Informatik-Handbuch

Informatik-Handbuch
Informatik-Handbuch
Peter Rechenberg, Gustav Pomberger
ISBN 3-446-40185-7
Vorwort
Weitere Informationen oder Bestellungen unter
http://www.hanser.de/3-446-40185-7 sowie im Buchhandel
Vorwort
Das vorliegende Buch soll das Informatik-Wissen in komprimierter, übersichtlicher Form
auf Universitätsniveau zusammenfassen. Es behandelt das grundsätzlich Wichtige aus
allen Teilgebieten der Informatik unter Berücksichtigung der neuesten Erkenntnisse. Die
Herausgeber und Autoren wollten mit ihm eine Arbeitsunterlage und ein umfassendes
Nachschlagewerk schaffen, das für alle, die sich mit Informatik beschäftigen, wertvoll ist.
Für die traditionellen ingenieurwissenschaftlichen Fächer bestehen vorbildliche Handoder Taschenbücher (Hütte und Dubbel), für die Mathematik ebenfalls (Bronstein). Während diese Gebiete jedoch auf eine lange Tradition zurückblicken und konsolidiert sind,
ist die Informatik noch so jung und in ständiger Expansion begriffen, daß es im deutschen
Schrifttum – abgesehen von dem 1974 erschienenen und seit vielen Jahren vergriffenen
Taschenbuch der Informatik von Steinbuch und Weber – kein vergleichbares Werk gibt.
Als wir in den neunziger Jahren den Plan zu dem vorliegenden Buch entwickelten, zweifelten wir noch, ob es klug sei, eine zusammenfassende Darstellung in einer Zeit zu unternehmen, in der ständig neue Erkenntnisse, sogar neue Teilgebiete, zur Informatik hinzukommen, so daß ein einzelner sie schon nicht mehr überblicken kann. Aber gerade das
bestärkte uns, das Wagnis einzugehen. Nach fünfzig Jahren Computertechnik schien uns
die Zeit reif für eine Gesamtdarstellung zu sein. Der Erfolg des Werkes gab uns recht:
Seine durchweg zustimmende Aufnahme und mittlerweile große Verbreitung zeigen, daß
es an der Zeit war.
Bei der Gliederung des Stoffes haben wir uns an die im deutschen Sprachraum bewährte,
wenn auch umstrittene Einteilung in Theoretische, Technische, Praktische und Angewandte Informatik gehalten, da es unseres Wissens keine bessere gibt.
Die vierte Auflage ist aktualisiert und erweitert. Neu hinzugekommen sind die Kapitel
A7 Modellierung und Theorie verteilter Systeme
B5 Dokument-Austauschformate und -Auszeichnungssprachen
E2 Virtuelle und erweiterte Realität
E10 Web-Programmierung
F3 Rechtsfragen der Informatik
Weitgehend überarbeitet wurden die Kapitel
D13 Softwaretechnik
E1 Grafische Datenverarbeitung
E9 Das Internet
F2 Normen und Spezifikationen der Informationstechnik
In den meisten übrigen Kapiteln wurden Weiterentwicklungen berücksichtigt, technische
Daten auf den neuesten Stand gebracht und die Literaturverzeichnisse aktualisiert.
Entfernt wurde das Kapitel der dritten Auflage D8 Visuelle Programmierung wegen seiner
zurückgegangenen Bedeutung und der ganze Buchteil der dritten Auflage F Wirtschaftsinformatik. Herausgeber und Verlag bedauern den Wegfall der Wirtschaftsinformatik,
doch er war wegen der neu hinzugekommenen Kapitel nicht zu vermeiden. Da die Wirtschaftsinformatik sich inzwischen zu einer eigenen Disziplin entwickelt hat, hätte auch
der Umfang dieses Buchteils erheblich vergrößert werden müssen, was Herausgeber und
Verlag nicht wollten.
8
Vorwort
Näheres über Auswahl und Anordnung des Stoffes steht in den Einleitungen zu den einzelnen Buchteilen. Zur formalen Beschreibung von Algorithmen wird der Einheitlichkeit
wegen überwiegend die Algorithmenbeschreibungssprache Adele verwendet. Sie ist im
Anhang definiert, dürfte aber auch ohne Definition jedem Informatiker verständlich sein.
Unser Dank geht an Frau Monika Scholl für die Konvertierung einiger Manuskripte von
MS Word nach Framemaker, die Formatierung aller Kapitel, die Zeichnung hinzugekommener Grafiken und Hilfe bei der Herstellung der Verzeichnisse am Buchende. Er gilt ferner unseren Kontaktpersonen beim Carl Hanser Verlag: Frau Margarete Metzger für die
reibungslose Zusammenarbeit während der ganzen Entwicklungszeit des Handbuches
und Frau Irene Weilhart für die Herstellung des Buches und die Berücksichtigung unserer
besonderen Wünsche.
Das Hauptverdienst liegt natürlich bei den 52 Autoren, die geduldig auf unsere Wünsche
nach Klarheit, Kürze und stilistischer Einheitlichkeit eingingen.
Für alle Hinweise auf Fehler und Verbesserungsmöglichkeiten sind wir weiterhin dankbar.
Johannes-Kepler-Universität Linz, A-4040 Linz, im Dezember 2005
Peter Rechenberg
Gustav Pomberger
[email protected]
[email protected]
Benutzungshinweise
Der Inhalt ist in die Buchteile A bis F und mehrere Anhänge, jeder Buchteil in Kapitel
gegliedert. Gleichungen, Programme, Sätze u. dgl., auf die im Text Bezug genommen
wird, sind innerhalb eines Kapitels durch fortlaufende eingeklammerte Randnummern
bezeichnet, Bilder durch einfache fortlaufende Bildnummern. Tabellen werden nicht
gesondert gezählt, sondern als Bilder angesehen. Verweise auf andere Stellen desselben
Kapitels werden durch einfache Angabe der Randnummer oder Bildnummer bezeichnet,
also z.B. „siehe Abschnitt 3.2.5“, „siehe (3)“, „siehe Bild 4“. Bei Verweisen auf andere
Kapitel wird Buchteil und Kapitelnummer davorgesetzt, also z.B. „siehe Kapitel D1.4.2“.
Jedes Kapitel endet mit der Zusammenstellung von allgemeiner und spezieller Literatur.
Die allgemeine Literatur enthält weiterführende Werke über das Gesamtgebiet des Kapitels, meist Standardwerke, die zum Studium empfohlen werden können. Die spezielle
Literatur enthält die Werke, auf die im Text Bezug genommen wird.
Englische Begriffe werden vorzugsweise mit kleinen Anfangsbuchstaben geschrieben,
auch wenn ihr Akronym aus Großbuchstaben besteht (z.B. RPC = remote procedure call).
Standard-Zahlenmengen werden durch folgende Symbole ausgedrückt:
Natürlich
Ganz
Rational
Gleitpunkt
Reell
Komplex
Positiv reell
Nichtnegativ reell
N
Z
Q
F
R
C
R+
R+0
Im Buch benutzte Maßeinheiten für Länge, Zeit und Speicherplatz:
Länge
m
mm
μm
nm
Meter
Millimeter 10-3 m
Mikrometer 10-6 m
Nanometer 10-9 m
Zeit
s
ms
μs
ns
Sekunde
Millisekunde 10-3 s
Mikrosekunde 10-6 s
Nanosekunde 10-9 s
Speicherplatz
Bit
Byte
KByte
MByte
GByte
TByte
Bit
Byte
Kilobyte
Megabyte
Gigabyte
Terabyte
8 Bit
210 Byte
220 Byte
230 Byte
240 Byte
≈ 103
≈ 106
≈ 109
≈ 1012
Byte
Byte
Byte
Byte
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Peter Rechenberg, Gustav Pomberger
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Leseprobe
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2
Programmiersprachen
D
G. Goos, W. Zimmermann
2.1
Methodische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Abstrakte Datentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Grundlegende abstrakte Datentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Programmierparadigmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
517
518
521
525
2.2
Elemente von Programmiersprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Syntax, Semantik und Pragmatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Syntaktische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grundsymbole – Struktureller Aufbau von Programmen
2.2.3 Semantische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
526
526
527
2.3
Bindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
2.3.1 Lebensdauer und Bindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
2.3.2 Statische Bindung und Blockstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
2.4
Datentypen und Ausdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Grundtypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 Zusammengesetzte Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 Variablen in imperativen Sprachen, Zeigertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.4 Vereinigungstypen und polymorphe Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.5 Typäquivalenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.6 Ausdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
532
532
533
535
536
537
537
2.5
Sequentielle Ablaufsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.1 Zuweisungen, bedingte Anweisungen und Schleifen . . . . . . . . . . . . . . . .
Zuweisungen – Bedingte Anweisungen – Fallunterscheidung –
Schleifen
2.5.2 Prozeduren und Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parameterübergabemechanismen
2.5.3 Ausnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
539
540
2.6
Modularität und Objektorientierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1 Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2 Klassen und Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.3 Vererbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.4 Generizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
546
547
548
550
552
2.7
Skriptsprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
Perl – Tcl/Tk – Python – PHP
2.8
Parallelität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
2.9
Historische Entwicklung von Programmiersprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
529
541
545
Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
Spezielle Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
Eine Programmiersprache ist eine Notation für Programme, also für Beschreibungen von
Berechnungen. Die Beschreibung soll für den menschlichen Leser verständlich und darüber hinaus auch effizient implementierbar sein. Die einfachsten Programmiersprachen
sind maschinennahe Sprachen, die umkehrbar eindeutig der Befehlscodierung im Rechner entsprechen. Programmiersprachen, die sich mehr am menschlichen Verständnis ori-
D2
516
D2 Programmiersprachen
entieren, heißen höhere Sprachen. Übersetzer transformieren Programme einer höheren
Programmiersprache in maschinennahe Programme. Maschinennahe Programmiersprachen sind leicht zu implementieren, es ist aber aufwendig und fehleranfällig, in solchen Sprachen zu programmieren. Die heutigen höheren Programmiersprachen sind
Abstraktionen der maschinennahen Programmierung, z.B. wenn arithmetische Ausdrücke in mathematischer Notation statt als Folge von Rechenoperationen angegeben
werden. Andererseits geben die angebotenen Abstraktionen und Begriffe einen bestimmten Programmierstil und eine Programmiermethodik vor. Die vorhandenen Begriffe, mehr
noch das Fehlen bestimmter Begriffe, beeinflussen die Denkweise der Programmierer und
ihre Entwurfsmethoden. Höhere Programmiersprachen spiegeln daher das Verständnis
wünschenswerter Programmier- und Entwurfsmethoden zum Zeitpunkt ihrer Entstehung
wider.
Höhere Programmiersprachen klassifiziert man nach dem zugrundeliegenden Berechnungsmodell als imperativ, funktional und logisch. Imperative Sprachen beschreiben eine
Berechnung als Folge von Zustandsübergängen einer Menge von Zustandsvariablen, die
in erster Näherung den Speicher des benutzten Rechners repräsentieren. Alle maschinennahen Sprachen für v.Neumann-Rechner sind imperativ. Das Sprachelement zur
Beschreibung eines einzelnen Zustandsübergangs heißt Anweisung oder Befehl. In funktionalen Sprachen beschreibt ein Programm die Berechnung des Ergebnisses einer mathematischen Abbildung, einer Funktion. Das Programm ist eine Menge von Funktionsdefinitionen und geschachtelten Funktionsaufrufen. Die Basis der funktionalen Programmiersprachen ist der λ-Kalkül. In logischen Programmiersprachen bestätigt man eine
Formel der mathematischen Logik, indem man das Gegenteil, die Negation der Formel,
zu widerlegen sucht. Die speziellen Werte der vorkommenden logischen Variablen, die zu
dieser Widerlegung führen, bilden das Ergebnis der Berechnung. Alle drei Rechenmodelle
sind zur Beschreibung einzelner Algorithmen geeignet. Zur Beschreibung reaktiver
Systeme muß dem funktionalen oder logischen Rechenmodell zusätzlich ein Zustandsbegriff beigegeben werden. (Unter einem reaktiven System versteht man ein System, das in
virtueller Zeit Eingabeströme von Daten auf Ausgabeströme abbildet, siehe [Manna 91].)
Die Abgrenzung heutiger Programmiersprachen nach Rechenmodellen ist nur „im Prinzip“ möglich. Eine andere Klassifikation, die vor allem die imperativen Sprachen weiter
unterteilt, orientiert sich an der Programmiermethodik und führt zu den Begriffen der
strukturierten, modularen und objektorientierten Programmiersprachen.
Programmiersprachen sind Ingenieurprodukte. Bei ihrer Entwicklung und der Einsatzplanung muß man neben dem Rechenmodell, dem Anwendungsgebiet und der Programmiermethodik u.a. folgende Kriterien berücksichtigen:
• Praktische Benutzbarkeit: Die Sprache soll es Programmierern erlauben, die ihnen
gewohnten Denk- und Ausdrucksweisen zu verwenden. Umständliche und fremdartige
Ausdrucksweisen mit Rücksicht auf theoretische Rechenmodelle oder praktische
Implementierungsanforderungen sind unerwünscht. Andererseits soll die Sprache die
Benutzung von Spezialfunktionen, die der Rechner, das Betriebssystem, das Datenbanksystem usw. bereitstellen, nicht unnötig erschweren.
• Verständlichkeit und Genauigkeit der Spezifikation: Die Programmiersprache ist durch
eine verbindliche Spezifikation vorgegeben: die Sprachbeschreibung, bei den gängigen
Programmiersprachen fast immer eine internationale Norm. Je einfacher diese
Beschreibung ist, desto weniger Mißverständnisse und Fehler gibt es beim Schreiben
und beim Lesen von Programmen. Das Literaturverzeichnis nennt Standards und Normen der Programmiersprachen Algol 60 [Naur 63], Simula 67 [Dahl 68], Algol 68 [van
Wijngaarden 75], Snobol 4 [Griswold 71], Pascal [Pascal 90], Fortran 77 [Fortran 77],
D2.1 Methodische Grundlagen
517
Pearl [Pearl 80], Smalltalk 80 [Goldberg 85], Modula-2 [Modula-2 96], COBOL
[Cobol 85], C [C 99], C++ [C++ 98], Fortran 90 [Fortran 90], Fortran 95 [Fortran 95],
SML [Milner 90], Eiffel [Meyer 92], Ada [Ada 95], Java [Gosling 96, Gosling 05], C#
[C# 01, C# 05] und Fortran2003 [Fortran 04].
• Leichte Implementierbarkeit: Geringer Aufwand bei der Implementierung einer Programmiersprache verringert die Herstellungskosten. Er führt meist zu kürzeren Übersetzungszeiten und verringert damit die Kosten im Ediere-übersetze-teste-Zyklus. Vor
allem verringert sich die Fehleranfälligkeit des Übersetzers und damit auch der übersetzten Programme. Oft führt leichte Implementierbarkeit auch zu effizienteren Zielprogrammen.
• Portabilität der Programme: Langlebige oder für einen großen Kundenkreis gedachte
Programme müssen auf unterschiedlichen Rechnern laufen und mit unterschiedlichen
Übersetzern übersetzt werden können. Manche dieser Rechner und Übersetzer können
zum Zeitpunkt der Programmerstellung noch unbekannt sein. Dafür kommen nur international standardisierte Programmiersprachen in Betracht; Sprachelemente, die nur
von einem einzelnen Übersetzer unterstützt oder die unterschiedlich interpretiert werden, und die Verwendung von Sprachen, auf die einzelne Hersteller ein Monopol besitzen, müssen vermieden werden. Insbesondere bei der Ein/Ausgabe, beim Aufruf von
Betriebssystemfunktionen und bei der Verknüpfung von Programmteilen unterschiedlichen Ursprungs gibt es Schwierigkeiten, auf die bereits beim Entwurf der Programmiersprache Rücksicht genommen werden muß.
• Kompatibilität: Die Pflege großer Softwarebestände verbietet es, ältere Programmiersprachen in Zyklen von wenigen Jahren dem jeweils neuesten Erkenntnisstand der Programmiermethodik anzupassen. Es hemmt die Produktivität, wenn Programmierer laufend neue Sprachen erlernen oder mehrere Programmiersprachen nebeneinander
benutzen sollen. Die „optimale Programmiersprache“ hängt nicht nur vom Einsatzzweck, sondern auch von der Historie, dem Umfeld und dem Ausbildungsstand ab.
Insbesondere die ersten drei Kriterien gehen nur teilweise Hand in Hand. Oft sind sie
widersprüchlich. Eine Programmiersprache darf nicht isoliert nach nur einem Gesichtspunkt beurteilt werden.
2.1 Methodische Grundlagen
Programme in einer Programmiersprache beschreiben im einfachsten Fall Algorithmen,
die eine Abbildung f: E → A von Eingaben E in Ausgaben A realisieren. Die Beschreibung
soll sowohl für den menschlichen Leser als auch maschinell verständlich sein. Die Eingaben E und Ausgaben A sind Daten, d.h. Folgen von Bits, denen eine bestimmte Bedeutung
beigelegt wird. Die Bitfolge heißt auch Codierung des Datums. In für Menschen lesbaren
Programmen verwendet man dem jeweiligen Anwendungsgebiet angepaßte Codierungen,
z.B. Zahlen im Dezimalsystem oder Texte in üblicher Schreibweise über einem vorgegebenen Alphabet, und überläßt die binäre Umcodierung der Implementierung der Programmiersprache. Die Bedeutung des Datums, soweit sie im Programm überhaupt erkennbar
ist, ergibt sich dann oft aus der Schreibweise. Oder man kann sie explizit erklären, indem
man dem Datum einen Typ zuordnet, der die mit dem Datum ausführbaren Operationen
spezifiziert.
Bei einem Algorithmus setzt man voraus, daß seine Eingaben zu Beginn der Berechnung
bekannt sind und am Ende die Ausgaben geliefert werden. Bei einem reaktiven System
wird ein Strom von Eingaben, die nur schrittweise bekannt werden, zu einem Strom von
D2
518
D2 Programmiersprachen
Ausgaben verarbeitet. Es kann mehrere Ein- und Ausgabeströme geben. Die Länge der
Ströme ist unbeschränkt. Die Eingaben können von zuvor berechneten Ausgaben abhängen. Wieweit der Eingabestrom gelesen bzw. der Ausgabestrom geschrieben ist, wird im
abstrakten Modell durch einen Eingabe- und einen Ausgabezeiger beschrieben.
Reaktive Systeme setzen sich aus Einzelalgorithmen zusammen. Wie diese Algorithmen
realisiert sind, spielt im Gesamtzusammenhang keine oder eine untergeordnete Rolle; die
einzelnen Algorithmen können als schwarzer Kasten behandelt werden. Dies ist das Prinzip der prozeduralen Abstraktion. Der Algorithmus heißt dann auch eine Prozedur. Eine
solche Prozedur hat eine (prozedurale) Schnittstelle, nämlich die Spezifikation der zulässigen Eingaben, der Argumente der Prozedur und des Resultats, d.h. der Ausgaben. Innerhalb der Prozedur heißen die Argumente Parameter. In Programmiersprachen werden
Argumente und Resultate heute nur nach Anzahl und Typ spezifiziert; weitere Angaben,
etwa Konsistenzbedingungen, können in einigen neueren imperativen Sprachen wie etwa
Eiffel als Vor- und Nachbedingungen spezifiziert werden. Jedoch fehlt zumeist die Verbindung mit einem automatischen Verifikationssystem, um diese Bedingungen vollständig zu
prüfen.
Die Ausführung einer Prozedur wird im Gesamtprogramm durch einen Prozeduraufruf
veranlaßt. Zur prozeduralen Abstraktion gehört an sich, daß dieser Aufruf alle Argumente
angibt und die weitere Verwendung aller Resultate bestimmt. Eine Prozedur hat eine
Nebenwirkung, wenn sie von sich aus auf Daten, die nicht in der Schnittstelle spezifiziert
und nicht im Aufruf angegeben sind, zugreifen und diese womöglich verändern kann. Zu
den Nebenwirkungen gehört auch das Weiterschalten des Eingabe- oder Ausgabezeigers,
also das Lesen oder Schreiben von Daten auf externen Medien oder die Kommunikation
mit anderen Programmen. Ferner sind alle potentiellen Ausnahmen, d.h. Fehler, die den
Programmablauf beeinflussen, Nebenwirkungen, wenn ihr Einfluß über die Prozedur hinausreicht. Prozeduren ohne Nebenwirkungen, die nur ein einziges Resultat liefern, heißen
Funktionen.
Der Begriff des Algorithmus und der Prozedur ist rekursiv: Prozeduren können selbst Prozeduraufrufe enthalten und unter anderem sich selbst (mit anderen Argumenten) aufrufen.
Da auch einfache Operationen wie die Addition als Prozeduren angesehen werden können, besteht eine Programmausführung allgemein aus einer Folge von Prozeduraufrufen,
deren Argumente entweder Eingaben oder Resultate vorangehender Aufrufe sind. Die
nachfolgenden Programmierparadigmen zeigen das in unterschiedlicher Weise. Eine Programmiersprache beschreibt Algorithmen, indem sie schrittweise die Bedeutung der Elementaroperationen erklärt und dann angibt, wie man hieraus größere Prozeduren zusammensetzt.
