshare.net/fcarucci/aaa-automated-testing)

49. …notwendig, irgendwie, leider: Dokumentation

50. /

51. Quellennachweise



http://www.kulturbrause.de
http://freehdwalls.net/wp-content/uploads/evilminion-despicable-me-cartoon-hd-wallpaper.jpg
http://www.spiegel.de/fotostrecke/fotostrecke62645.html