2.1.1 Abstrakte Datentypen
Typen bilden heute in allen Programmiersprachen die Grundlage der Beschreibung von
Daten. Ursprünglich wurde der Begriff Datentyp rein intuitiv verstanden. Arbeiten in der
theoretischen Informatik (siehe z.B. [Wirsing 90]) legten die mathematische Grundlage
für ein algebraisches Verständnis des Begriffs Datentyp, der hier dargelegt wird. Implementierungstechnische Gründe und die Rücksicht auf Programmierparadigmen und
Denkgewohnheiten der Programmierer erlauben es aber nicht, die theoretisch saubere
Formulierung unverändert in praktisch brauchbare Programmiersprachen zu übernehmen.
Die Theorie abstrakter Datentypen verhilft vor allem zum systematischen Verständnis.
Ein abstrakter Datentyp (in diesem Abschnitt Typ genannt) besteht aus einer Menge von
Operatoren f: w1 × … × wn → s. Dabei sind w1, …, wn und s Typen. Der Operator f repräsentiert eine n-stellige Funktion, die Argumente t1, …, tn der Typen w1, …, wn auf einen
D2.1 Methodische Grundlagen
519
Typ s abbilden. w1 × … × wn → s heißt die Stelligkeit des Operators f. Ein nullstelliger Operator c: → s heißt Konstante des Typs s. Die Menge der Operatoren eines Typs T zusammen mit ihrer Stelligkeit heißt die Signatur von T.
Beispiel: Signaturen der Typen BOOL und INT
(1)
Die beiden folgenden Signaturen beschreiben den Typ BOOL der Wahrheitswerte und
den Typ INT der ganzen Zahlen. true und false sind Konstanten vom Typ BOOL; 0,1,…
Konstanten vom Typ INT. INT hat unendlich viele Konstanten. Die Operatoren von
BOOL sind die üblichen logischen Operatoren und Vergleichsoperatoren, die von INT
sind die üblichen arithmetischen Operatoren.
data type BOOL
true, false:
→ BOOL
¬:
BOOL
→ BOOL
∧,∨:
BOOL × BOOL → BOOL
≡ , ≠, <, >, ≥, ≤ : INT × INT
→ BOOL
end
data type INT
… – 2, – 1, 0, 1, 2, …:
→ INT
⊕, ⊗, div, mod: INT × INT → INT
end
Die Terme eines Typs T sind induktiv definiert: Eine Konstante vom Typ T ist ein Term;
sind t1, …, tn Terme der Typen w1, …, wn und ist f: w1 × … × wn → s ein Operator, dann
ist f(t1, …, tn) ein Term vom Typ T. Sei X eine Menge (von Variablensymbolen), die disjunkt zu allen Typnamen und Operationssymbolen ist. Dann heißt x ∈ X eine Variable.
Variablen sind ebenfalls Terme eines Typs T. Terme ohne Variablen heißen Grundterme.
Dieser Variablenbegriff entspricht dem der mathematischen Logik und dem Begriff einer
Unbestimmten in der Algebra. Er findet sich wieder in logischen und funktionalen Programmiersprachen. Er darf nicht verwechselt werden mit den Variablen imperativer Programmiersprachen, die ihren Wert in der Zeit ändern können.
Beispiel:
x ∧ y ist ein Term vom Typ BOOL mit den Variablen x und y. 3 ≤ 5 + 8 ist ebenfalls ein
Term vom Typ BOOL. Dieser Term ist ein Grundterm. 5 + 8 ist ein Term vom Typ INT.
Intuitiv können Grundterme ausgewertet werden, z.B. 5 + 8 zu 13. Dazu werden in
abstrakten Datentypen Gleichungen t1 = t2 definiert, mit deren Hilfe man Terme auswertet
oder vereinfacht. Eine Gleichung heißt oft ein Axiom. Dabei sind t1 und t2 Terme gleichen
Typs und können Variablen enthalten. Ist letzteres der Fall, dann interpretiert man t1 = t2
als eine Menge von Gleichungen über Grundtermen, wobei jeweils alle Grundterme des
Typs einer Variablen in die Gleichung eingesetzt werden. Die Gleichungen eines Datentyps definieren also eine Äquivalenzrelation. Meist verwendet man Gleichungen zur Definition der Bedeutung von Operatoren.
Beispiel: Der abstrakte Datentyp BOOL
(2)
data type BOOL is
true, false:
→ BOOL
¬:
BOOL
→ BOOL
∧,∨:
BOOL × BOOL → BOOL
equations x: BOOL¬ true= false
¬ false = true
true ∧ x = x
false ∧ x = false
false ∨ x = x
true ∨ x = true
end
D2
520
D2 Programmiersprachen
Der Datentyp BOOL definiert durch Gleichungen die Bedeutung der Operatoren ¬, ∨,
und ∧. Die Gleichung true ∧ x = x steht für die unendliche Menge von Gleichungen
{true ∧ t = t ∈ BOOL}. Durch die Gleichungen sind zwei Äquivalenzklassen definiert:
in der einen Klasse sind alle Terme äquivalent zu true, in der anderen zu false.
Die Konstruktoren Γ eines abstrakten Datentyps T bilden die kleinste Menge von Operatoren mit Ergebnistyp T, so daß jede Äquivalenzklasse von T mindestens einen Grundterm
t enthält, der nur Operatoren aus Γ benutzt. Die anderen Operatoren mit Ergebnistyp T in
der Signatur heißen Projektionen.
Beispiel: Der abstrakte Datentyp INTLIST der Liste ganzer Zahlen
(3)
data type INTLIST
nil:
→ INTLIST
cons: INT x INTLIST → INTLIST
head: INTLIST
→ INT
tail:
INTLIST
→ INTLIST
empty: INTLIST
→ BOOL
equations a: INT, l: INTLIST
head(cons(a,l)) = a
tail(cons(a,l))
=l
empty(nil)
= true
empty(cons(a,l)) = false
end
Der Datentyp BOOL hat die Konstruktoren true und false. Der Datentyp INT hat die Konstruktoren …, – 2, – 1, 0, 1, 2, …. Der Datentyp INTLIST hat die Konstruktoren nil und
cons. nil repräsentiert die leere Liste, cons fügt eine ganze Zahl in eine Liste ein. Damit
hat INTLIST unendlich viele Äquivalenzklassen.
Der Datentyp BOOLLIST der Listen von Wahrheitswerten hat die gleiche Definition wie
der Datentyp INTLIST. Man ersetzt überall INT durch BOOL und INTLIST durch BOOLLIST. Ebenso kann man Listen für andere Elementtypen T definieren. Um nicht jedesmal
neue Definitionen einführen zu müssen, können abstrakte Datentypen mit Typvariablen
parametrisiert werden. Ein parametrisierter abstrakter Datentyp D(A1, …, An) verwendet
die Typvariablen A1, …, An. Sie dürfen in der Definition der Signatur verwendet werden.
Seien T1, …, Tn abstrakte Datentypen. D(T1, …, Tn) ist ein mit T1, …, Tn instantiierter
parametrisierter Datentyp. D(T1,…, Tn) definiert einen abstrakten Datentyp, indem man
in der Definition von D die Typvariablen Ai durch Ti, i = 1, …, n ersetzt.
Beispiel: Der abstrakte Datentyp LIST(T)
(4)
data type LIST(T)
nil:
→
cons:
T × LIST(T) →
head:
LIST(T)
→
tail:
LIST(T)
→
empty:
LIST(T)
→
equations a:T, l:LIST(T)
head(cons(a,l)) = a
tail(cons(a,l))
=l
empty(nil)
= true
empty(cons(a,l)) = false
end
LIST(T)
LIST(T)
T
LIST(T)
BOOL
(4) zeigt den parametrisierten Datentyp LIST(T) der Listen, (3) den mit INT instantiierten
parametrisierten Datentyp LIST(INT).
Der Begriff der Konstruktoren verallgemeinert sich in naheliegender Weise auf parametrisierte Datentypen.
D2.1 Methodische Grundlagen
521
In funktionalen Sprachen kann man die Konstruktoren abstrakter Datentypen direkt festlegen und dann die Axiome definieren (siehe Kapitel D5). Allgemein ist ein Typ in einer
Programmiersprache eine Implementierung eines abstrakten Datentyps. Wenn alle Konstruktoren eines Typs nullstellig sind, heißt der Typ Grundtyp, sonst zusammengesetzter
Datentyp. Eine Sonderrolle spielen in imperativen Sprachen Zeigertypen.
Ein abstrakter Datentyp T ist ein Untertyp des Typs T', wenn zwei Terme t, t' aus T genau
dann äquivalent sind, wenn sie in T' äquivalent sind. Dieser Begriff des Untertyps ist die
Grundlage der polymorphen Typen in objektorientierten Sprachen: Statt der Operationen
des Obertyps T kann man die Operationen eines beliebigen Untertyps T' verwenden und
erhält trotzdem ein Resultat in der gleichen Äquivalenzklasse, die sich auch mit den Operationen aus T ergeben hätte. Insbesondere kann T' eine Implementierung des abstrakten
Datentyps T sein.
2.1.2 Grundlegende abstrakte Datentypen
Dieser Abschnitt stellt die Signaturen und Axiome wichtiger abstrakter Datentypen
zusammen. Die Operationen sind als Konstruktoren und Projektionen klassifiziert. In
einigen Fällen sind Hilfskonstruktoren notwendig, die nicht zur Signatur gehören, aber für
die Formulierung der Gleichungen erforderlich sind. Die Formulierung der Gleichungen
benutzt vielfach bedingte rekursive Aufrufe von Operationen.
Viele Kombinationen von Operationen, z.B. bei Listen tail(nil) oder head(nil), sind nicht
spezifiziert. In der praktischen Anwendung muß eine solche Kombination zu einer Ausnahme führen, die eine Fehlerbehandlung oder den Programmabbruch einleitet. In seltenen Fällen bedeutet Nicht-Spezifikation einer Kombination, daß es dem Programmierer
freisteht, welches Resultat er liefert. Um Konsistenz und Vollständigkeit zu prüfen, hat
sich in der Praxis eine tabellarische Erfassung der Definition abstrakter Datentypen
bewährt [Parnas 94].
Der in (5) definierte Datentyp der natürlichen Zahlen ist abzählbar unendlich und daher
wegen Ressourcenbeschränkungen ebenso wie der nachfolgende Typ INT nicht vollständig in maschinell ausführbaren Programmen realisierbar. Abstrakte Datentypen geben
eine mathematische Idealisierung der Realität wieder. Unter Verifikationsgesichtspunkten, auf die hier nicht näher eingegangen wird, ist es Aufgabe des Programmierers, nicht
der Programmiersprache oder ihrer Implementierung, diesen Unterschied zwischen Realität und Ideal zu berücksichtigen.
Beispiel: Der abstrakte Datentyp NAT der natürlichen Zahlen
(5)
data type NAT
constructors
0:
NAT
succ: NAT → NAT
operations
plus: NAT × NAT → NAT
times: NAT × NAT → NAT
equations a,b: NAT
plus(0,a)
=a
plus(succ(a),b) = succ(plus(a,b))
times(0,a)
=0
times(succ(a),b) = plus(times(a,b),b)
end
D2
522
D2 Programmiersprachen
Beispiel: Der abstrakte Datentyp INT der ganzen Zahlen
(6)
data type INT
constructors
… – 2, – 1, 0, 1, 2, …: → INT
operations
⊕, ⊗, div, mod: INT × INT → INT
≡ , ≠, <, >, ≥, ≤ : INT × INT → BOOL
equations a,b:
INT
0⊕a = a
1⊕1 = 2
…
end
In gleicher Weise könnte man abstrakte Datentypen REAL und COMPLEX als Obertypen
von INT spezifizieren. Wegen der Ressourcenbeschränkungen läßt sich jedoch die reelle
Arithmetik immer nur mit beschränkter Genauigkeit durchführen. Dabei geht die Obertyp-Untertyp-Beziehung verloren.
Die nachfolgenden abstrakten Datentypen sind sämtlich parametrisiert; der Typparameter
T beschreibt den Elementtyp dieser Behältertypen.
Der abstrakte Datentyp Variable(T) gibt Variablen im Sinne imperativer Sprachen wieder.
Ihr Wert vom Typ T, einem weiteren abstrakten Datentyp, kann sich durch Schreiboperationen ändern. Variablen in diesem Sinne sind nur dann unterscheidbar, wenn sie unterschiedliche Werte haben. In der praktischen Umsetzung besitzt eine Variable in einer
imperativen Sprache zusätzlich eine Referenz oder einen Zeiger. Er bestimmt die Identität
der Variablen, so daß auch Variablen gleichen Werts unterschieden werden können. Dabei
gibt es zwei Fälle:
• Wertsemantik oder Kopiersemantik: Die Referenz identifiziert umkehrbar eindeutig ein
Exemplar des abstrakten Datentyps Variable. Sein Wert kann sich durch Schreiboperationen unabhängig von anderen Variablen ändern.
• Referenzsemantik: Mehrere Referenzen können auf dasselbe Exemplar zeigen. Eine
Schreiboperation ändert gleichzeitig den Wert aller, durch ihre Referenzen unterschiedenen Variablen, die auch zuvor den gleichen Wert besaßen.
Beispiel: Der abstrakte Datentyp VARIABLE(T)
(7)
data type VARIABLE(T)
constructors
create:
→ VARIABLE(T)
write: T × VARIABLE(T) → VARIABLE(T)
operations
read: VARIABLE(T)
→T
equations x,y:T, v:VARIABLE(T)
write(x,write(y,v)) = write(x,v)
read(write(x,v)) = x
end
Keller (8), Schlangen (9) und Sequenzen (10) sind die wichtigsten linearen Behältertypen.
Beispiel: Der abstrakte Datentyp STACK(T) der Keller
(8)
data type STACK(T)
constructors
create:
→ STACK(T)
push: T × STACK(T) → STACK(T)
operations
pop:
STACK(T) → STACK(T)
top:
STACK(T) → T
empty: STACK(T) → BOOL
D2.1 Methodische Grundlagen
523
equations a:T, s:STACK(T)
empty(create)
= true
empty(push(a,s)) = false
top(push(a,s))
=a
pop(push(a,s))
=s
end
Beispiel: Der abstrakte Datentyp QUEUE(T) der Schlangen
(9)
data type Queue(T)
constructors
create:
→ QUEUE(T)
enq:
T × QUEUE(T) → QUEUE(T)
operations
deq: QUEUE(T) → QUEUE(T)
front: QUEUE(T) → T
empty: QUEUE(T) → BOOL
equations a,b:T, s:QUEUE(T)
empty(create)
= true
empty(enq(a,s))
= false
front(enq(a,create))
=a
front(enq(a,enq(b,s)) = front(enq(b,s))
deq(enq(a,create))
= create
deq(enq(a,enq(b,s))) = enq(a,deq(enq(b,s)))
end
SEQ(T) spezifiziert die Grundoperationen auf sequentiellen Dateien. Mit read und write
werden Sequenzen gelesen oder geschrieben. Sequenzen haben implizit eine Position, die
durch die Funktion skip definiert ist. show gibt das Element an dieser Position zurück.
reset setzt diese Position auf das erste Element der Sequenz. eof gibt an, ob die Position
die letzte in der Sequenz ist.
Beispiel: Der abstrakte Datentyp SEQ(T) der Sequenzen oder Dateien
(10)
data type SEQ(T)
constructors
createfile:
→ SEQ(T)
write: SEQ(T) × T → SEQ(T)
read: SEQ(T) × T → SEQ(T)
operations
reset: SEQ(T)
→ SEQ(T)
skip: SEQ(T)
→ SEQ(T)
show: SEQ(T)
→T
eof:
SEQ(T)
→ BOOL
empty: SEQ(T)
→ BOOL
equations a,b:T; f:SEQ(T)
reset(createfile)
= createfile
reset(write(f,a))
= read(reset(f),a)
reset(read(f,a))
= read(reset(f),a)
skip(read(createfile,a)) = write(createfile,a)
skip(read(write(f,a),b))
= write(write(f,a),b)
skip(read(read(f,a),b))
= read(skip(read(f,a)),b)
show(read(createfile,a)) = a
show(read(write(f,a),b)) = b
show(read(read(f,a),b)) = show(read(f,a))
eof(createfile)
= true
eof(write(f,a))
= true
eof(read(f,a))
= false
empty(createfile)
= true
empty(write(f,a))
= false
D2
524
D2 Programmiersprachen
empty(read(f,a))
write(read(f,a),b)
end
= false
= write(f,b)
(11) zeigt den abstrakten Datentyp der Binärbäume. Mit left bzw. right greift man auf den
linken bzw. rechten Unterbaum zu, durch node werden Teilbäume mit einer neuen Wurzel
zusammengefügt. Binärbäume sind nichtlineare Behältertypen.
Beispiel: Der abstrakte Datentyp BINTREE(T) der Binärbäume
(11)
data type BINTREE(T)
constructors
createtree:
→ BINTREE(T)
node: BINTREE(T) × T × BINTREE(T) → BINTREE(T)
operations
left:
BINTREE(T) → BINTREE(T)
right: BINTREE(T) → BINTREE(T)
value: BINTREE(T) → T
empty: BINTREE(T) → BOOL
equations a:T; t1,t2: BINTREE(T)
left(node(t1,a,t2)) = t1
right(node(t1,a,t2)) = t2
value(node(t1,a,t2)) = a
empty(createtree)) = true
empty(node(t1,a,t2)) = false
end
Mengen sind ebenfalls nichtlineare Behältertypen. In ihnen ist keine Ordnung der Elemente definiert; im Gegensatz zu Kellern, Listen, Sequenzen und Schlangen kann man
nicht vom ersten oder letzten Element sprechen. In der Definition des abstrakten Datentyps (12) kann man dies an der Definition von elem erkennen. Die Axiome sind teilweise
durch bedingte Gleichungen definiert.
Beispiel: Der Datentyp SET(T) der Mengen über T
(12)
data type SET(T)
constructors
emptyset:
→ SET(T)
elem: T × SET(T) → SET(T)
operations
single:
T
→ SET(T)
insert:
SET(T) × T
→ SET(T)
member:
T × SET(T)
→ BOOL
delete:
SET(T) × T
→ SET(T)
union:
SET(T) × SET(T) → SET(T)
intersect:
SET(T) × SET(T) → SET(T)
difference: SET(T) × SET(T) → SET(T)
is_subset: SET(T) × SET(T) → BOOL
is_equal:
SET(T) × SET(T) → BOOL
is_empty: SET(T)
→ BOOL
equations s,s‘:SET(T); x,x‘:T
single(x)
= elem(x,emptyset)
insert(s,x)
= union(single(x),s)
member(x,emptyset) = false
member(x,elem(x‘,s)) = if x=x‘ then true else member(x,s)
delete(s,x)
= difference(s,single(x))
union(emptyset,s)
=s
union(elem(x,s),s‘)
= if member(x,s‘) then union(s,s‘) else elem(x,union(s,s‘))
intersect(emptyset,s) = emptyset
intersect(elem(x,s),s‘) = if member(x,s‘) then elem(x,intersect(s,s‘)) else intersect(s,s‘)
difference(emptyset,s) = emptyset
D2.1 Methodische Grundlagen
525
difference(elem(x,s),s‘) = if member(x,s‘) then difference(s,s‘) else elem(x,difference(s,s‘))
is_subset(s,s‘)
= is_empty(difference(s,s‘))
is_equal(s,s‘)
= is_subset(s,s‘) ∧ is_subset(s‘,s)
is_empty(emptyset) = true
is_empty(elem(x,s)) = false
end
2.1.3 Programmierparadigmen
Funktionale Sprachen unterstützen direkt die Definition und Programmierung abstrakter
Datentypen. Ihre Grundlage ist der λ-Kalkül (siehe Kapitel D5). Logische Programmiersprachen kennen ebenfalls Terme als Typen. Die Grundlage ist Horn-Logik und Resolution (siehe Kapitel D6).
Beim imperativen Programmierparadigma betrachtet man, wie bereits erwähnt, eine
Berechnung als Folge von Zustandsübergängen von Variablen im Sinne von (7). Solche
Zustandsübergänge können sehr komplex sein und entsprechen dann unter Umständen
umfangreichen Prozeduren (prozedurale Abstraktion). Sie können unter Bedingungen stehen oder, mit jeweils anderen Variablenwerten, in Schleifen ausgeführt werden. Die
Sprachelemente Prozedur und Prozeduraufruf, bedingte Anweisung und Schleife sind aus
theoretischer Sicht ausreichend, um alle Algorithmen zu formulieren. Praktisch ergeben
sich die gleichen Elemente, wenn man Programmentwurf durch schrittweise Verfeinerung
mit Verwendung von Vor- und Nachbedingungen zur Verifikation nach Hoare oder Dijkstra betreibt [Hoare 69, Dijkstra 76]. Man spricht vom Paradigma des strukturierten Programmierens, wenn für die Ablaufsteuerung nur diese Elemente eingesetzt werden.
(Bedingte) Sprünge, also willkürliche Bestimmung der nächsten auszuführenden Anweisung, sind in diesem Paradigma nicht erlaubt. Eine Sonderrolle spielen Ausnahmen, d.h.
die Formulierung von Alternativen der Programmausführung, um nach einem Fehler, z.B.
Division durch Null, versuchter Zugriff auf eine nicht vorhandene Datei usw., wieder
einen Zustand zu erreichen, in dem die Programmausführung ordnungsgemäß fortgesetzt
und zu Ende geführt werden kann.
Prozedurale Abstraktion unterstellt die Verwendung des Geheimnisprinzips, in diesem
Fall, um lokale Größen einer Prozedur nicht nach außen sichtbar werden zu lassen. Die
einzelnen benannten Variablen haben einen Gültigkeitsbereich; nur in diesem Bereich
bedeutet die Benennung die gewünschte Variable. Auf Gültigkeitsbereiche wird in
Abschnitt 2.2.3 genauer eingegangen.
Beim Zusammensetzen größerer Programme reichen Prozeduren nicht als Strukturierungshilfe aus. Im Paradigma des modularen Programmierens besteht ein Programm aus
Modulen A, B, C, …, die jeweils über eine genau festgelegte Schnittstelle, bestehend aus
Typdefinitionen, Prozeduren und lokalen Variablen, verfügen. Nur die in dieser Schnittstelle angegebenen Größen p können auch außerhalb des Moduls mit Namen angesprochen werden. Dabei wird der Name p im allgemeinen mit dem Namen A des Moduls, zu
dem p gehört, qualifiziert: A.p. Alle anderen Größen im Modul unterliegen dem Geheimnisprinzip und sind von außen nicht sichtbar. Dies kann insbesondere die Einzelheiten der
Implementierung von Prozeduren und Typen an der Schnittstelle betreffen. In Programmiersprachen wie Modula-2 und Ada bestehen dazu die Module bzw. Pakete aus einem
(Schnittstellen-)Definitions- und einem Implementierungsteil.
Modulares Programmieren erlaubt die Realisierung abstrakter Datentypen, indem an der
Modulschnittstelle ein (oder mehrere) Typen T und Operationen mit Objekten dieser
Typen zugänglich gemacht werden. Die Einzelheiten der Repräsentation der Objekte und
damit der Definition von T unterliegen dem Geheimnisprinzip, um Repräsentationswech-
D2
526
D2 Programmiersprachen
sel zu ermöglichen. Daher werden in modularen (und objektorientierten) Programmiersprachen nur die Namen T, T' zweier Typen verglichen, um Gleichheit festzustellen
(Namensgleichheit von Typen). Die strukturelle Gleichheit wird nur für Felder benötigt.
Im objektorientierten Programmieren heißen die Module Klassen und definieren Schablonen zur Bildung oder Instantiierung von Objekten. Eine Klasse kann die Schnittstelle,
die Typrepräsentation und die Operationen eines abstrakten Datentyps definieren. Die
Begriffe Typ und Klasse fallen in den meisten objektorientierten Sprachen zusammen.
Weitere Einzelheiten dazu finden sich in Abschnitt 2.6 und Kapitel D4.
2.2 Elemente von Programmiersprachen
Die Bedeutung eines Programms ergibt sich durch Zusammensetzen der Bedeutungen der
darin vorkommenden Sprachelemente. Die Sprachdefinition gibt deren Interpretation und
ihre Verknüpfungen an. Die Sprachelemente sind ausführbare Operationen; die Ausführung ändert den Stand der Berechnung. Man kann die Menge der möglichen Operationen
als Befehlsvorrat einer (abstrakten) Maschine auffassen, deren Maschinensprache die
beschriebene Programmiersprache ist.
Programmierer lesen die Sprachdefinition als Benutzerhandbuch zur Beantwortung der
Fragen: Was bedeuten die Sprachelemente? Wozu können sie sinnvoll benutzt werden?
Wie können sie sinnvoll kombiniert werden? Der Übersetzerbauer interpretiert die
Sprachdefinition hingegen als Spezifikation, die er zu implementieren hat. Er fragt sich,
was alles erlaubt ist, selbst dann, wenn eine Kombination oder Benutzung von Sprachelementen nicht sinnvoll erscheint.
2.2.1 Syntax, Semantik und Pragmatik
Programme sind heute meist Texte, also Zeichenfolgen. Die Programmiersprache definiert, welche Texte zulässige Programme sind und welche nicht. Die Syntax einer Programmiersprache ist eine Beschreibung einer Obermenge der zulässigen Programmtexte.
Gewöhnlich definiert man die Syntax einer Programmiersprache mit Hilfe einer kontextfreien Grammatik in erweiterter Backus-Naur-Form (kurz: EBNF). Diese Methode wurde
mit der Backus-Naur-Form (kurz: BNF) zur Beschreibung der Syntax der Sprache
Algol 60 erstmals eingeführt. (14) zeigt eine solche Definition. Die linken Seiten der Produktionen führen Begriffe ein, die man als syntaktische Elemente der Programmiersprache bezeichnet. Sie prägen dem Programmtext eine syntaktische Struktur auf.
Die Semantik einer Programmiersprache beschreibt die Bedeutung der syntaktischen
Sprachelemente, aus denen sich Programme zusammensetzen, unter Berücksichtigung
des jeweiligen Kontexts. Dazu gehört auch die statische Semantik, d.h. Eigenschaften und
Bedingungen, die ohne Ausführung eines Programms bestimmt werden können. Sie
schränkt die Menge der zulässigen Programme ein.
Beispiel:
In vielen Programmiersprachen müssen Bezeichner vereinbart sein, wenn sie benutzt
werden. Die Namensanalyse, d.h. die Bestimmung der zugehörigen Vereinbarung,
gehört ebenso zur statischen Semantik wie die Bestimmung des Typs eines Objekts
oder eines Rechenergebnisses in einer typisierten Sprache.
Die dynamische Semantik definiert die Ausführung der Sprachelemente. In der Terminologie der Sprachphilosophen gehört die statische Semantik zur Syntax. Bei Programmiersprachen sind die Abgrenzungen oft willkürlich.
D2.2 Elemente von Programmiersprachen
527
Die Pragmatik einer Programmiersprache setzt Sprachelemente zu Konzepten außerhalb
der Programmiersprache in Beziehung. Das Additionssymbol „+“ und der Begriff „Gleitpunktzahl“ sind gewöhnlich syntaktische Begriffe. Man könnte die Addition zweier Gleitpunktzahlen auf umständliche Weise zur Semantik einer Programmiersprache zählen.
Gewöhnlich verweist man jedoch auf die Ausführung der Gleitpunktaddition durch den
Rechner, einer Einheit außerhalb der Begriffswelt der Sprache. Auch Datentypen und
andere theoretisch erklärbare Begriffe werden oft pragmatisch definiert. So beschreibt
etwa Pascal den booleschen Typ BOOL so:
[Boolean] Values are the truth values denoted by the identifiers true and false (Pascal
Report, Section 6.1.2 [Jensen 74])
2.2.2 Syntaktische Eigenschaften
Die kleinsten bedeutungtragenden syntaktischen Einheiten einer Programmiersprache
heißen Grundsymbole (in Kapitel A3 Terminalsymbole genannt). Die Syntax zerfällt in
zwei Teile: die Beschreibung des Aufbaus von Grundsymbolen aus einzelnen Zeichen, für
die meist eine reguläre Grammatik oder ein regulärer Ausdruck genügt, und die kontextfreie Produktionenmenge für die syntaktische Struktur eines Programmtextes über dem
Alphabet der Grundsymbole.
Grundsymbole
Grundsymbole sind Schlüsselwörter, Bezeichner, Konstanten, Kommentare und Spezialsymbole. Schlüsselwörter, z.B. begin, end, while, if, then, else, haben eine feste unabänderliche Bedeutung. Bezeichner sind frei wählbare Wörter. Konstanten(-bezeichner) sind
Zahlen, Zeichen oder Zeichenreihen. Spezialsymbole (wie „:“, „:=“, „::“,„ ;“) sind spezielle
Zeichen oder Zeichenkombinationen, denen die Semantik eine Bedeutung zuordnet. (13)
zeigt einige typische Grundsymbole, die durch reguläre Ausdrücke definiert sind.
Gebräuchliche Grundsymbole
(13)
bez ::= Buchstabe (Buchstabe + Ziffer)*
zeichenreihe ::= ’" ’Zeichen ’"’
spezial ::=’=’ + ’:=’ + ’:’ + ’#’ + ’$’ + ’::’ + ’;’ + ’<’ + ’+’ + ’*’ + ’.’
Meist unterscheiden sich Schlüsselwörter und Bezeichner in der Schreibweise nicht.
Schlüsselwörter sind dann Bezeichner mit vordefinierter Bedeutung. In manchen Programmiersprachen bestimmt sogar der Kontext, ob es sich bei einem Bezeichner um ein
Schlüsselwort handelt oder nicht (z.B. COBOL, PL/1). Algol 60 setzte ursprünglich eine
unterschiedliche Schreibweise für Schlüsselwörter und Bezeichner voraus. Fortran
benutzt eine gemischte Schreibweise: Schlüsselwörter wie DO oder COMMON schreibt
man wie Bezeichner; Schlüsselwörter wie .EQ. oder .LT., die in Ausdrücken vorkommen
können, werden durch einen vor- und nachgestellten Punkt unterschieden.
Kommentare sind spezielle Grundsymbole. Sie sind für die maschinelle Interpretation
eines Programms irrelevant. Der Programmierer kann damit Zusatzinformationen angeben, die nur den menschlichen Leser interessieren. In manchen Sprachen gibt es mehrere
Formen von Kommentaren, darunter solche, die dem Übersetzer Implementierungshinweise geben, die dieser berücksichtigen kann, aber nicht muß. In Ada heißen solche Spezialkommentare nach ihrem einleitenden Schlüsselwort Pragmas.
Beispiel: Ausschnitt aus der Syntax einer Programmiersprache
(14)
Klassendef
Klassenkopf
Klasse
::=
::=
::=
[’abstract’] ’class’ Klassenkopf ’is’ Klassenrumpf ’end’ ’;’
bez [ ’(’ (bez [’<’ Klasse] || ’,’ ) ’)’ ]
bez [ ’(’ (Klasse || ’,’ ) ’)’ ]
D2
528
D2 Programmiersprachen
Klassenrumpf
Vererbung
Attribut
Typ
PolymorpheKlasse
Methode
par
Methodenrumpf
Anweisung
::=
::=
::=
::=
::=
::=
::=
::=
::=
Zuweisung
ObjDes
::=
::=
ObMethodenaufruf ::=
Methodenaufruf
::=
Ausdruck
::=
Vergleich
relop
unop
binop
bedAnw
::=
::=
::=
::=
::=
Schleife
::=
(Vererbung ’;’ )* (Attribut ’;’)*(Methode ’;’)*
’subtype of’ Klasse | ’include’ Klasse
bez ’:’ Typ
( Klasse | PolymorpheKlasse )
’$’ Klasse
bez [ ’(’ (par || ’; ’)* ’ )’] [’:’ Typ ] ’is’ Methodenrumpf ’end’
bez ’:’ Typ
( Attribut ’;’) * ( Anweisung ’;’ )*
Zuweisung | Methodenaufruf | bedAnw | Schleife | Eingabe |
Ausgabe
ObjDes ’:=’ Ausdruck
[(#’ Klasse | Zeichenkette )| Methodenaufruf ]
( ’.’ ObMethodenaufruf )*
bez [ ’(’ ( ObjDes || ’,’ ) ’)’ ]
[ Klasse ’::’ ] ObMethodenaufruf
ObjDes | Vergleich | Konstante | unop Ausdruck|
Ausdruck binop Ausdruck |’(’ Ausdruck ’)’
Ausdruck relop Ausdruck
’<’ | ’=’ | ’>’ | ’<>’ | ’<=’ | ’>=’
’not’ | ’–’ | ’+’
’and’ | ’or’ | ’+’ | ’*’ | ’div’ | ’mod’ | ’/’’
’if’ Ausdruck then ( Anweisung ’;’ )* (’elsif’ Ausdruck ’then’
Anweisung ’;’ )*) * [ ’else’ ( Anweisung ’;’)* ] ’end’
’while’ Ausdruck ’do’ ( Anweisung ’;’ )* ’end’
Struktureller Aufbau von Programmen
(14) zeigt einen Ausschnitt der Syntax einer Programmiersprache, definiert durch eine
kontextfreie Grammatik in EBNF. Da die Semantik von Programmen in Termen der syntaktischen Elemente definiert ist, ist es günstig, wenn die syntaktische Struktur eines Programms eindeutig festgestellt und in einem Strukturbaum wie in Bild 1 festgehalten werden kann. Die Definitionen der meisten Programmiersprachen erfüllen diese Forderung
nicht; die kontextfreie Grammatik ist mehrdeutig. Ein Übersetzer muß diese Forderung
nachträglich erfüllen, indem er die Grammatik entsprechend transformiert oder indem er
Regeln der statischen Semantik zur Auflösung von Mehrdeutigkeiten benutzt.
Ausdruck
+
a
.
Bild 1
b
Ausdruck
*
*
Ausdruck
Ausdruck
c
a
+
c
b
Syntaxbäume für a + b * c
Beispiel:
Die Definition eines Ausdrucks durch die EBNF in (14) regelt nicht eindeutig, welcher
der beiden Strukturbäume in Bild 1 dem Ausdruck a + b * c zugeordnet ist. Die Grammatik läßt sich jedoch so transformieren, daß unter Berücksichtigung der üblichen Vorrangregeln der linke Strukturbaum in Bild 1 gewählt wird.
D2.3 Bindungen
529
Beispiel:
In Fortran und Ada ist syntaktisch nicht feststellbar, ob der Ausdruck a(i,j) eine indizierte Variable oder einen Funktionsaufruf mit 2 Argumenten darstellt. Dies hängt
davon ab, ob a nach den Regeln der statischen Semantik eine indizierbare Variable
benennt oder nicht.
2.2.3 Semantische Eigenschaften
Es gibt drei verschiedene Formen der Definition der Semantik von Programmiersprachen:
operationale, denotationale und axiomatische Semantik. Die denotationale Semantik
begreift ein Programm als Abbildung seiner Eingaben in seine Ausgaben; diese Abbildung
wird induktiv über die Sprachelemente definiert. Die operationale Semantik beschreibt
die Wirkung eines Programms als schrittweise Zustandsänderung der abstrakten
Maschine, die durch die Programmiersprache gegeben ist. Die axiomatische Semantik,
z.B. in [Hoare 73], geht davon aus, daß die Ein- und Ausgaben bestimmte Vor- und Nachbedingungen erfüllen. Den Sprachelementen entsprechen Axiome über die Bedingungen,
die der Zustand vor oder nach Ausführung des Elements erfüllt; mit ihrer Hilfe wird
induktiv nachweisbar, daß die Vorbedingung des Gesamtprogramms durch die Programmausführung in die Nachbedingung überführt wird. (Diese Formulierung unterstellt
Vorwärtsanalyse unter Benutzung Hoarescher Logik. Mit dem Kalkül der schwächsten
Vorbedingungen schließt man von den Nachbedingungen rückwärts.)
Die axiomatische Semantik eignet sich für Programmieranleitungen; da sie aber nur sinnvolle Kombinationen von Sprachelementen erfaßt, gibt sie dem Übersetzerbauer keine
ausreichende Auskunft in Zweifelsfällen. Funktionale Sprachen werden erfolgreich mit
denotationaler Semantik definiert. Die Sprachdefinitionen aller gängigen imperativen
Programmiersprachen verwenden operationale Semantik, indem sie einen Interpretierer
beschreiben, der die Zustandsänderungen schrittweise ausführt. Für manche Sprachen,
z.B. Lisp 1.5 [McCarthy 85] und PL/1, gibt es solche Interpretierer entweder als Programm oder als formales System. In der Praxis gibt man die denotationale bzw. operationale Semantik jedoch zumeist informell durch Sätze in natürlicher Sprache wieder. Im folgenden wird beispielhaft die operationale Semantik behandelt.
2.3 Bindungen
Alle Methoden zur Semantikdefinition handeln von den Datenobjekten während der Programmausführung und den für sie definierten Operationen. Objekte sind konstante Werte,
Variablen oder Resultate von Operationen (Zwischenergebnisse). Die Menge der Variablen heißt Zustandsraum eines Programms. Zusammen mit ihren Werten bilden sie den
Programmzustand. Operationen werden auf einem Zustand durchgeführt und ändern ihn.
Eine solche Zustandsänderung heißt Nebenwirkung (side effect).
2.3.1 Lebensdauer und Bindungen
Die Menge der möglichen Variablen ist abzählbar unendlich. Theoretisch kann man von
dieser unendlichen Menge als Zustandsraum ausgehen und die Variablen und Objekte als
immerwährend existierend voraussetzen. Praktisch genügt es, sich auf die Objekte zu
beschränken, die im Programm tatsächlich angesprochen werden können. Jedes solche
Objekt hat eine bestimmte Lebensdauer (extent), nämlich den Teil der Programmausführung, während dessen es benutzt werden kann. Man unterscheidet:
D2
530
D2 Programmiersprachen
• Persistente Objekte: Objekte, die auch vor Beginn oder nach dem Ende der Ausführung
eines Programmlaufs existieren, z.B., weil sie zu einer Datenbank gehören.
• Objekte beschränkter Lebensdauer: Diese Objekte sind im Programmtext durch
Bezeichner benannt. Sie werden bei Einführung des Bezeichners gebildet und können
gelöscht werden, wenn der zugeordnete Bezeichner ungültig wird. Die explizite Einführung eines Bezeichners und damit eines Objekts heißt Vereinbarung.
• Objekte unbeschränkter Lebensdauer: Diese Objekte sind in den heutigen Programmiersprachen zumeist anonym; sie werden durch eine explizite Operation neue Variable (new, allocate) gebildet, welche die Referenz auf die Variable als Ergebnis liefert.
Die Variable lebt mindestens so lange, wie diese Referenz als Wert einer anderen lebenden Variablen vorkommt. Objekte unbeschränkter Lebensdauer könnten auch durch
eine Vereinbarung eingeführt sein.
Im Programmtext finden sich keine Objekte, sondern Bezeichner und Operatoren (Operationssymbole) zur Benennung von Objekten und Operationen. Die Zuordnungen Bezeichner – Objekt und Operator – Operation heißen Bindungen. Die Bindung ist nur in sehr einfachen maschinennahen Sprachen umkehrbar eindeutig. In allen höheren Programmiersprachen kann ein Bezeichner oder ein Operator verschiedene Objekte oder Operationen
benennen, abhängig vom Kontext, in dem der Bezeichner oder der Operator vorkommt.
Man unterscheidet folgende Fälle:
• Statische Bindung: Sie wird durch eine Vereinbarung im Programm festgelegt. Es gibt
einen Programmteil, gegeben durch eine syntaktische Struktur, den Gültigkeitsbereich
(scope) der Bindung, in dem die Zuordnung gültig ist. Gültigkeitsbereiche können
geschachtelt sein. Die Bindungsregeln entsprechen den Regelungen über freie und
gebundene Variablen in logischen Formeln oder (geschachtelten) Integralen in der
Analysis. Da die Bindung nur die Kenntnis der syntaktischen Struktur voraussetzt,
gehören die Bindungsregeln zur statischen Semantik. Der Bezeichner in der Vereinbarung heißt Bezeichnerdefinition (defining occurrence of an identifier); alle anderen
Vorkommen des Bezeichners heißen Anwendungen (des vereinbarten Bezeichners)
(applied occurrences). Im Übersetzerbau ist die Auswertung der statischen Bindungen
als Namenanalyse bekannt.
• Dynamische oder polymorphe Bindung: Die Bindung von Operatoren, die Operatoridentifizierung, ist oft vom Typ der Operanden abhängig: a + b bezeichnet eine ganzzahlige oder eine Gleitpunktaddition, abhängig davon, ob a, b ganze Zahlen oder Gleitpunktzahlen benennen. Kann a, b durch die statische Semantik bereits ein Typ zugeordnet werden, so liegt statische Bindung vor; bei dynamischer Bindung geschieht dies
erst während der Ausführung.
• Dynamische Bindung bei Vereinbarung: Insbesondere bei rekursiven Programmstrukturen werden Bezeichner oft in zwei Schritten gebunden: Durch statische Bindung
wird den Anwendungen eine Bezeichnerdefinition zugeordnet. Wird die Vereinbarung
mehrfach ausgeführt und dadurch mehrere Objekte gebildet, so wird während der Ausführung durch dynamische Bindung jeweils das in der Schachtelung jüngste Objekt
zugeordnet.
• Dynamische Bindung bei Anwendung: Man findet sie in APL und bei interpretativer
Ausführung von Lisp: Ein Bezeichner benennt während der Ausführung das jeweils
jüngste unter diesem Bezeichner eingeführte Objekt. Der syntaktische Kontext der
Anwendung des Bezeichners wird im Unterschied zum vorigen Fall nicht berücksichtigt. Diese Regelung hat sich, insbesondere bei Programmänderungen, als äußerst fehleranfällig erwiesen.
D2.3 Bindungen
531
• Bindung bei Programmstart: Sie stellt einen Zwischenschritt zwischen statischer und
dynamischer Bindung dar. In COBOL werden bei Programmstart die vom Betriebssystem verwalteten Dateien den in der environment section des Programms vereinbarten
Dateibezeichnern zugeordnet. Danach ist diese Bindung unveränderlich.
Vereinbarungen spielen also eine Doppelrolle: Sie führen zur Bildung von Objekten und
sind damit ausführbare Operationen. Außerdem spezifizieren sie eine Bindung Bezeichner – benanntes Objekt, die oft statisch ausgewertet werden kann.
2.3.2 Statische Bindung und Blockstruktur
Die Zusammenfassung lokaler Vereinbarungen und eines Anweisungsteils heißt Block.
Der Vereinbarungsteil eines Blocks kann ebenso wie der Anweisungsteil (Unter-)Blöcke
enthalten. (15) zeigt einen Block B mit Unterblock C. Die Blockstruktur ist in allen Programmiersprachen Grundlage der statischen Gültigkeitsbereichsregeln und kann durch
geschachtelte Rechtecke mit den in ihnen enthaltenen Vereinbarungen wie in Bild 2 dargestellt werden. Ein Bezeichner x heißt sichtbar an einer Programmstelle, wenn er in
einem der die Programmstelle umgebenden Blöcke vereinbart ist. Ist x im innersten Block
vereinbart, dann heißt x lokaler Bezeichner, sonst heißt x global. In (15) sind im Anweisungsteils des Blocks B die Bezeichner B, x, y und C sichtbar. Im Anweisungsteil des
Blocks C sind die Bezeichner B, C, x, y und z sichtbar. Man beachte, daß die beiden y zwei
verschiedene Objekte bezeichnen: das y im Anweisungsteil von C ist der Vereinbarung in
C zugeordnet, das im Anweisungsteil von B der Vereinbarung in B.
Beispiel: Blöcke in Ada
(15)
B: declare
x: FLOAT;
y: BOOL;
C: declare y,z: FLOAT;
begin
z := x; y := z; x := z + y;
end C
begin
y := (x=3);
end B
B
-- y verdeckt das y von B
-- y ist das in C vereinbarte y, x ist in B vereinbart
-- y ist das in B vereinbarte y
x:FLOAT
y:BOOL
C
Bild 2
y:FLOAT
z:FLOAT
Graphische Darstellung der Blöcke in (15)
Die Umgebung einer Programmstelle ist die Menge aller an ihr sichtbaren Bezeichner
samt deren Vereinbarungen. Vereinbart ein innerer Block ebenfalls einen Bezeichner x,
dann wird die Vereinbarung von x des äußeren Blocks verdeckt. In (15) verdeckt die Vereinbarung von y im Block C die Vereinbarung von y im Block B.
D2
532
D2 Programmiersprachen
Sprachen, die explizit oder implizit Blöcke als Konzept kennen, heißen blockstrukturierte
Programmiersprachen. Die meisten blockstrukturierten Programmiersprachen können
unbeschränkt viele Blöcke ineinander schachteln. In Fortran sind jedoch nur drei erlaubt.
2.4 Datentypen und Ausdrücke
Variablen und ihre Werte können nach verschiedenen Gesichtspunkten klassifiziert werden. Typen partitionieren die Menge der Werte nach den auf sie anwendbaren Operationen. im Sinne der Theorie abstrakter Datentypen in Abschnitt 2.1.1.
Der Typ einer Variablen definiert die Menge ihrer möglichen Werte. Technisch ist jeder
Wert durch eine Bitfolge codiert; der Typ definiert die Interpretation solcher Bitfolgen als
ganze oder Gleitpunktzahlen, als boolesche Werte, Texte, Gruppen solcher Werte usw.
Hängt die Interpretation und damit der Typ von der jeweils ausgeführten Operation ab, so
heißt die Programmiersprache typfrei, sonst typisiert oder typgebunden. Typisierte Sprachen können in zwei Richtungen weiter klassifiziert werden: Besitzt jede Variable und
jeder Wert einen festen, unveränderlichen Typ, so heißt die Sprache statisch typisiert.
Kann sich der Typ einer Variablen durch Zuweisung eines neuen Wertes ändern, heißt sie
dynamisch typisiert. Die Typbindung heißt stark, wenn nur die für den jeweiligen Typ
definierten Operationen zulässig sind. Sie heißt schwach, wenn es Lücken in der Typkontrolle gibt.
Beispiel:
Die Programmiersprache Pascal besitzt an sich statische, starke Typbindung. Beim
Umgang mit Verbunden mit Varianten wird jedoch nicht geprüft, ob der Variantenzeiger tatsächlich richtig gesetzt ist, wenn auf eine Komponente einer Variante zugegriffen wird. Hier ist die Typisierung nicht lückenlos. Zu den Sprachen mit schwacher Typbindung gehören auch C, COBOL, Fortran, Eiffel, Lisp und Prolog.
Beispiel:
Bei der Datenkommunikation werden Bitfolgen ohne Rücksicht auf ihre Bedeutung
umcodiert und übertragen. Zur effizienten Berechnung einer Haschfunktion aus einem
Bezeichnertext werden Teile der Codierung des Textes als ganze Zahl uminterpretiert.
Eine starke, lückenlose Typbindung ist in diesen Fällen hinderlich.
Beispiel:
Funktionale und manche objektorientierte Sprachen wie Sather und Java sind zwar
stark typisiert. Jedoch läßt sich bei polymorphen Aufrufen der Typ nicht statisch aus
dem Programmtext ableiten. Hier liegt dynamische Typbindung vor. Die vorgenannten
Sprachen garantieren durch statische Analyse, daß ein korrektes Programm zur Laufzeit keine Typfehler liefert. In Smalltalk gibt es keine Möglichkeit, durch statische
Analyse vorab Typfehler vollständig auszuschließen.
2.4.1 Grundtypen
Auf Objekte der Grundtypen kann nur als Ganzes zugegriffen werden. Im wesentlichen
sind in allen Programmiersprachen die Grundtypen INT, FLOAT, CHAR und BOOL für
ganze Zahlen, Gleitpunktzahlen, Zeichen und Wahrheitswerte gebräuchlich.
Der Typ INT der ganzen Zahlen ist im allgemeinen auf den für die Zielmaschine verfügbaren Ausschnitt der ganzen Zahlen beschränkt. Deshalb gibt es eine kleinste ganze Zahl
minint und eine größte ganze Zahl maxint; bei arithmetischen Operationen kann Überlauf
D2.4 Datentypen und Ausdrücke
533
auftreten. Manche Programmiersprachen fordern in diesem Fall eine Fehlermeldung
(Algol 68, Pascal, Modula-2, Modula-3 und Ada); andere erlauben auch die Implementierung als Ring ohne Überlauffehlermeldungen (C, C++). Abgesehen vom Überlauf verhalten sich die arithmetischen Operationen bis auf die Division div und die Berechnung des
Restes mod, wie in der Mathematik üblich. In vielen Programmiersprachen wird bei x div
y immer zur 0 hin gerundet. Beispielsweise ergibt in Pascal die Berechnung – 3 div 2 = –
1 und 3 div 2 = 1. Die Berechnung des Restes ist der Definition der Division angepaßt.
Ähnlich dem Typ der ganzen Zahlen bietet der Typ FLOAT der Gleitpunktzahlen die üblichen arithmetischen Operationen an. Die Gleitpunktarithmetik ist letztlich durch die Zielmaschine definiert, die heute meist die IEEE-Norm erfüllt. Neben den arithmetischen
Operationen gibt es noch eine Operation inttoflt: INT → FLOAT, die ganze Zahlen in Gleitpunktzahlen konvertiert. Manche Programmiersprachen bieten zusätzlich zum Typ
FLOAT den Typ DOUBLE der Gleitpunktzahlen mit doppelter Genauigkeit an sowie Konvertierungsoperationen zwischen diesen beiden Typen.
Der Typ CHAR beschreibt den Zeichensatz der Zielmaschine, z.B. die Zeichen nach
ISO 8859-1. Die Zuordnung der Zeichen zu ganzen Zahlen ist in manchen Programmiersprachen durch Operationen ord: CHAR → INT und char: INT → CHAR explizit zugänglich. Dann können auch Zeichen mit < oder > miteinander verglichen werden.
In manchen Programmiersprachen wird true mit 1 und false mit 0 identifiziert. Mit dieser
Einbettung in den Typ INT ist auch ein Vergleich zweier Werte vom Typ BOOL mit < oder
> möglich. In C gibt es keinen Datentyp BOOL, sondern nur diese Einbettung in INT.
In einigen Sprachen, darunter Pascal, Modula und Ada, gibt es zusätzlich Ausschnitts- und
Aufzählungstypen:
Ausschnittstypen definieren eine Teilmenge aufeinanderfolgender ganzer Zahlen oder
Einzelzeichen. (16) zeigt die Definition eines Ausschnittstyps in Ada. Die Operationen
der Ausschnittstypen werden wie beim Typ INT oder CHAR ausgeführt, nur tritt Überlauf
schon dann ein, wenn der Ausschnitt verlassen wird.
Beispiel: Ausschnittstypen in Ada
(16)
subtype INTAUSSCHNITT is INTEGER range 3..45;
subtype CHARAUSSCHNITT is CHAR range ’A’..’Z’
Aufzählungstypen zählen ihre Werte explizit auf. (17) zeigt die Definition von Aufzählungstypen in Ada. Auf den Aufzählungstypen sind eine Ordnung < entsprechend der Reihenfolge der Aufzählung der Werte und damit die Operationen succ und pred definiert, die
den nächsten größeren bzw. kleineren Wert liefern. In C werden die Werte eines Aufzählungstyps als ganzzahlige Konstanten interpretiert.
Beispiel: Aufzählungstyp in Ada
(17)
type FARBE is (rot, grün, blau)
2.4.2 Zusammengesetzte Typen
Gegeben seien k Ausschnittstypen I1, I2, …, In und ein Typ T. Dann ist die Menge der
Abbildungen RT: I1 × … × In → T ein k-stufiger Feldtyp (array type) mit Indexmengen I1,
I2, …, In und Elementtyp T. Ein Feld a dieses zusammengesetzten Typs besteht aus
| I1 | × … × | In | Elementen. Die Elemente sind durch Indizierung a[i1, …, ik], ij ∈ Ij,
zugänglich. Außer in den Sprachen Pascal und Modula sind nur Ausschnitte des Typs INT
der ganzen Zahlen als Indexmengen zugelassen. Fortran legt die Untergrenze der Ausschnitte einheitlich mit 1, C, C++ und andere Sprachen mit 0 fest. In diesen Fällen wird
der Ausschnitt durch seinen Umfang charakterisiert.
D2
534
D2 Programmiersprachen
Die Anzahl k der Stufen und der Elementtyp T gehören auf jeden Fall zum Feldtyp.
Bezüglich des aktuellen Umfangs unterscheidet man nach dem Bindezeitpunkt drei Fälle:
• Statisches Feld: Die Indexmengen Ij gehören zum Typ. Ihre Unter- und Obergrenzen
müssen im Programm durch statisch berechenbare Konstanten gegeben sein. Statische
Felder gibt es z.B. in Fortran, Pascal, Modula-2 und C. Sie bilden die einzigen Feldtypen, die auch theoretisch sauber behandelt werden können.
• Dynamisches Feld: Die Grenzen gehören nicht zum Typ. Sie werden bei Bildung eines
Feldobjekts, z.B. durch eine Vereinbarung, festgelegt und sind dann fest. Beispiele
sind die Feldtypen in Algol 60, PL/1 und Ada, sowie die offenen Felder in Pascal und
Modula.
• Flexibles Feld: Die Grenzen gehören nicht zum Typ. Sie können sich bei jeder Zuweisung an eine Feldvariable ändern. Flexible Felder wurden zuerst in Algol 68 eingeführt. Sehr häufig werden in C Zeigervariablen wie flexible Felder benutzt.
Beispiel: Felddeklarationen in verschiedenen Programmiersprachen
(18)
a: array[1..100, 1..100] of real;
Pascal und Modula
double a[100] [100];
C
DOUBLE a(100,100);
Fortran
flex [1:100, 1:100] real a;
Algol 68
a: array (INTEGER range<>, INTEGER range<>) of FLOAT Ada
(18) zeigt die Typvereinbarungen zweidimensionaler Matrizen in verschiedenen Programmiersprachen. Aus mehrstufigen Feldern lassen sich in manchen Sprachen Teilfelder
niedrigerer Stufe ausblenden. Zum Beispiel erlaubt Fortran Vektoroperationen für Felder:
a(0:9) + b(0:9) bezeichnet die elementweise Addition der ersten 10 Elemente der Felder
a und b.
Spezialfälle einstufiger Feldtypen sind Texte und (in eingeschränkter Form) Mengen:
Zeichenreihen (strings) oder Texte sind Folgen von Einzelzeichen. Sie können verkettet
werden. In Sprachen wie Pascal kann auf die Einzelzeichen von Texten wie bei Feldern
mit Index zugegriffen werden. Snobol und zahlreiche Makrosprachen machen Texte sogar
zu den grundlegenden Werten, mit denen gearbeitet wird. Bei Texten statisch fester Länge
ist die Konkatenation problematisch. Textverarbeitungssprachen wie Snobol benutzen
daher flexible Felder zur Repräsentation von Texten; in Pascal ist der Typ text als file of
char, also als Spezialfall des abstrakten Datentyps SEQ(CHAR) definiert.
Einstufige Felder mit dem Elementtyp Bool sind charakteristische Funktionen über ihrer
Indexmenge I und beschreiben daher eine Teilmenge dieser Indexmenge. In Pascal und
Modula hat man hierfür eine spezielle Notation set(I) eingeführt und erlaubt als Grundoperationen auch die üblichen Mengenoperationen Vereinigung, Durchschnitt, Differenz
und Test, ob Element vorhanden.
Verbundtypen definieren kartesische Produkte von Typen T1, T2, …, Tk. (19) zeigt die
Definition von Verbundtypen in verschiedenen Programmiersprachen. Die Variablen t1,
…, tk bezeichnen die k Komponenten eines Verbundtyps. Die Projektion auf die i-te Komponente eines Verbundobjekts x, eine Komponentenselektion, wird in den meisten Programmiersprachen mit x.ti bezeichnet. Mögliche Werte eines Verbundobjekts sind Tupel
von Werten der Einzeltypen. Der Verbundwert kann durch Einzelzuweisung der Komponenten bestimmt werden, siehe Abschnitt 2.5.1. In manchen Sprachen, z.B. Ada und C,
können die Tupel explizit als Aggregate angegeben werden. Die Komponentenbezeichner
ti und die Komponententypen sind Teil des Verbundtyps. In vielen funktionalen Sprachen
sind die Komponenten allerdings unbezeichnet und können nur durch Positionsangabe –
erste, zweite, … Komponente des Tupels – ausgewählt werden.
D2.4 Datentypen und Ausdrücke
Beispiel: Verbundtypen in verschiedenen Programmiersprachen
type T = record t1:T1; …; tk:Tk; end;
Pascal, Modula und Ada
typedef struct{T1 t1; …; Tk tk} T
C
535
(19)
2.4.3 Variablen in imperativen Sprachen, Zeigertypen
Eine Variable in einer imperativen Programmiersprache ist ein Exemplar des abstrakten
Datentyps Variable(T) aus (7). Außer in Lisp, funktionalen und objektorientierten Sprachen wird durchgängig Wertsemantik verwendet. Die Variable ist damit ein Tripel (Referenz, Behälter, Wert) mit der Referenz als unveränderlichem Kennzeichen. Der Behälter
ist die eigentliche Variable, sein Inhalt ist ihr Wert. Die Variable heißt eine Konstante,
wenn der Wert unveränderlich ist. Wenn man zwischen Variablen und Konstanten nicht
unterscheiden will, spricht man von Größen, Angaben oder Objekten. Wird ein solches
Objekt durch einen Bezeichner bez, eine indizierte Benennung a[i] oder eine Komponentenselektion x.t angesprochen, so sind diese Benennungen an eine Zugriffsfunktion
gebunden, deren Berechnung den Zeiger und dann bei Bedarf den Wert des Objekts liefert. In BCPL und C wird der Zeiger und der Wert auch als left hand und right hand value
der Variablen bezeichnet. Der Übergang zum Wert einer durch Zeiger gegebenen Variablen heißt Dereferenzieren.
In älteren Programmiersprachen wie Fortran, COBOL oder Algol 60 treten Zeiger und das
Dereferenzieren nicht explizit in Erscheinung. Algol 68, Pascal und alle neueren Sprachen
kennen Zeiger als explizite Werte eines Zeigertyps pointer to T mit T als dem Bezugstyp.
Dereferenzieren setzt voraus, daß das angesprochene (Bezugs-)Objekt existiert (Problem
der dangling references); die meisten Sprachen beschränken die Wertmenge von Zeigertypen daher auf Referenzen von Objekten unbeschränkter Lebensdauer. Neben dem Dereferenzieren können anonyme Objekte des Typs T erzeugt werden. Die Erzeugung eines
anonymen Objekts liefert einen Zeiger auf dieses Objekt. Es ist auch üblich, leere Zeiger
einzuführen, die auf kein Objekt verweisen. Die leeren Zeiger heißen nil (z.B. Pascal,
Modula) oder void (z.B. C, C++). Der Vergleich zweier Zeiger liefert genau dann true,
wenn die Zeiger auf das gleiche anonyme Objekt verweisen oder beide Zeiger leer sind.
In C wird zur Erklärung von Referenzen auf die Implementierung mit Hilfe von Adressen
zurückgegriffen: Zusätzlich zum Dereferenzieren sind auch die für Adressen zulässigen
Verknüpfungen mit ganzen Zahlen erlaubt: Ist r eine Referenz und i eine ganze Zahl, so
haben r + i und die indizierte Benennung r[i] die gleiche Bedeutung; das Problem der
dangling references wird ignoriert.
Mit Zeigertypen lassen sich rekursive Datenstrukturen definieren, in denen Referenzen
auf den Gesamttyp eines zusammengesetzten Objekts zugleich als Elemente vorkommen.
(20) zeigt die Definition eines Typs BINOP, mit dem zwei Ausdrücke über binäre Operatoren verknüpft werden können.
Beispiel: Zeigertypen in Ada
(20)
type BINOP is record left, right: access BINOP; operator: STRING; end;
Funktionale Sprachen und im Standardfall objektorientierte Sprachen wie Smalltalk, Eiffel und Java betrachten jeden Typ als Zeigertyp; sie verwenden also Referenzsemantik.
Der Übergang zum Wert des Objekts, das Dereferenzieren, erfolgt nur, wenn der Kontext
dies zwingend erfordert.
D2
536
D2 Programmiersprachen
2.4.4 Vereinigungstypen und polymorphe Typen
Ein Vereinigungstyp beschreibt eine disjunkte Vereinigung von Typen T1, …, Tk. Objekte
dieses Typs können wahlweise Werte eines der Typen Ti annehmen. (21) zeigt die Vereinbarung einer Variablen x mit Vereinigungstyp. Auch C und C++ besitzen Vereinigungstypen. In diesen Sprachen wird nicht geprüft, ob die Operationen mit einem Objekt eines
solchen Typs auch für den aktuellen Wert und seinen Typ legal sind.
Beispiel: Vereinigungstypen in Algol 68
(21)
mode T = union(T1, …,Tk);
T x;
Sei T1 ein Verbundtyp mit Feld t1 und x eine Variable vom Typ union(T1, INT). Dann
ist der Zugriff x.t1 auf die Komponente t1 von x nur dann erlaubt, wenn T1 der Typ des
aktuellen Wertes von x ist.
Andere Programmiersprachen erlauben an Stelle von Vereinigungstypen variante Verbunde (Pascal, Modula, Ada). (22) zeigt, wie in Ada ein Typ OP mit den Varianten BINOP
und CONST (Konstante) definiert wird. Ähnliche Definitionen erlauben Pascal und
Modula. Zur Definition eines varianten Verbundes sollte eine Komponente diskr: A eines
Aufzählungstyps mit den entsprechenden Varianten, der Variantenzeiger, vorhanden sein.
Der Wert dieser Komponente legt die Variante des aktuellen Werts fest. Zusätzlich kann
man Komponenten, die allen Varianten gemeinsam sind, im gemeinsamen Teil vor der
Variante definieren. Wegen der varianten Verbunde müssen in Pascal, Modula und Ada
Typprüfungen zur Laufzeit erfolgen. Sonst wären diese Programmiersprachen statisch
typisiert. In Pascal und Modula kann der Variantenzeiger sogar fehlen. In Ada kann man
bei der Vereinbarung einer Variablen angeben, welche Variante ausgewählt wird: x:
BINOP(kind => op) gibt an, daß bei x die Variante op ausgewählt wird. Die Variable x
kann dann nur Werte dieser Variante enthalten.
Varianter Verbund in Ada
(22)
type BINOP(kind:(const,op)) is
record
case kind is
when const => val:T
when op => left,right: access BINOP; operator:(’*’,’+’);
end case;
end record;
Ein Vereinigungstyp heißt polymorph, wenn die Interpretation der auf ein Objekt angewandten Operatoren oder Prozeduren vom Typ des aktuellen Werts abhängt. Dies entspricht der polymorphen Bindung von Operationssymbolen in Abschnitt 2.3.1. Das polymorphe Auswahlverfahren kann ein- oder mehrstufig sein: In Smalltalk, Eiffel, C++ und
Java hängt die Auswahl der Operation nur vom ersten Operanden ab, was auch syntaktisch
unterschieden wird: a + b ist eine Kurzschreibweise für a.plus(b) mit a als ausgezeichnetem ersten Operanden. In C++ muß der Operator oder die Prozedur explizit als virtuell
vereinbart sein. In CLOS hängt die Auswahl von sämtlichen Operanden (oder Prozedurargumenten) ab. Die Elementtypen eines polymorphen Vereinigungstyps heißen auch
Untertypen des polymorphen Typs.
Polymorphe Vereinigungstypen gibt es in allen objektorientierten Sprachen. In funktionalen Sprachen gibt es das gleiche Konzept, jedoch werden die polymorphen Typen nicht
explizit benannt, sondern ihre Elementtypen aus dem Kontext bestimmt.
D2.4 Datentypen und Ausdrücke
537
2.4.5 Typäquivalenz
Bei der Übergabe von Objekten als Prozedurparameter oder allgemeiner bei der Übergabe
eines Objekts zwischen verschiedenen Modulen oder Klassen einer modularen oder
objektorientierten Sprache wechselt der Objekttyp im allgemeinen nicht. Es muß daher,
wie bereits in Abschnitt 2.1.3 erwähnt, festgestellt werden können, ob und wann die auf
beiden Seiten einer solchen Schnittstelle erklärten Typen als gleich gelten. In der Nachfolge von Pascal verwendet man dazu in allen neueren Sprachen Namensgleichheit: Zwei
Typen gelten als gleich, wenn sie gleich benannt sind. Damit wird zugleich das Geheimnisprinzip an Modulgrenzen gewahrt: Ein Modul kann Objekte benutzen, deren Repräsentation, wie sie in der Typdefinition zum Ausdruck kommt, verborgen bleibt. Bei Strukturgleichheit sind zwei Typen äquivalent, wenn ihre Algebren als abstrakte Datentypen
betrachtet isomorph sind. Namensgleichheit bereitet bei Feldern Schwierigkeiten: Wird
etwa ein Statistikpaket und ein Modul mit Routinen der linearen Algebra zusammengesetzt, so kommen in beiden Teilen Typen für Vektoren und Matrizen vor, die zwar austauschbar, aber eventuell unterschiedlich benannt sind. Daher benutzt man als Ausnahme
von der Regel für Felder Strukturäquivalenz.
Namens- oder Strukturgleichheit bestimmen jeweils eine Äquivalenzrelation auf der
Menge der Typen eines Programms. In (23) sind die Typen von u, v, w, x, y, z alle strukturgleich, während die Typen von x und y bzw. von u und v namensgleich sind. Auch die
beiden Typen C und D sind strukturgleich. Die Typen von x und z bzw. u und w sind natürlich nicht namensgleich. Bei der Strukturgleichheit dynamischer und flexibler Felder wird
die Anzahl der Stufen und der Elementtyp berücksichtigt, nicht jedoch die Anzahl der Elemente.
Beispiel: Typäquivalenz
(23)
type A = record a: integer; b: real end;
type B = record a: integer; b: real end;
x: A;
y: A;
z: B;
u,v: record a: integer; b: real end;
w: record a: integer; b: real end;
type C = record i: integer; j: pointer to C end;
type D = record i: integer; j: record i: integer; j: pointer to D end;
2.4.6 Ausdrücke
Ausdrücke berechnen (Zwischen-)Ergebnisse durch Anwendung von Operationen auf ihre
Operanden. Im Sinne von Abschnitt 2.1.1 kann man Ausdrücke syntaktisch auch als
Terme mit Variablen betrachten, wobei die Signatur durch die Sprachdefinition und das
Programm (siehe Abschnitt 2.5.2) festgelegt ist.
Ein Ausdruck regelt zunächst die Reihenfolge der Operandenzugriffe und der Operationen. Diese beiden Reihenfolgefestlegungen sind deutlich zu unterscheiden: Da in der
Rechnerarithmetik weder für ganze noch für Gleitpunktzahlen das Assoziativgesetz gilt,
legen die meisten Programmiersprachen explizit fest, daß Ausdrücke wie a + b + c von
links nach rechts ausgewertet werden, also zuerst a + b berechnen und danach c addieren.
Daraus folgt jedoch nicht, daß zuerst auf den Operanden a, danach auf b und zum Schluß
auf c zugegriffen werden muß. Vielmehr stellen es die meisten Programmiersprachen frei,
in welcher Reihenfolge die Operanden bereitgestellt werden.
D2
538
D2 Programmiersprachen
Beispiel:
In Pascal (und ebenso in Ada und vielen anderen Sprachen) muß zwar ein Ausdruck
i + j + f(i, j) linksassoziativ als (i + j) + f(i, j) interpretiert werden. Sollte jedoch die
Funktion f durch
function f (var a,b: integer) : integer; begin a := a + 1; b := b – 1; f := a + b end;
mit Nebenwirkungen auf die Werte der Argumente i, j vereinbart sein, so läßt sich das
Ergebnis nicht vorhersagen: Der Funktionsaufruf f(i, j) könnte sowohl vor wie auch nach
den Zugriffen auf die Werte der Variablen i, j stattfinden. Es bleibt offen, ob die Nebenwirkungen des Aufrufs auf die Werte von i, j bereits eingetreten sind oder noch nicht.
Praktisch ist dies nicht zu beanstanden, da unter solchen Umständen das Gebot der sauberen und verständlichen Programmierung auch für den menschlichen Leser verletzt ist.
Die Idealforderung, daß Funktionsaufrufe keine Nebenwirkungen haben dürfen, kollidiert
in objektorientierten Sprachen mit den Konsequenzen des Geheimnisprinzips und in allen
Sprachen mit den praktischen Bedürfnissen beim Programmtest und findet sich daher in
keiner der gängigen Programmiersprachen.
Die zulässigen Operationen ergeben sich aus den Typisierungsvorschriften der Sprache.
Die Anwendung der Operationen ist durch Regeln definiert, bei denen die Operatoren der
Ausdrücke auf Operationen auf dem entsprechenden Typ abgebildet werden.
Beispiel:
Die Funktion eval definiert die Auswertung von Ausdrücken, wie sie typisch für viele
Programmiersprachen ist. In imperativen Programmiersprachen, ist sie immer als
Berechnung in einem bestimmten Zustand zu verstehen. Die folgende Gleichung zeigt
einen Ausschnitt einer Definition, wobei e1 = eval(E1) und e2 = eval(E2) ist.
eval(x)
= content(x)
eval(E1 + E2) = e1 ⊕ e2
falls (type(e1) = INT) ∧ (type(e2) = INT)
falls (type(e1) = INT) ∧ (type(e2) = FLTD)
= inttoflt(e1 ◊ e2)
= e1 ◊ inttoflt(e2)
falls (type(e1) = FLTD) ∧ (type(e2) = INT)
= e1 ◊ e2
falls (type(e1) = FLTD) ∧ (type(e2) = FLTD)
content ergibt den Wert einer Variablen, type den Typ eines Wertes, ⊕ definiert die
Addition auf ganzen Zahlen und ◊ definiert die Addition auf Gleitpunktzahlen. Wichtig
ist in diesem Zusammenhang die Unterscheidung zwischen den Operationen der Typen
INT und FLT und dem Operatorsymbol +. Erstere gehören zu den entsprechenden
Algebren, letzteres ist Teil der Syntax der Programmiersprache.
Operatoren in Ausdrücken, die durch eval abhängig vom Typ der Operanden auf Operationen bestimmter Typen abgebildet werden, nennt man überladen. Ist der Wert eines
Operanden vom Typ T, wird aber ein Wert eines Typs T' erwartet, dann wird der gegebene
Wert an den Typ angepaßt.
Beispiel:
Der Operator „+“ in Ausdrücken ist überladen. Er wird abhängig vom Typ der Operanden auf die Addition ganzer Zahlen ⊕ oder auf die Addition von Gleitpunktzahlen ◊
abgebildet. Ist einer der Operanden von „+“ vom Typ INT und der andere vom Typ FLT,
dann wird der Operand vom Typ INT mit inttoflt automatisch an FLT angepaßt. Sowohl
das Überladen arithmetischer Operatoren als auch das Anpassen von ganzen Zahlen an
Gleitpunktzahlen ist in den meisten Programmiersprachen gebräuchlich. Die Anpassung erfolgt oft automatisch, kann aber auch durch explizite Konvertierungsoperationen wie inttoflt oder flttoint (mit Rundung) explizit geschrieben werden.
D2.5 Sequentielle Ablaufsteuerung
539
In stark typisierten funktionalen Sprachen werden in der Signatur meist keine expliziten
Typen, sondern nur Typvariablen angegeben. Der Typ der Operationen, Variablen und
Konstanten wird durch Typinferenz aus dem Programmtext bestimmt. Jede Typvariable
wird dabei durch den allgemeinsten zulässigen parametrisierten Typ ersetzt.
Boolesche Ausdrücke berechnen Wahrheitswerte. In den meisten Programmiersprachen
ist dies durch Kurzauswertung definiert, die gar nicht alle Operanden berechnet.
eval(E1 ∧ E2) = false
falls eval(E1) = false
= eval(E2)
falls eval(E1) = true
eval(E1 ∨ E2) = true
falls eval(E1) = true
= eval(E2)
falls eval(E1) = false
Ada bietet für die Kurzauswertung (and then, or else) und für die vollständige Auswertung (and, or) verschiedene Operatoren an.
2.5 Sequentielle Ablaufsteuerung
Nach den theoretischen Erkenntnissen über while-Sprachen genügen bedingte Ausdrücke
bzw. Anweisungen zusammen mit Schleifen oder rekursiven Funktionen, um beliebige
Algorithmen auszudrücken. In imperativen Sprachen ist zusätzlich die Zuweisung erforderlich. Das Prinzip der prozeduralen Abstraktion führt zwingend zur Einführung von
Prozeduren (oder Funktionen) und entsprechenden Aufrufen. Die Ablaufsteuerung definiert, wie diese Anweisungen ausgeführt werden und damit der Gesamtablauf eines Programms gesteuert wird.
In maschinennahen Sprachen sind unbedingte und bedingte Sprünge sowie Unterprogrammsprünge das wesentliche Hilfsmittel der Ablaufsteuerung. Allerdings sind Sprünge
nur dann für den Programmierer sinnvoll, wenn der Befehlszähler des Rechners explizit
wie eine Variable behandelt werden kann, und Sprünge demnach als zustandsverändernde
Zuweisungen an den Befehlszähler angesehen werden. Dies ist nur naheliegend, wenn
endliche Automaten als Programmiermodell verwendet werden (siehe hierzu [Knuth 74]).
Ferner kann die unbeschränkte Verwendung von Sprüngen bei der Programmanalyse zu
irreduziblen Ablaufgraphen führen und damit den Übersetzer bei der Programm- und
Datenflußanalyse erheblich beschränken. Auf Sprünge wird im folgenden nicht eingegangen.
In imperativen, höheren Sprachen ist die Zuweisung die wesentliche, zustandsverändernde Operation. Die Zustandsänderung ist eigentlich eine Nebenwirkung. Andere
Sprachelemente können durch die in ihnen enthaltenen Zuweisungen ebenfalls Nebenwirkungen hervorrufen.
Schleifen setzen zwingend Variablen wie in imperativen Sprachen voraus. In funktionalen
und logischen Programmiersprachen ohne einen solchen Variablenbegriff gibt es daher
nur bedingte Ausdrücke und rekursive Funktionen; Schleifen treten nur als Abkürzungen
für rechtsrekursive Funktionen auf.
Zur Ablaufsteuerung in parallelen Programmen siehe Kapitel D4, zur Ablaufsteuerung in
logischen Programmen Kapitel D6.
D2
540
D2 Programmiersprachen
2.5.1 Zuweisungen, bedingte Anweisungen und Schleifen
Zuweisungen
Nach einer Zuweisung x := e besitzt die Variable x das Ergebnis der Berechnung des Ausdrucks e als Wert. Der Typ des Resultats von e muß an den Typ von x automatisch anpaßbar sein. Diese Definition ist typisch für zustandsorientierte Programmiersprachen. In
COBOL werden Zuweisungen anders geschrieben. Bild 3 zeigt Beispiele
Bemerkung:
Zuweisungen wie x := x + 3 können in manchen Programmiersprachen abgekürzt werden, z.B. in C zu x += 3, in Algol 68 zu x +:= 3 und in Modula 3 zu INC(x, 3). Einige
Sprachen (z.B. Algol 60 und PL/1) erlauben auch Zuweisungen l1, …, lk := e mit mehreren Zielen. Die parallele Zuweisung (x, y) := (a1, a2) kommt in gängigen Programmiersprachen nicht vor.
Anweisung
Bedeutung
MOVE a TO b
b := a
ADD 3 TO x
x := x + 3
MULTIPLY x BY y GIVING z
z := x * y
Bild 3
COBOL-Zuweisungen.
Bedingte Anweisungen
Beim Ausführen einer bedingten Anweisung if b then S1 else S2 wird zuerst die boolesche
Bedingung b berechnet. Ergibt sie true, dann werden die Anweisungen S1 ausgeführt,
sonst die Anweisungen S2. Fehlt der else-Zweig und ist das Resultat der Auswertung von
b false, dann wird gar keine Anweisung ausgeführt. Bei geschachtelten bedingten Anweisungen if b then if b' then S1 else S2 bleibt unklar, ob die Nein-Alternative zur inneren oder
äußeren Bedingung gehört, wenn die Klammerung nicht ausdrücklich festgelegt ist (Problem des dangling else).
Fallunterscheidung
In einer Fallunterscheidung wie in (24) muß der Fallausdruck e ein Ergebnis eines der
Typen INT, BOOL oder CHAR liefern. Die Fallmarken l1, …, lk müssen Konstanten desselben Typs wie das Resultat von e und alle verschieden sein. In Pascal, Ada und Modula
darf das Resultat von e auch einen Aufzählungstyp haben. Fortran kennt keine Fallunterscheidung. In C und C++ werden Fallunterscheidungen mit dem Schlüsselwort switch
eingeleitet. Die Fallunterscheidung hat dann die Bedeutung der bedingten Anweisung
if e=l1 then S1 else if e = l2 then S2 else… else if e=lk then Sk else S0
wobei e nur einmal berechnet wird. Die Reihenfolge der Fälle ist nur dann wichtig, wenn
gleiche Fallmarken oder andere Typen, z.B. Texte für Fallmarken, zugelassen sind.
Beispiel: Fallunterscheidung
(24)
case e of
l1: S1
…
lk: Sk
else So
end;
D2.5 Sequentielle Ablaufsteuerung
541
Objektorientierte Sprachen und andere Sprachen mit Vereinigungstypen bieten Fallunterscheidungen nach Typen an, mit denen für polymorphe Variablen unterschiedliche
Anweisungen ausgeführt werden, abhängig vom Typ des augenblicklichen Variablenwertes.
Schleifen
Die Bedeutung der Schleife while b loop S wird auf die bedingte Anweisung
if b then S; while b loop S;
zurückgeführt: Wenn die boolesche Schleifenbedingung b wahr ist, wird S ausgeführt und
die Schleife wiederholt, sonst endet die Schleife. Die Schleife heißt leer, wenn b bereits
zu Beginn falsch ist. Manche Programmiersprachen bieten eine spezielle Anweisung zum
Beenden einer Schleife an, z.B. C und C++ die Anweisung break und Ada die Anweisung
exit. Bei geschachtelten Schleifen kann man die einzelnen Schleifen auch benennen und
dann mit exit name bestimmen, welche Schleife verlassen werden soll.
Bei Verwendung von break oder exit kann man auf die While-Bedingung verzichten. Pascal und Modula bieten Schleifen repeat S until b an, bei denen die Bedingung erst am
Schleifenende geprüft wird.
Die Anzahl der Wiederholungen ist zu Beginn unbekannt. Namentlich zur Bearbeitung
von Feldern benötigt man zusätzlich Zählschleifen for i := e1 to e2 step c do S, um Anweisungen mit wechselndem Index, aber fester Anzahl von Wiederholungen auszuführen.
Man findet sie etwa in Pascal, Modula, C, Fortran mit wechselnder Syntax und subtilen
Unterschieden der Semantik. Zum Beispiel könnte die Bedeutung dieser Schleife durch
i: integer;
i := e1;
while i ≤ e2 loop S; i := i + c
gegeben sein. Die letzte Addition i + c könnte dann allerdings zum Überlauf führen; auch
würde der Schleifenzähler i nach Ende der Schleife immer einen Wert i > e2 haben. Der
Schleifenzähler ist entweder eine lokale Konstante, deren Wert der Programmierer in der
Schleife nicht verändern kann; oder es handelt sich um eine Variable, deren Wert nach
Schleifenende in vielen Programmiersprachen explizit als undefiniert bezeichnet ist.
Dem Geheimnisprinzip der modularen und objektorientierten Programmierung folgend
bieten CLU und Sather Iteratoren an, mit denen Ströme von Elementen einer Datenstruktur in einer Schleife bearbeitet werden können [Liskov 77, Murer 96]. In der Schleife
bleibt unbekannt, woher die Elemente stammen, oder wo sie abgelegt werden. Schleifen
mit Iteratoren sind Verallgemeinerungen von Zählschleifen; da beispielsweise das letzte
Element eines Binärbaumes nicht als solches zu erkennen ist, bricht die Schleife erst ab,
wenn der Iterator nach dem letzten Element eines Eingabestroms nochmals aufgerufen
wird. CLU erlaubt nur einen Iterator pro Schleife. In C++ und vergleichbaren Sprachen
erreicht man Ähnliches mit einer Gruppe (first, next, test) von Funktionen, wobei zahlreiche Beschränkungen zu beachten sind.
2.5.2 Prozeduren und Funktionen
Funktionen f(x1:T1; … xn:Tn): T is S end, n ≥ 0, implementieren Operationen mit der
Signatur f:T1 × … × Tn → T im Sinne von Abschnitt 2.1.1. Fehlt der Ergebnistyp T, so
spricht man von eigentlichen oder echten Prozeduren. Der Begriff Prozedur wird gemeinhin als Oberbegriff für echte Prozeduren, (Funktions-)Prozeduren und auch für Operationen wie die ein- oder zweistellige Subtraktion gebraucht. Bei einem Prozeduraufruf f(a1,
…, an) mit den Argumenten a1, …, an werden die Parameterspezifikationen zu initialisier-
D2
542
D2 Programmiersprachen
ten Vereinbarungen xi : Ti := ai ergänzt und diese dem Rumpf S vorangestellt. Die Initialisierung heißt Parameterübergabe. Der so ergänzte Rumpf, ein Block, wird dann an Stelle
des Aufrufs ausgeführt; bei Funktionen ist sein Ergebnis auch das Ergebnis des Funktionsaufrufs. Zur Bestimmung des Ergebnisses erlaubt Pascal Zuweisungen f := ergebnis an
den Funktionsbezeichner, der somit eine lokale Variable des Rumpfes vom Ergebnistyp
vereinbart. (25) zeigt eine Funktion eval in Pascal, die mit Hilfe der Typvereinbarungen
in (22) definiert ist und Ausdrücke auswertet. In vielen anderen Sprachen gibt es eine
Anweisung return, die die Ausführung der Funktion abschließt, und zusätzlich in der
Form return ergebnis das Funktionsergebnis liefert.
Beispiel: Prozedur in Pascal
(25)
function eval(t:BINOP):T is
begin
if t.kind = const then eval := t.val;
else if t.kind = op and t.operator = ’+’ then eval := eval(t.left) + eval(t.right)
else if t.kind = op and t.operator = ’*’ then eval := eval(t.left) * eval(t.right)
end;
In funktionalen Sprachen können die Parameter xi durch Muster (pattern) angegeben werden, worauf hier nicht eingegangen wird. Die Angabe der Parametertypen Ti und des
Ergebnistyps T unterbleibt, die Typen werden durch Typinferenz bestimmt. Es können
mehrere Funktionsvereinbarungen zum gleichen Funktionsbezeichner f angegeben sein,
von denen bei Aufruf die erste Vereinbarung gewählt wird, für die die Argumente auf die
angegebenen Parametermuster passen. Bei einem Aufruf entspricht der Initialisierung
eine Substitution der Argumente ai an Stelle der Parameter xi überall im Rumpf.
Die prozedurale Abstraktion ist rekursiv. Daher erlauben manche imperative Programmiersprachen wie Pascal, Modula und Ada auch im Rumpf weitere, lokale Prozedurvereinbarungen. Aus der Sicht des modularen und objektorientierten Programmierens definiert eine Funktion eine Operation auf den lokalen Daten des Moduls oder Objekts. In C,
C++ und Fortran gibt es daher nur einstufige Funktionsvereinbarungen. Ada und C++
erlauben auch Operatoren (z.B. „+“) als Funktionsnamen, um diese Operatoren auch für
andere Operandentypen zu definieren. Die passende Prozedurvereinbarung wird statisch
ausgewählt; die Operatordefinition ist überladen, siehe Abschnitt 2.4.6.
Steuersprachen, aber auch Programmiersprachen wie Ada, erlauben Aufrufe mit Schlüsselwortparametern der Form f(a1, …, ak, xj1 = aj1, …, xjr = ajr). Hier werden die ersten k
Argumente den ersten k Parametern zugeordnet. Die restlichen Argumente gehören zu
einer Auswahl xj1, …, xjr der verbleibenden Parameter. Etwa noch übrigen Parametern
wird ein Ersatzwert (default value) zugeordnet; wie dieser bestimmt wird, ist unterschiedlich geregelt. Schlüsselwortparameter haben sich bewährt, wenn aus den Werten der
Argumente folgt, daß bestimmte weitere Argumente nicht benötigt werden.
Die Reihenfolge der Berechnung der Argumente ist unterschiedlich geregelt: Bei Berechnung von links nach rechts können z.B. zuerst Feldgrenzen übergeben und zur Initialisierung weiterer Parameter verwandt werden. Implementierungstechnisch ist es günstiger,
wenn die Reihenfolge unspezifiziert bleibt und im Belieben des Übersetzers steht.
Eine Funktion p heißt rekursiv, wenn während ihrer Ausführung p nochmals aufgerufen
wird. Auch indirekte Rekursion, bei der p eine Funktion q aufruft, deren Ausführung p aufruft, ist möglich. Fast alle Programmiersprachen erlauben rekursive Funktionen. Verboten
ist sie jedoch in COBOL und Fortran 77. (Fortran 90 erlaubt Rekursion.)
Diese Ausführungen gelten für (Funktions-)Prozeduren, die ein Ergebnis liefern, aber nur
Eingabeparameter besitzen. Im Idealfall sind diese Prozeduren nebenwirkungsfrei (siehe
Abschnitt 2.4.6). Zusätzlich kann es Ausgabeparameter geben, an die in der Prozedur
D2.5 Sequentielle Ablaufsteuerung
543
Teilergebnisse zugewiesen werden. Echte Prozeduren besitzen stets Ausgabeparameter.
Ist ein Eingabeparameter zugleich auch Ausgabeparameter, so heißt er ein transienter
oder Übergangsparameter.
Das Argument für einen Ausgabe- oder transienten Parameter muß eine Variable sein, der
durch den Prozeduraufruf ein neuer Wert zugewiesen werden kann. Die meisten imperativen Sprachen erlauben überdies Zuweisungen an die in der Prozedur sichtbaren globalen
Variablen, auch wenn diese nicht in der Argumentliste erscheinen. Zuweisungen an Ausgabeparameter und an globale Variablen bilden Nebenwirkungen des Aufrufs.
Parameterübergabemechanismen
In imperativen Sprachen unterscheidet man sechs verschiedene Parameterübergabemechanismen: Wertaufruf, Ergebnisaufruf, Wert-und-Ergebnisaufruf, Referenzaufruf,
Namensaufruf und faulen Aufruf.
Beim Wertaufruf (call by value) wird der Parameter mit dem Argument, dem Wert eines
Ausdrucks, wie zuvor beschrieben initialisiert. Bei typisierten Sprachen muß der Typ des
Arguments an den Typ des formalen Parameters anpaßbar sein.
Beim Ergebnisaufruf (call by result) wird nach Beendigung der Funktion der Wert des
Parameters an das Argument, eine Variable, zugewiesen. Bei typisierten Sprachen muß
der Parametertyp an den Argumenttyp anpaßbar sein. Der Wert-und-Ergebnisaufruf ist
eine Kombination des Wertaufrufs und des Ergebnisaufrufs für transiente Parameter.
Beim Referenzaufruf (call by reference) wird der formale Parameter mit einem Zeiger auf
das Argument, eine Variable, initialisiert. Der Typ des Arguments muß äquivalent zum Typ
des formalen Parameters sein. Argument und Parameter bezeichnen im Rumpf einer solchen Prozedur dasselbe Objekt; alle lesenden oder schreibenden Zugriffe auf den Parameter beziehen sich auf dieses nicht-lokale Objekt. Wenn zwei verschiedene Bezeichner x
und y dasselbe Objekte bezeichnen, dann ist x ein Alias von y.
Beim Namensaufruf (call by name) wird im Prozedurrumpf der Parameter durch den Aufruf einer Funktion ersetzt, die dem Argument entspricht. Ist letzteres eine Variable, so liefert die Funktion einen Zeiger auf das Objekt, und es wird weiter wie beim Referenzaufruf
verfahren; ist das Argument ein Ausdruck, so liefert die Funktion den Wert des Ausdrucks.
Bei typisierten Sprachen dürfen hierbei keine Typfehler auftreten. Der Zeiger auf das
Argument bzw. dessen Wert wird bei jedem Zugriff auf den Parameter neu bestimmt.
Durch Nebenwirkungen kann sich das Ergebnis ändern. Die konsequente Ausnutzung dieses Umstands ist nach ihrem Erfinder als Jensen-Trick (Jensen’s device) bekannt, vgl.
(26): Wird diese Funktion mit sum(i,n,a[i],b[i]) aufgerufen, so liefert sie das innere Produkt a1b1 + … + anbn. Die Fortschaltung des Schleifenzählers i ist eine globale Nebenwirkung, die bei der wiederholten Berechnung von a[i], b[i] berücksichtigt wird.
Beim faulen Aufruf (call by need) wird der Wert des Arguments, ein Ausdruck, erst
berechnet, wenn er benötigt wird. Der Typ des Arguments muß an den Typ des formalen
Parameters anpaßbar sein. Dieses Verfahren wird z.B. implizit bei der Kurzauswertung
boolescher Ausdrücke verwandt.
Beispiel: Der Jensen-Trick in Algol 60
(26)
real procedure sum(i,n,x,y);
value n; integer i,n; real x,y;
begin real s; s := 0;
for i := 1 step 1 until n do s := s + x*y;
sum := s;
END;
D2
544
D2 Programmiersprachen
Die meisten Programmiersprachen bieten mehrere Parameterübergabemechanismen an.
Pascal und Modula erlauben Wert- und Referenzaufruf (var-Parameter), Ada bietet den
Wertaufruf, den Ergebnisaufruf und die Kombination an (in-, out- bzw. in out-Parameter);
Referenzaufruf wird für Felder eingesetzt. C kennt nur Wertaufruf. Fortran benutzt bei
Variablen Referenz- und bei anderen Ausdrücken Wertaufruf; der Fortran-Standard sagt
ebenso wie der Ada-Standard, daß Programme, bei denen Wert-/Ergebnisaufruf und Referenzaufruf unterschiedliche Resultate erbringen, unzulässig sind. Bei Programmiersprachen, die Zeiger als Werte zulassen, läßt sich ein Referenzaufruf simulieren, indem man
mit dem Wertaufruf einen Zeiger übergibt; dies wird in C und allen objektorientierten
Sprachen, insbesondere auch in C++ ausgenutzt. Namensaufruf kommt nur in Algol 60
vor.
Funktionale Sprachen sind nebenwirkungsfrei, so daß es keinen Unterschied zwischen
einfacher und mehrfacher Berechnung eines Ausdrucks gibt. Zwar ist die Parameterübergabe durch Substitution definiert; gierige funktionale Sprachen (eager evaluation)
berechnen die Argumente allerdings mit Wertaufruf (z.B. ML), faule funktionale Sprachen (lazy evaluation) benutzen faulen Aufruf (z.B. Haskell).
Bild 4 zeigt die verschiedenen Ergebnisse des Programms in (27) bei den verschiedenen
Parameterübergabemechanismen. Bei faulem Aufruf ist das Ergebnis das gleiche wie bei
Wertaufruf, da beide Argumente benötigt werden.
Beispiel: Ein Programm zur Demonstration der Parameterübergabemechanismen (27)
m:INT := 1;
n:INT;
p (??? j:INT; ??? k:INT) : INT is
j := j + 1; m := m + k; return j + k;
end;
begin n := p(m, m + 3);end;
Mechanismus
m
n
j
k
Wertaufruf
5
6
2
4
Wert-/Ergebnisaufruf
2
6
2
4
Zweiter Parameter mit Wertaufruf.
Reiner Ergebnisaufruf beim ersten Argument ist nicht sinnvoll.
Referenzaufruf
6
10
6
4
Erster Parameter mit Referenzaufruf.
Zweiter Parameter mit Wertaufruf.
Namensaufruf
7
17
7
10
Fauler Aufruf
5
6
2
4
Bild 4
Bemerkung
Beide Argumente werden benötigt.
Effekt der verschiedenenen Parameterübergabemechanismen im Programm in (27)
Näheres über den faulen Aufruf siehe Kapitel D5.
Beispiel: Ein Programm mit Prozedurparametern
procedure o;
var n,k: integer;
procedure p(procedure f; var j:integer);
var i: integer;
(28)
D2.5 Sequentielle Ablaufsteuerung
545
procedure q
begin
n := n + 1; if n = 4 then q end;
n := n + 1; if n = 7 then (* Stelle 2 *) j := j + 1 end;
i := i + 1
end q;
begin (* p *)
i := 0; n := n + 1; if n=2 then p(q,i) else j := j + 1 end;
if n=3 then (* Stelle 1 *) f end;
i := i + 1;
end p;
procedure skip; begin end skip;
begin (* o *)
n :=1; k := 0; p(skip,k)
end o;
Prozedurvereinbarungen kann man als Vereinbarungen konstanter Objekte ansehen. Zum
Beispiel in ML, Haskell, Pascal, Modula können Prozeduren dann auch als Argumente
von Prozeduren auftreten. Der Typ dieses Prozedurobjekts ist die Signatur der Prozedur.
Die Prozedurvereinbarung bindet etwaige globale Größen aus ihrer Umgebung. Bei der
Übergabe von Prozeduren muß neben der Prozedur daher auch diese Umgebung übergeben sein. Das Paar (Umgebung, Prozedur) nennt man die Hülle (closure) der Prozedur.
Bei Aufruf eines Prozedurparameters wird zuerst diese Umgebung wieder hergestellt und
dann die Prozedur ausgeführt. (28) zeigt ein Programm mit Prozedurparametern (in der
Sprache Pascal). Bild 5 zeigt die Umgebungen gemäß Abschnitt 2.3.2, wenn dieses Programm die Stelle 1 bzw. 2 erreicht.
o:
n=3
k=0
skip
p
o:
p:
p:
f = skip
j=k
i1=1
q1
f=q1
j=i1
i2=0
q2
a) Zustand an der Stelle 1
dynamischer Vorgänger
Bild 5
D2
n=3
k=0
skip p:
p
f = skip
j=k
i1=1
q1
q2 :
p:
f=q1
j=i1
i2=0
q2
b) Zustand an der Stelle 2
Zwei Zustände des Programms in (28) im Umgebungsmodell
2.5.3 Ausnahmen
Ausnahmen signalisieren, daß eine Vorbedingung einer Operation verletzt wurde, und die
Operation daher nicht ordnungsgemäß zu Ende geführt werden konnte. Der Fehler kann
546
D2 Programmiersprachen
durch die Hardware signalisiert werden, z.B. bei Division durch 0 und arithmetischem
Überlauf. Die Operation könnte aber auch ein Prozeduraufruf gewesen sein, oder der Fehler wurde durch das Laufzeitsystem der Implementierung der Programmiersprache
erkannt, z.B. bei fehlerhafter Indizierung von Feldern. Ziel ist es in allen Fällen, einen
konsistenten Zustand herzustellen, in dem die Programmausführung fortgesetzt werden
kann; andernfalls wird der Programmlauf abgebrochen. Heutige Programmiersprachen
stellen dazu eine Raise-Anweisung zur programmgesteuerten Auslösung von Ausnahmen
und ein spezielles Sprachelement, die Ausnahmebehandlung, zum Abfangen von hardware- oder softwaregesteuerten Ausnahmen zur Verfügung. Eine Ausnahmebehandlung
bezieht sich immer auf eine einzelne oder eine Gruppe von Fehlerursachen. Wird ein Fehler innerhalb einer Prozedur nicht abgefangen, so wird der Prozeduraufruf beendet und an
der Aufrufstelle die Suche nach einer geeigneten Ausnahmebehandlung fortgesetzt. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis eine Ausnahmebehandlung oder das Ende der Programmausführung erreicht ist. Ausnahmen wurden zuerst in PL/1 eingeführt. In C gibt es
keine Ausnahmen; der gleiche Zweck wird durch explizite Programmierung und Abfrage
unterschiedlicher Fehlercodes bei Prozedurrückkehr erreicht. (29) zeigt ein Beispiel für
Ausnahmehandlung in Ada. Bei einem Aufruf f(n,0) löst die Division die Ausnahme
Constraint_Error aus. In diesem Fall wird unmittelbar die Ausnahmebehandlung x := 0
ausgeführt.
Beispiel: Ausnahmebehandlung in Ada
(29)
procedure f(n,m:INTEGER) is
x := n / m; x := x + 1;
exception
when Constraint_Error => x := 0;
when others => x := maxint;
end;
Ist e eine vom Programmierer definierte Ausnahme, so kann sie in Ada wie in (30) mit
raise e ausgelöst werden. Wird die Prozedur invert(A) mit einer nicht-quadratischen
Matrix A aufgerufen, dann löst dieser Aufruf die Ausnahme Non_Square_Matrix aus.
Wenn A singulär ist, dann löst der Aufruf von invert(A) die Ausnahme Singular_Matrix
aus.
Beispiel: Ausnahmendefinition und -auslösung in Ada
(30)
function invert(A:array( INTEGER range <>, INTEGER range <>) of REAL) is
Non_Square_Matrix: exception, Singular_Matrix: exception;
if A’Length ≠ A’Length(2) then raise Non_Square_Matrix
else if determinant(A) = 0 then raise Singular_Matrix
else …
end if;
end; invert
In CLU, Modula-3 und Java gehören Ausnahmen zur Signatur einer Prozedur oder Funktion. CLU, Modula-3 und ML erlauben Ausnahmen mit Parametern. Beispielsweise kann
man eine Ausnahme mit der auszugebenden Fehlermeldung parametrisieren.
2.6 Modularität und Objektorientierung
Die Sprachelemente in Abschnitt 2.5 unterstützen zwar das strukturierte Programmieren,
jedoch nicht das Programmieren im Großen. Die hier vorgestellten Sprachelemente erlauben es, Teile eines Programms zu Einheiten zusammenzufassen, auf die nur über eine
Schnittstelle zugegriffen werden kann; die Einzelheiten der Implementierung unterliegen
D2.6 Modularität und Objektorientierung
547
dem Geheimnisprinzip aus Abschnitt 2.1.3 und sind an der Schnittstelle verborgen. Man
spricht von einer öffentlichen und einer privaten Sicht auf den Programmteil.
2.6.1 Module
Ein Modul ist ein schwarzer Kasten, mit dem über eine Schnittstelle kommuniziert werden kann. Modulare Programmiersprachen wie Modula und Ada bieten Module als
Sprachkonzept an. Die Schnittstelle eines Moduls besteht aus Typ- und Variablenvereinbarungen, Signaturen von Prozeduren usw. Die Implementierung eines Moduls besteht
aus der Implementierung der Prozeduren der Schnittstellen (eventuell mit Hilfe zusätzlicher Typen und Variablen). Zusätzlich gibt es import- (in Ada: with- und use-)Anweisungen, um den Zugriff auf die Schnittstelle anderer Module ganz oder teilweise zu ermöglichen.
Beispiel:
(31) zeigt die Schnittstellendefinition eines Moduls in Ada, das Ausdrücke aufbaut,
Zeichenketten in Ausdrücke zerteilt und Ausdrücke auswertet. Module heißen in Ada
Pakete. Die Typvereinbarung type OP is private sorgt dafür, daß die Einzelheiten des
Typs dem Benutzer des Pakets verborgen bleiben. Für Objekte eines solchen privaten
Typs ist außerhalb des Pakets nur die Gleichheit und die Zuweisung definiert. Mit
limited private kann selbst dies verboten werden. Die vollständige Typvereinbarung ist
im privaten Teil der Paketvereinbarung enthalten. (Da der private Teil eigentlich zur
Implementierung gehört, ist er an dieser Stelle unlogisch, aber bei getrennter Übersetzung technisch erforderlich; in Modula gibt es keinen solchen privaten Teil, dafür können öffentlich sichtbare Typvereinbarungen nur Zeigertypen definieren.) (32) zeigt die
Implementierung des Moduls mit der Schnittstelle in (31).
Beispiel: Schnittstellendefinition eines Moduls in Ada
(31)
package Ausdruck is
type OP is private;
function create_const(i:INTEGER) return access OP;
function create_mult(l,r:access OP) return access OP;
function create_add(l,r:access OP) return access OP;
function eval(x:access OP) return INT;
function parse(s:STRING) return access OP;
private
type OP(kind:(const,op)) is record
case kind is
when const => val:INTEGER
when op => left,right: access OP; operator:(’*",’+’);
end case;
end record;
end Ausdruck;
Beispiel: Implementierung des Moduls in (31)
package body Ausdruck is
function create_const(i:INTEGER) return access OP is
begin return( new OP’(kind => const, val =>i))
end create_const;
function create_mult(l,r:access OP) return access OP is
begin return(new OP’(kind => op, left=>l, right=>r, operator=’*’))
end create_mult;
function create_add(l,r:access OP) return access OP is … end create_add;
(32)
D2
548
D2 Programmiersprachen
function eval(x:access OP) return INT is
begin
if x.kind = op then return(x’Access.val)
elsif x.operator = ’+’ then return( eval(x’Access.l) + eval(x’Access.r))
else return (eval(x’Access.l) *eval(x’Access.r))
end if;
end eval;
end Ausdruck;
Bemerkung:
Der Modulbegriff ist an sich rekursiv: Module können zu größeren Modulen zusammengefaßt werden. Ada und Modula-2 erlauben daher Untermodule im Sinne syntaktischer Schachtelung. Praktisch hat sich diese Schachtelung nicht bewährt, weshalb sie
in Modula-3 nicht aufgenommen wurde.
Andere Teile des Programms können die Schnittstelle eines Moduls A auf zwei Arten
benutzen. Entweder sie importieren (Teile von) A – dann gehört die Schnittstelle von A
zur Umgebung, in der sie importiert wird – oder die Schnittstellen von A werden qualifiziert angesprochen.
Beispiel:
(33) und (34) zeigen zwei Programmstücke in Ada. Das erste benutzt die Schnittstelle
des Moduls Ausdruck (31) qualifiziert, das zweite importiert die Schnittstelle. In Ada
kann die Schnittstelle eines Moduls nur insgesamt importiert werden. In Modula können auch Teile der Schnittstelle importiert werden.
Beispiel: Benutzung des Ada-Moduls aus (31) qualifiziert
(33)
function werte_aus(s:STRING) return INTEGER is
x:Ausdruck.OP;
begin x := Ausdruck.parse(s); return(Ausdruck.eval(x));
end werte_aus;
Beispiel: Benutzung des Ada-Moduls aus (31) importiert
(34)
function werte_aus(a:STRING) return INTEGER is
use Ausdruck;
x:OP
begin x := parse(s); return(eval(s));
end werte_aus;
Die Implementierung eines Moduls ist im allgemeinen genau einer Schnittstellendefinition zugeordnet. Um verschiedene Sichten auf die gleiche Datenstruktur zu definieren,
möchte man manchmal einer Implementierung eines Moduls verschiedene Schnittstellen
zuordnen. Dies erlaubt etwa Modula-3.
2.6.2 Klassen und Objekte
In modularen Programmiersprachen werden abstrakte Datentypen durch Module realisiert. Die Modulschnittstelle muß einen Typ T definieren, der die Repräsentation der
Objekte dieses abstrakten Datentyps bestimmt. Exemplare des abstrakten Datentyps können dann durch Vereinbarung (oder anonyme Erzeugung) von Objekten des Typs T gebildet werden. In objektorientierten Sprachen wird, beginnend mit Simula 67, der Modul mit
der Typdefinition von T identifiziert, indem man die Prozedurvereinbarungen für die Operationen mit Objekten dieses Typs in die Typvereinbarung verlegt. Diese erweiterte Typvereinbarung heißt dann eine Klassenvereinbarung. Statt vom Typ eines Objekts spricht
man von der Klasse des Objekts.
D2.6 Modularität und Objektorientierung
549
Eine Klasse class A is m1; …; mn; end; besteht aus Merkmalen m1; …; mn. Ein Merkmal
(in C++, Java und C#: Mitglied (member)) ist eine Attributvereinbarung oder eine Methodenvereinbarung. Eine Attributvereinbarung ist eine Variablenvereinbarung x:T mit einem
Typ, d.h. einer Klasse, T. Eine Methodenvereinbarung ist eine Prozedur- oder Funktionsdefinition p(x1: T1, …, xn: Tn) is S end; bzw. p(x1: T1, …, xn: Tn): T is S end, wobei die
T1, …, Tn, T Typen, d.h. Klassen, definieren. Programmiersprachen, die Klassen in der
hier vorgestellten Form anbieten, heißen objektgestützt oder objektbasiert. Können in
einer objektgestützten Programmiersprache zusätzlich Klassen von anderen Klassen im
Sinne von Abschnitt 2.6.3 erben, dann heißt sie objektorientiert. Beispiele objektorientierter Programmiersprachen sind Simula 67, C++, Smalltalk, Eiffel, Java, C#, Sather und
Fortran2003.
Eine Klasse definiert zugleich einen Typ. Eine Klasse A ist eine Referenzklasse, wenn der
durch A definierte Typ ein Zeigertyp ist, sonst ist A eine Werteklasse. Wenn eine Werteklasse A lediglich die Attribute a1: T1; …; an: Tn enthält, dann definiert A den gleichen Typ
wie record a1: T1; …; an: Tn end in Abschnitt 2.4.2; im Fall einer Referenzklasse handelt
es sich um den Typ pointer to record a1: T1; …; an: Tn end. Auf die Komponenten einer
Variablen x vom Typ A kann wie in Abschnitt 2.4.2 beschrieben zugegriffen werden. Enthält die Klasse A zusätzlich Methoden, dann gehören diese ebenfalls zu dem durch A definierten Typ. Eine Variable x vom Typ A kennt dann auch Prozeduren und Funktionen, die
ausgeführt werden können. Die Ausführung einer solchen Prozedur (Funktion) kann die
Attribute von x ändern. Man spricht deshalb auch in Anlehnung an den in Abschnitt 2.2.3
definierten Zustandsbegriff vom Zustand des Objekts x. Für Referenzklassen können
anonyme Objekte wie in Abschnitt 2.4.2 erzeugt werden.
Beispiel: Definition der Klasse CONST
(35)
class CONST is -- Referenzklasse
value: INT;
create_const(i:INT):CONST is return(#CONST{value := i}); end;
eval: INT is return(value) end;
parse(s:STRING):INT is … end;
end;
Das Attribut ist value. Die Methoden sind create_const, eval und parse. Mit
#CONST{Initialisierung} wird ein Objekt der Klasse CONST erzeugt und initialisiert.
Sei x ein Objekt der Klasse CONST. Mit x.eval wird die Konstante x ausgewertet. Der
Zustand von x ist der Wert der Komponente value.
Bemerkung:
In einer objektorientierten Sprache sollten alle Datentypen wie in Smalltalk einheitlich
durch Klassen definiert sein. Konsequenterweise sind dann alle Klassen Referenzklassen, weshalb dieser Begriff nicht extra erwähnt zu werden braucht. Eiffel, Sather, C#
und Fortran2003 teilen die Klassen in Wert- und Referenzklassen, um effizienter mit
den elementaren (Wert-)Klassen INT, FLOAT usw. umgehen zu können. C++ und Java
rechnen die einfachen Typen byte, short, int, …, float, double, bool nicht den Klassen
zu. C#, Fortran2003 und Sather kennen auch nicht-elementare Werteklassen mit
Methoden. Auch die Feldklassen spielen oft eine Sonderrolle. Diese Unterschiede sind
alle effizienz- oder historisch bedingt, können aber das Verständnis und die Implementierung erschweren, insbesondere bei generischen Klassen, siehe Abschnitt 2.6.4.
Bisher wurde eine Klasse als Typdefinition angesehen. Man kann eine Klasse auch als
Moduldefinition verstehen: Die Schnittstelle einer Klasse besteht aus den Merkmalen
samt deren Signaturen. Die Schnittstelle einer Klasse kann in den meisten Programmiersprachen auf bestimmte Merkmale eingeschränkt werden, indem manche Merkmale als
D2
550
D2 Programmiersprachen
Interna einer Klasse vereinbart werden und damit nach außen nicht sichtbar sind, oder
indem umgekehrt nur bestimmte Merkmale als öffentlich (public) ausgezeichnet werden.
Eine abstrakte Klasse oder Schnittstellenklasse definiert die Signatur einer Klasse, die
Implementierung aber nicht vollständig. Daher kann es keine Objekte einer abstrakten
Klasse geben.
Der Begriff des package in Java erlaubt es, Klassen, Typen, Schnittstellenbeschreibungen,
d.h. abstrakte Klassen, usw. in Module zu gruppieren. In C# stehen zu diesem Zweck
namespaces zur Verfügung. Auch die Import-Anweisung aus Modula zum unqualifizierten Zugriff auf Klassen und Typen aus anderen Modulen ist vorhanden. An sich gehören
diese Möglichkeiten in eine Konfigurationssprache, mit der auch Bausteine aus verschiedenen Programmiersprachen verbunden werden können.
2.6.3 Vererbung
Unter Vererbung versteht man die Übernahme der Merkmale einer (Ober-)Klasse A in
eine (Unter-)Klasse B. Die Unterklasse besitzt zusätzlich zu ihren eigenen Merkmalen
auch alle Merkmale der Oberklasse. Dabei können aus der Oberklasse geerbte Merkmale,
wie nachfolgend erklärt, durch Merkmale der Unterklasse überschrieben werden. Vererbung dient verschiedenen Zwecken (siehe Kapitel D4).
Aus Programmiersprachensicht benutzt man Vererbung einerseits zur Wiederverwendung
des Codes der Oberklasse, andererseits, um verhaltensgleiche Objekte zu kennzeichnen,
oder um die in Kapitel D4.3.4 beschriebene Beziehung „B is a A“ zu realisieren. Die im
Entwurf benötigte Beziehung der Verhaltensgleichheit „(ein Objekt des Typs) B kann
überall an Stelle (eines Objekts von) A benutzt werden“ läßt sich übersetzungstechnisch
nicht vollständig prüfen. Sie wird zur Beziehung „B ist konform zu A“ abgeschwächt: B
heißt konform zu A, wenn ein Objekt der Klasse B überall an Stelle eines Objekts der
Klasse A verwendet werden kann, ohne daß dies zu einem Typfehler führt. Die Beziehung
„B is a A“ bedeutet dagegen „B ist spezieller als A“: die Menge der Objekte von B ist eine
Teilmenge der Objekte von A. Bei dieser Beziehung können Übersetzer nur noch dann
Typsicherheit garantieren, wenn A eine abstrakte Klasse ist, die überall durch B ersetzt
wird.
Technisch bedeutet Konformität: Zu jedem Merkmal m von A muß es ein gleichbenanntes
Merkmal m von B geben mit:
• Wenn m in A ein Attribut vom Typ T ist, dann ist m in B ein Attribut vom Typ T' und
T = T'.
• Wenn m in A eine Methode der Stelligkeit T1 × … × Tn ist, dann ist m in B eine Methode
der Stelligkeit U1 × … × Un und Ti ist für i = 1, …, n Untertyp von Ui (Ui ist kontravariant zu Ti).
• Wenn m in A eine Methode der Stelligkeit T1 × … × Tn → T ist, dann ist m in B eine
Methode der Stelligkeit U1 × … × Un → U, Ti ist für i = 1, …, n Untertyp von Ui und U
ist Untertyp von T (U ist kovariant zu T).
Dabei ist, wie in den meisten objektorientierten Sprachen, vorausgesetzt, daß die Argumente durch Wertaufruf übergeben werden, siehe Abschnitt 2.5.2. Ist das Attribut m nur
lesbar, z.B. eine Konstante, so läßt sich die erste Forderung T = T' zu „T' ist kovariant zu
T" abschwächen.
Beispiel:
Smalltalk kennt keine Konformitätsforderung; wird sie jedoch nicht eingehalten, so
kann dies zu Laufzeitfehlern führen. In Eiffel sind kovariante Argumenttypen von
D2.6 Modularität und Objektorientierung
551
Methoden erlaubt; erst der Binder prüft beim Zusammensetzen von Programmen, ob
hierdurch Fehler auftreten können. C++ und Java fordern sogar mehr als die obigen
Bedingungen: bei Methoden müssen die Argumenttypen gleich sein.
Die Schnittstelle einer Klasse A ist die Vereinigung ihrer Merkmale mit denen der geerbten Klassen. Erbt die Klasse B die Klasse A und definiert B ein Merkmal m, dessen Signatur konform zur Signatur eines Merkmals von A ist, dann überschreibt die Definition
von m in B die Definition von m in A. Diese Definition ist ähnlich der Verdeckungsregel
bei der Definition von Gültigkeitsbereichen in Abschnitt 2.3.2. Die Bindung eines Merkmals m ist nicht mehr eindeutig, wenn eine Klasse C zwei Klassen A und B erbt, die beide
das Merkmal m definieren und dieses in C nicht überschrieben wird. Smalltalk umgeht
dieses Problem, in dem es nur Einfachvererbung zuläßt. Programmiersprachen mit Mehrfachvererbung müssen definieren, wie solche Konflikte beseitigt werden. Daneben kann
es verschiedene Definitionen von m geben, die nicht zueinander konform sind, z.B. weil
sie unterschiedliche Parameteranzahl haben; man sagt dann, m sei überladen.
Beispiel:
Eiffel erfordert bei Mehrfachvererbung Umbenennung oder Ausblendung von Merkmalen der geerbten Klassen, so daß durch Mehrfachvererbung entstehende Konflikte
vermieden werden. C++ erlaubt ebenfalls Umbenennung oder Ausblendung von Merkmalen. In C++ muß bei Verwendung eines nicht eindeutig zuordenbares Merkmals dessen Herkunft mit angegeben werden. Java und C# erlauben mehrfaches Erben nur von
Schnittstellenklassen.
Sei A eine Oberklasse mit den Unterklassen B1, B2, …. In einer Variablenvereinbarung
x: A wird dann in den meisten objektorientierten Sprachen A als die Typmenge T = (A, B1,
B2, …) angesehen. Ist A selbst eine abstrakte Klasse, so gehört sie nicht zur Typmenge T.
Im Sinne von Abschnitt 2.4.2 ist der (polymorphe) Typ A die disjunkte Vereinigung der
Typmenge T. x kann Objekte aller Typen aus T als Wert annehmen. Es sind jedoch nur die
in A definierten Merkmale m für x definiert. Bei einem Attributzugriff x.m oder einem
Methodenaufruf x.m(…) wird das zum aktuellen Objekt x gehörige Merkmal benutzt.
Dies ist die in Kapitel D4.5 beschriebene dynamische Bindung. x heißt eine polymorphe
Variable, die Zugriffe x.m oder x.m(…) heißen polymorphe Zugriffe. In C++, Java, C# ,
Sather und Fortran2003 ist automatisch garantiert, daß in den Unterklassen das Merkmal
m mit den gewünschten Typeigenschaften existiert. In Smalltalk oder Eiffel ist dies nur
sicher, wenn die ausgewählte Unterklasse B konform zur Oberklasse A ist.
Beispiel:
(36) zeigt die Klassen AUSDRUCK, ADDOP, MULOP und BINOP. Die Klassen AUSDRUCK und BINOP sind Schnittstellenklassen. Die Klasse CONST aus (35) wird
erweitert, indem sie von AUSDRUCK erbt. Die Klassen BINOP, ADDOP, MULOP und
CONST sind konform zur Klasse AUSDRUCK, die Klassen ADDOP und MULOP sind
Spezialisierungen der Klasse BINOP. Die Definition von operator in den Klassen
MULOP und ADDOP überschreibt die in der Klasse BINOP. Ähnlich legen die Definition von eval und parse in den Klassen CONST, ADDOP und MULOP die Implementierung dieser Funktionen fest. Damit haben diese drei Klassen die gleiche, durch die
Klasse AUSDRUCK definierte abstrakte Schnittstelle.
Vererbung und Polymorphie
(36)
abstract class AUSDRUCK is
parse(s:STRING):AUSDRUCK is abstract;
eval: INT is abstract;
end;
D2
552
D2 Programmiersprachen
abstract class BINOP is
inherit AUSDRUCK
left,right: AUSDRUCK
operator: STRING;
end;
class MULOP is
inherit BINOP
operator:STRING := "*";
eval: INT is return(left.eval * right.eval); end;
parse(s:STRING):MULOP is … end;
end;
class ADDOP is
inherit BINOP
operator: STRING := "+";
eval: INT is return(left.eval + right.eval); end;
parse(s: STRING): ADDOP is … end;
end;
2.6.4 Generizität
Ähnlich wie abstrakte Datentypen in Abschnitt 2.1.1 parametrisiert werden können, kann
man Module und Klassen parametrisieren. Solche Module (Klassen) A(T1, …, Tn) heißen
generisch. Sie dürfen in der Schnittstelle und der Implementierung die Parameter T1, …,
Tn verwenden. Üblicherweise stehen die generischen Parameter für Typen. Eine Instanz
A(U1, …, Un) eines generischen Moduls (generische Klasse) definiert ein Modul (Klasse),
wobei in der Definition von A(T1, …, Tn) die generischen Parameter T1, …, Tn textuell
durch die Typen U1, …, Un ersetzt werden.
Beispiel: Generische Klassen
(37)
abstract class AUSDRUCK(T) is
parse(s:STRING):$AUSDRUCK(T) is deferred;
eval:T is deferred;
end;
abstract class BINOP(T) is
inherit AUSDRUCK(T)
left,right:$AUSDRUCK(T)
operator:STRING;
end;
class MULOP(T) is
inherit BINOP(T)
operator:STRING := "*";
eval:T is return(left.eval * right.eval); end;
parse(s:STRING):MULOP is … end;
end;
class ADDOP(T) is
inherit BINOP(T)
operator:STRING := "+";
eval:T is return(left.eval + right.eval); end;
parse(s:STRING):ADDOP is … end;
end;
class CONST(T) is
value:T;
create_const(i:T):CONST is return(#CONST{value := i}); end;
eval:T is return(value) end;
parse(s:STRING):CONST(T) is … end;
end;
D2.6 Modularität und Objektorientierung
553
Die Klasse AUSDRUCK in (36) behandelt nur ganzzahlige Ausdrücke. Eine Klasse
FLTAUSDRUCK, die Gleitpunktausdrücke erlaubt, sieht ebenso aus, wenn man überall
INT durch FLOAT ersetzt. Die generischen Klassen in (37) liefern mit der Instantiierung AUSDRUCK(INT), BINOP(INT), ADDOP(INT), MULOP(INT) und
CONST(INT) die Klassen aus (35) und (36) zurück; jetzt ist aber auch AUSDRUCK(FLOAT) erlaubt und behandelt Gleitpunktausdrücke.
Nicht alle modularen und objektorientierten Programmiersprachen erlauben die Definition generischer Module oder Klassen (z.B. Modula, Fortran2003 sowie die älteren Versionen von Java und C#). In C++ spricht man von Schablonen (templates). In Ada können
auch Prozeduren generisch sein, neben Typen sind auch Objekte, Pakete und Prozeduren
als generische Parameter und Argumente zugelassen.
Die in der Praxis wichtigsten generischen Klassen sind die sogenannten Behälterklassen,
die den Behältertypen aus Abschnitt 2.1.2 entsprechen und Datenstrukturen B mit Elementen vom Typ T definieren, wobei T weitgehend unabhängig von B gewählt werden
kann. Das einfachste Beispiel von Behälterklassen sind Felder array(T) mit Elementen
vom Typ T.
Wenn in einer Behälterklasse Methoden m definiert sind, die spezielle Eigenschaften des
Elementtyps voraussetzen (z.B. daß auf dessen Werten eine Ordnung definiert ist), so
beschränkt dies die Menge der zulässigen Elementtypen. Man spricht von beschränkter
Generizität. Haskell erlaubt solche Beschränkungen durch Typklassen. In Java lassen sich
die Parameter generischer Klassen durch Schnittstellenklassen beschränken, in C# zusätzlich noch durch Klassen.
Beispiel:
Die generischen Klassen AUSDRUCK(T), BINOP(T), ADDOP(T) und MULOP(T)
erwarten, daß auf den Instanzen für T ein Operator + und * definiert ist. Für T lassen
sich also nicht alle Typen einsetzen.
In C# wie in den meisten anderen objektorientierten Programmiersprachen mit Generizität definiert jede Instanz einer generischen Klasse einen eigenen Typ. In Java hingegen
definiert eine generische Klasse A<T> auch einen Typ A, an den zugewiesen werden darf.
Bei der Erzeugung von Bytecode werden alle Methodenparametertypen T durch die Typschranke (im Extremfall Object) ersetzt. Für Behälterklassen A<T> mit Elementen vom
Typ T kann beispielsweise nicht mehr garantiert werden, daß tatsächlich ein Objekt einer
Behälterklasse ausschließlich Elemente vom Typ T enthält.
Beispiel:
Betrachtet man die generische Klasse List<T> in Java, so enthält diese beispielsweise
eine Methode insert(T x). Dann ist folgendes Programmfragment möglich:
List l = new List<int>;
List<String> m;
…
l.insert(2);
l.insert("a");
m=l;.
Sowohl die Anweisungen l.insert("a") als auch die Zuweisung m = l sind in Java erlaubt.
Wie man sieht, wird die Zeichenkette "a" in ein Objekt vom Typ List<int> eingefügt. Nach
der Zuweisung m = l enthält die Liste m sowohl Zeichenketten als auch ganze Zahlen,
obwohl m vom Typ List<String> ist. Der Java-Übersetzer meldet an solchen Stellen nur
eine Warnung, die zudem noch ausgeschaltet werden kann. Grund für diese Entscheidung
ist die Kompatibilität mit Altcode. In C# wie in den meisten anderen objektorientierten
D2
554
D2 Programmiersprachen
Sprachen mit Generizität hingegen gibt es keinen Typ List; l müßte mit List<int> deklariert werden. Damit werden dann die Anweisungen l.insert("a") und m = l illegal.
Generizität ist, wie man hieran sieht, auch ein Konzept zur Wiederverwendung von Programmen. In funktionalen Sprachen können auch Funktionsdefinitionen parametrisiert
sein, was (38) zeigt.
Beispiel: Parametrisierte Funktion in Haskell, die Typen T, U und V sind beliebig (38)
compose :: (T -> U) -> (U -> V) -> V
compose f g = \x. f(g x)
Erst beim Aufruf einer parametrisierten Funktion wird bestimmt, mit welchen (parametrisierten) Typen die Parameter instantiiert werden. Man sagt dann auch, daß der Typ bzw.
die Funktion polymorph ist. Diese Art von Polymorphie heißt auch parametrische Polymorphie. Die meisten stark typisierten funktionalen Sprachen kennen parametrische Polymorphie. Die vorkommenden Instanzen generischer Parameter können mit Typinferenz
durch den Übersetzer bestimmt werden.
2.7 Skriptsprachen
Mit Skriptsprachen fügt man Programmkomponenten zu größeren Programmen auf eine
andere Weise als beim modularen oder objektorientierten Programmieren zusammen: Die
Komponenten sind selbständige Programme P1, P2, …, die in unterschiedlichen Sprachen
geschrieben sein können oder sogar nur übersetzt vorliegen; ein Skriptprogramm S faßt
die Programme Pi als Grundoperationen auf, deren Operanden (Eingaben) die Ergebnisse
(Ausgaben) anderer solcher Operationen sind. S fügt diese Operationen zusammen, indem
es die Übergabe der Daten von einer zur anderen Operation übernimmt. Dazwischen
könnten die Daten konvertiert werden, um sie in eine für die nächste Operation geeignete
Form zu bringen. Skriptsprachen verwendet man also vor allem, um ein neues Programm
aus vorhandenen Programmen zusammenzusetzen; das Skript liefert den Kleister zwischen den vorgegebenen Programmen.
Skriptsprachen haben die typischen Eigenschaften imperativer Sprachen: sie verfügen
über Variablen, an die man zuweisen kann, bedingte Anweisungen, Schleifen und Prozeduren; andere Skriptprogramme können als Unterprogramme, teilweise sogar mit paralleler Ausführung, aufgerufen werden.
Voraussetzung für das Zusammenwirken von Skriptsprache und Programmkomponenten
sind Datentypen, die von allen beteiligten Programmen verstanden werden. Meist sind
dies Zeichenketten (Perl, Tcl/Tk, Python) oder Bytefolgen (shell script) unbeschränkter
Länge.
Beispiel:
Das bekannteste Beispiel einer Skriptsprache sind die verschiedenen Versionen von
Kommandosprachen unter dem Betriebssystem Unix, die shell scripts. In der Bourne
shell (und ähnlich der bash unter Linux) werden Daten zwischen Programmen pufferweise über eine Röhre (pipe) übergeben, indem man sie auf die Standardausgabe
schreibt und diese vom nächsten Programm als Standardeingabe lesen läßt; die beiden
beteiligten Programme P1 und P2 laufen dabei als Coroutinen, symbolisch dargestellt
mit „|“ als Verknüpfung: P1 | P2. Stattdessen könnten sie auch nacheinander laufen,
wenn man die Aus- bzw. Eingabe in eine Datei umlenkt: P1 > dateiname; P2 < dateiname. Die Ein-/Ausgaben sind dabei Bytefolgen, die man eventuell auch als Zeichenketten schreiben kann. Da es nur diesen einen Datentyp gibt, vereinbart man Variablen
D2.7 Skriptsprachen
555
durch die Zuweisung shellvariable = Text_als_Wert ohne Typ und kann dann mit der
Schreibweise $shellvariable darauf zugreifen.
Ebenso wie shell scripts sind auch alle anderen Skriptsprachen auf die sofortige Ausführung von Operationen oder Programmen S eingerichtet und werden daher meist interpretiert. Skriptsprachen sind also charakterisiert durch
• interpretative Ausführung oder rudimentäre Übersetzung
• Typfreiheit bzw. nur wenige Datentypen
• Einbettung von Betriebssystemkommandos
• komfortable Operationen auf Datentypen
• Fremde Programme können aufgerufen werden (Importieren von Funktionalität)
Daneben haben Skriptsprachen klassische Steuerstrukturen wie Schleifen und bedingte
Anweisungen, Prozeduraufrufe. Perl und Python unterstützen Modularität und Objektorientierung.
Historisch haben Skriptsprachen zwei Wurzeln: Kommandozeilen-Interpretierer und
ihren Gebrauch zur Steuerung des Stapelbetriebs, wie oben am Beispiel der Unix shell
dargestellt, und Editoren wie dem sed unter Unix, mit denen man Texte manipulieren
kann, indem man Teilzeichenketten, die durch reguläre Ausdrücke spezifiziert sind, sucht
und ersetzt. awk unter Unix ist ein komfortablerer Interpretierer für solche Ersetzungsaufgaben.
Perl. Die Skriptsprache Perl bietet die Möglichkeiten von shell script in erweiterter Fassung und ist zudem plattformunabhängig. Programme werden über Zeichenketten verknüpft. Perl bietet eine Reihe komplexer Operationen auf Zeichenketten, die von anderen
Skriptsprachen übernommen wurden:
• Finden/Ersetzen von Teilzeichenketten, die auf reguläre Ausdrücke passen;
• Zuweisungsoperatoren für reguläre Muster;
• Übersetzung von Zeichen gemäß einer Tabelle.
Perl bietet weitere Datentypen, von denen assoziative Felder hervorzuheben sind. Diese
sind eine Menge von Paaren (Schlüssel, Zeichenkette). Auf die Zeichenketten eines assoziativen Feldes kann über ihre Schlüssel zugegriffen werden. Assoziative Felder können
vereinigt werden. Außerdem hat Perl einen einfachen Modulmechanismus. Nebenläufige
Ausführung der verknüpften Programme ist möglich (mit fork). Außerdem stehen aus
UNIX bekannte Mechanismen zur Verknüpfung von Programmen zur Verfügung, z.B.
Pipes.
Beispiel:
(39)
Das folgende Perl-Skript benutzt assoziative Felder. In der ersten Zeile wird ein assoziatives Feld durch Angabe der Schlüssel-Wert-Paare definiert. Mit der zweiten Zeile
wird eine Zahl eingelesen. Der Operator chop entfernt das letzte Zeichen einer Zeichenkette; im Beispiel das Zeichen für eine neue Zeile. Bei der Auswertung des Ausdrucks in der bedingten Anweisung wird die Zeichenkette $x automatisch in eine Zahl
konvertiert. Die Ausgabe in der fünften Zeile greift dann auf den Wert eines assoziativen Felds über den Schlüssel zu.
D2
556
D2 Programmiersprachen
%map = (‘1’,’Maier’,’2’,’Müller’,’3’,’Schmidt’);
print "Eingabe einer Zahl (1, 2 oder 3):";
chop($x = <STDIN>);
if (1 <= $x && $x <=3){
print "Name für $x ist $map{$x}\n"
} else {
print "falsche Eingabe\n" }
Tcl/Tk. Die Skriptsprache Tcl/Tk (tool command language with widget toolkit), entwikkelt von Jan Ousterhout, dient dazu, existierende Programme untereinander und mit grafischen Benutzerschnittstellen zu verknüpfen. Programme kommunizieren untereinander
mittels Zeichenketten. Tcl kennt Prozeduren und Funktionen, Parameter werden durch
Namensaufruf übergeben. Wegen der Verknüpfung mit graphischen Benutzerschnittstellen können mit Tcl/Tk verknüpfte Programme nebenläufig ausgeführt werden. Die Ereignisbehandlung ist primitiv und analog zur Ausnahmebehandlung.
Beispiel:
(40)
Das folgende Tcl/Tk-Skript zeigt, wie Fenster und Kommandos miteinander verknüpft
werden. Das Skript besteht aus einem Tk-Teil, der das Aussehen eines Fensters definiert, und aus einem Tcl-Teil (Prozedur Print). Beide Teile definieren die Interaktion
zwischen dem Fenster und dem Tcl-Teil. Das Tk-Kommando button erzeugt einen
Knopf und wird mit einem Tcl-Kommando verknüpft, das beim Drücken dieses Knopfes ausgeführt wird. Dieses Kommando kann auch wie im Beispiel eine Tcl-Prozedur
sein. Das Tk-Kommando entry definiert im Fenster ein Eingabefeld mit dem Namen
.f.digit. Im Rumpf der Prozedur Print kann auf dieses Feld zugegriffen werden. Bei der
Ausführung von .f.digit get wird der aktuelle Wert des Feldes (als Zeichenfeld!) gelesen. Das Tk-Kommando text definiert im Fenster ein Ausgabefeld mit dem Namen
.output. Bei der Ausführung von .output insert end wird das entsprechende Argument
ans Ende des Ausgabefeldes geschrieben.
wm title . "Auswahl"
wm minsize . 100 100
frame .buttons -borderwidth 15
pack .buttons -side top -fill x
button .buttons.quit -text Schließen -command exit
button .buttons.input -text Eingabe -command Print
pack .buttons.quit .buttons.input -side right
frame .f;
pack .f -side top
label .f.l -text "Eingabe einer Zahl (1, 2 oder 3)"
entry .f.digit -width 5 -relief sunken
pack .f.l .f.digit -side left
text .output -width 50 -height 20 -bd 5 -relief raised
pack .output -side top
proc Print {} {
set list {Maier Müller Schmidt}
set c [.f.digit get]
if {$c >= 1 && $c <= 3} {
.output insert end [lindex $list [expr $c – 1]]
.output insert end "\n"
} else {
.output insert end "falsche Eingabe\n"
}}
Python. Die Skriptsprache Python, 1991 entwickelt von G. van Rossum in den Niederlanden, ist objektorientiert und bietet alle Möglichkeiten von Perl, vermeidet aber Perls
häufig kryptische Schreibweisen, indem sie sich syntaktisch und in einigen semantischen
D2.7 Skriptsprachen
557
Eigenschaften an Modula-3 anlehnt. Zusätzlich gibt es mehrere verschiedene Datentypen,
darunter auch flexible und assoziative Felder. Die Gruppierung von Anweisungen, z.B. zu
einem Schleifen- oder Prozedurrumpf, wird in Python nicht durch Klammerung, sondern
durch Einrückung der Zeilen gekennzeichnet; Zeilenwechsel und Einrücken haben also
syntaktische Bedeutung. Wie Perl bietet auch Python eine Schnittstelle zu Tk, um graphische Benutzerschnittstellen zu programmieren. Die Objektorientierung begünstigt auch
den Anschluß anderer Bibliotheken.
Beispiel:
(41)
Das folgende Python-Skript hat dieselbe Semantik wie das Tcl/Tk-Skript in (40). Man
sieht, daß Python eine objektorientierte Sprache ist. Die Klassen App, Button, Frame,
Label usw. werden durch das Paket Tkinter importiert. Konstruktoren ruft man wie in
Java mit dem Klassennamen auf, z.B. in der Klasse App der Aufruf f = Frame(master).
Die Methode out hat wie das Perl-Skript in (39) ein assoziatives Feld map, das ein
Objekt der (vordefinierten) Klasse Mappings ist.
from Tkinter import *
class App:
def _init_(self, master):
buttons = Frame(master)
buttons.pack(side=TOP)
self.quit = Button(buttons, text="Schließen", fg="red", command=buttons.quit)
self.quit.pack(side=RIGHT)
self.input = Button(buttons, text="Eingabe", command=self.out)
self.input.pack(side=RIGHT)
f = Frame(master)
f.pack(side=TOP)
self.l = Label(text="Eingabe einer Zahl (1, 2 oder 3)")
self.l.pack(side=TOP)
self.digit=Entry(f, width=5, relief="sunken")
self.digit.pack(side=LEFT)
self.output = Text(master, width=50, height=20, bd=5, relief="raised")
self.output.pack(side=BOTTOM)
def out(self):
map = { "1":"Maier", "2":"Müller", "3":"Schmidt"}
x = self.digit.get()
if map.has_key(x) : self.output.insert(END, map[x] + "\n")
else: self.output.insert(END, "Falsche Eingabe\n")
root = Tk()
app = App(root)
root.mainloop()
PHP. PHP wurde als Skriptsprache für die Erstellung dynamischer Webseiten entwickelt
(das Akronym PHP/FI stand ursprünglich für personal homepage/forms interpreter und
steht heute für hypertext preprocessor). PHP war zunächst eine Weiterentwicklung von
Perl, die mittlerweile um objektorientierte Konzepte wie Klassen und Vererbung erweitert
wurde (PHP 5). Diese objektorientierten Erweiterungen sind syntaktisch an Java 1.4 orientiert, allerdings ohne die starke Typisierung beizubehalten. Für weitere Details verweisen wir auf Kapitel E10.
Abgesehen von shell scripts werden alle Skriptsprachen mindestens teilweise übersetzt;
der Interpretierer sieht einen attributierten Syntaxbaum. Wegen der intensiven Nutzung
D2
558
D2 Programmiersprachen
vor allem von Perl im Internet kann man einige Skriptsprachen zur Effizienzsteigerung
inzwischen auch vollständig übersetzen.
2.8 Parallelität
Die Sprachelemente aus Abschnitt 2.4 und Abschnitt 2.5 erlauben nur die Formulierung
sequentieller Programme. Für die Formulierung paralleler Programme sei auf das Kapitel
D7 verwiesen. Die Strukturierungskonzepte aus Abschnitt 2.6 sind mit den hier vorgestellten Konzepten kombinierbar.
2.9 Historische Entwicklung von Programmiersprachen
Die erste imperative Programmiersprache, die das Prinzip des strukturierten Programmierens unterstützte, war der Plankalkül von Konrad Zuse aus dem Jahr 1944, der allerdings
erst 1972 veröffentlicht wurde, siehe [Zuse 72]. Anfangs der fünfziger Jahre entstanden
unter Namen wie Autocode oder Formelcode erste höhere Programmiersprachen, die über
arithmetische Ausdrücke und Zuweisungen, bedingte Sprünge, Zählschleifen und Prozeduren, noch meist ohne Parameter, verfügten. Diese Sprachen gingen dann in der ersten
Fassung der Sprache Fortran (FORmula TRANslator) von 1954 auf. Unter Mitarbeit führender Fortran-Entwickler entstanden ab 1958 die verschiedenen Fassungen der ALGOrithmic Language Algol: Algol 58, Algol 60 und Algol 68. In Amerika hatten die Algol 58Dialekte Neliac und Jovial jahrzehntelang Verbreitung. In Europa war in den sechziger
Jahren neben Fortran vor allem Algol 60 zur Formulierung numerischer Aufgaben verbreitet. Algol 60 war anfangs die einzige Programmiersprache, in der die Association for
Computing Machinery (ACM) Algorithmen veröffentlichte. Der Algol-60-Bericht
[Naur 63] gilt auch heute noch als klassisches Musterbeispiel eines präzisen, aber in
natürlicher Sprache geschriebenen Sprachberichts.
Aus der Arbeit [McCarthy 60] entstand die Programmiersprache Lisp [McCarthy 81,
McCarthy 85], aus der die heutigen funktionalen Programmiersprachen hervorgingen.
Lisp und der zugrundeliegende λ-Kalkül hatten aber auch großen Einfluß auf Algol 68, auf
weitere imperative Sprachen und insbesondere auf deren Semantik.
Um die gleiche Zeit entstand die auch heute noch am weitesten verbreitete Programmiersprache COBOL (COmmon Business Oriented Language). Es wird oft übersehen, daß die
in COBOL vorgesehene Dezimalarithmetik (BCD-Arithmetik) wegen der vorgeschriebenen dezimalen Rundung für Geldberechnungen unabdingbar ist und nicht durch Rechnen
im Binärsystem ersetzt werden kann. Insbesondere die Anbindung von Datenbanken an
Programmiersprachen, die in Form der „Sprachen der vierten Generation“ (4GLs, 4th
Generation Languages) später zu einer eigenständigen Form von Programmiersprachen
führte, verdankt ihren Ursprung der Sprache COBOL. Die auch heute noch verbreitete
Programmiersprache PL/1, die 1965 von Mitarbeitern der Firma IBM entwickelt wurde,
war der Versuch, die Stärken von COBOL mit denen der Fortran/Algol-Entwicklung zu
kombinieren. Ihre formale Beschreibung mit VDL (Vienna Definition Language) bildete
den Ausgangspunkt der Spezifikationsmethode VDM (Vienna Definition Method).
Auch die zuerst in Pascal [Wirth 71] auftauchenden Verbunde (siehe Abschnitt 2.4.2) und
die Fallunterscheidung gehen eigentlich auf COBOL zurück. Wirth beschrieb Pascal zu
Recht als die auf das Wesentliche reduzierte, verallgemeinerte Fassung von Algol 60. Pascal bildete nicht nur die Grundlage der Methodik des strukturierten Programmierens, sondern hat bis in die syntaktische Formulierung hinein zahlreiche Programmiersprachen bis
D2.9 Historische Entwicklung von Programmiersprachen
559
heute beeinflußt. Die interpretative Implementierung von Pascal mit Hilfe des P-Codes
war der Ausgangspunkt für die Entwicklung von Turbo-Pascal und Vorbild für die Bytecode-Implementierungen von Smalltalk und Java.
In der zweiten Hälfte der sechziger Jahre entwickelte Christopher Strachey, Professor in
Oxford, die experimentelle Sprache CPL (Christopher’s Personal Language). Auf sie
gehen die Sprachen BCPL, eine der ersten maschinenunabhängigen Systemimplementierungssprachen und C, und damit in der Folge auch C++, Java und C# zurück. Insbesondere das Rechnen mit left hand values, also mit Zeigern, geht auf CPL zurück. Seinen
Erfolg verdankt C nicht nur dem Umstand, daß ab 1971 das Betriebssystem UNIX und
seine Dienstprogramme in C geschrieben wurden, sondern vor allem der Tatsache, daß C
es allen Programmierern, die aus Maschinensprachen oder COBOL in die Systemprogrammierung mit „höheren“ Programmiersprachen umstiegen, erlaubte, ihre bisherige
Berufserfahrung in einfacher Weise weiterzuverwerten, während in Pascal und seinen
Nachfolgern ein rigoroses Umdenken gefordert wurde.
Mitte der siebziger Jahre entwickelte Niklaus Wirth die Sprache Modula als Grundform
modularer Programmiersprachen, auf der dann die Sprachen Ada und Modula-3 aufbauten [Cardelli 92]. Die von Jean Ichbiah entwickelte Sprache Ada verdankt im übrigen viel
der zeitgleich mit Modula und ebenfalls von Ichbiah entworfenen Sprache LIS (Langage
d’Implementation des Systèmes) [Ichbiah 74]. Zu den modularen Programmiersprachen
gehört auch die Sprache CLU von Barbara Liskov [Liskov 77, Liskov 79], die zwar keine
weite Verbreitung fand, deren Implementierer aber danach und aufbauend auf Ideen von
CLU die Architektur des X-Window-Systems entwarfen.
Die Entwicklung objektorientierter Programmiersprachen beginnt mit dem Entwurf von
SIMULA 67 durch Ole-J. Dahl, B. Myrhaug und K. Nygaard in Oslo in den Jahren 1965/
67, siehe [Dahl 68]. Diese geniale Programmiersprache ist eine Erweiterung von Algol 60
zur Lösung ereignisgesteuerter Simulationsaufgaben. Sie nahm nahezu alle Ideen der
nächsten beiden Jahrzehnte über modulare und objektorientierte Programmstrukturen
vorweg, wenngleich zunächst unklar blieb, warum diese Ideen so erfolgreich werden
könnten. Die Entwicklung von Smalltalk 1974/80 durch Adele Goldberg und ihre Mitarbeiter in XEROX PARC baut auf Ideen von Alan Kay und Simula 67 auf. Sie erklärt implizit einen Teil der Ideen, indem sie sie auf das Entwurfsprinzip Kooperation von Objekten
(im Gegensatz zur hierarchischen Dekomposition von Problemen) zurückführt; damit
wird im übrigen klar, daß Objektorientierung vor allem eine Entwurfsmethodik ist und die
üblicherweise als wesentlich genannten Begriffe Klassen, Vererbung und Polymorphie
(zusammen mit Generizität) nur Implementierungshilfsmittel für dieses Entwurfsprinzip
sowie für den Entwurf wiederverwendbarer Software sind. C++, entworfen von Bjarne
Stroustrup [Stroustrup 98], ist bis hin zum Begriff der virtuellen Methoden eine Adaption
der Begriffswelt von Simula 67 an die Begriffswelt von C; lediglich die Methodik des
Überladens von Methoden und die (nachträglich eingefügten) Schablonen zur Beschreibung generischer Klassen bieten wesentlich Neues. Java vereinfacht diese Begriffswelt,
um Typsicherheit zu erreichen. Während Sprachen wie Smalltalk, C++, Java und Eiffel
ausschließlich Referenzklassen kennen, erweitert C# die Sprache Java um Werteklassen,
ohne die Eigenschaft der Typsicherheit zu verletzen. Die Sprache Eiffel von Bertrand
Meyer ist eine Reformulierung der objektorientierten Ideen mit den Begrifflichkeiten von
Pascal/Modula/Ada; auch hier tritt das Entwurfsprinzip Kooperation von Objekten in
Form des vertraglichen Entwurfs (design by contract) klar hervor. Viele der objektorientierten Entwurfsideen, auf denen Vererbung beruht, wie zum Beispiel die Relation „A is a
B“, finden sich bereits in [Minsky 75] und zeigen die nahe Verwandtschaft der objektorientierten Ideenwelt zu Begriffen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz. Der dort
eingeführte Begriff der Ähnlichkeit von frames hat im objektorientierten Bereich noch
D2
560
D2 Programmiersprachen
keine passende Anwendung gefunden. Die meisten heute in der Industrie gebräuchlichen
Programmiersprachen sind standardisiert. Die Sprachen Java und C# sind prominente
Ausnahmen. Die Zukunft wird zeigen, inwieweit sich auch diese Sprachen einer Standardisierung unterziehen werden. Neuere Entwicklungen im Bereich der Programmiersprachen reduzieren Sprachkonzepte auf ihren Kern und lagern viele Konzepte in Bibliotheken aus.
Die historische Entwicklung und viele Einzelheiten über Programmiersprachen findet
man in den Büchern [Sammet 69, Wexelblat 81, Bergin 96]. Das Buch [Horowitz 87] enthält den Nachdruck zahlreicher interessanter Artikel, darunter des Algol-60-Berichts.
Allgemeine Literatur
Abelson, H.; Sussman, G. J.: Structure and interpretation of computer programs. 2nd ed. Cambridge, Mass.:
MIT Press 1997
Aho, A. V.; Sethi, R.; Ullman, J. D.: Compilers: principles, techniques, and tools. Reading, Mass.: AddisonWesley 1996
Goos, G.: Vorlesungen über Informatik. Band 1: Grundlagen und funktionales Programmieren. 2. Aufl.
Berlin: Springer 1997
Goos, G.: Vorlesungen über Informatik. Band 2: Objektorientiertes Programmieren und Algorithmen. 2.
Aufl. Berlin: Springer 1999
Louden, K. C.: Programming languages – principles and practice. Boston: PWS-Kent Publishing Company
1993
Nielson, H. R.; Nielson, F.: Semantics with applications – a formal introduction. New York: Wiley 1992
Sethi, R.: Programming languages – concepts and constructs. 2nd ed. Reading, Mass.: Addison-Wesley
1989
Stansifer, R.: Theorie und Entwicklung von Programmiersprachen. München: Prentice-Hall 1995
Tennent, R. D.: Principles of programming languages. Englewood Cliffs: Prentice-Hall 1981
Waite, W. M.; Goos, G.: Compiler Construction. Heidelberg: Springer 1985
Spezielle Literatur
[Ada 95] Ada 95 Reference Manual. International Standard ANSI/ISO/IEC-8652: 1995
[Bergin 96] Bergin, T. J.; Gibson, R. G.: History of programmig languages. Reading, Mass.: AddisonWesley 1996
[C 99] C, International Standard ISO/IEC 9899:1999
[C# 01] C# Language Reference Manual: http://msdn.microsoft.com/library/default.asp, 2001
[C# 05] C# Language Specification, Standard ECMA 334, 2005
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