Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.1

(1)

Info B VL 1: Einführung

Objektorientiere Programmierung in Java 2003

Ute Schmid (Vorlesung) Elmar Ludwig ( ¨ Ubung)

FB Mathematik/Informatik, Universit¨at Osnabr¨uck

Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.1

(2)

Programmier-Paradigmen (1)

Imperativ/Prozedural

Wertezuweisung an Variablen, Zustandstransformation

Nah am Modell des von-Neumann Rechners Fortran, Modula, Pascal, C

Logisch

Programm als Menge von logischen Klauseln Beweis der Anfrage (SLD-Resolution)

Prolog

(3)

Programmier-Paradigmen (2)

Funktional

Programm als Menge von (typisierten) Funktionen nur call by value, Seiteneffekt-Freiheit!

Lisp, ML, Haskell Objektorientiert

jüngstes Paradigma (80er Jahre)

Programm als Menge von Objekten, die miteinander interagieren

Smalltalk, C++, Java

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(4)

Entwicklung von Hochsprachen

Erste Generation: Maschinensprachen Zweite Generation: Assemblersprachen Hochsprache

Dritte Generation: Imperative Sprachen Lesbarkeit, Modularisierung (Dijkstra) Compiler bzw. Interpreter

Vierte Generation: Anwendungsspezifische Sprachen

SQL, Mathematica

Fünfte Generation: Deklarative Sprachen

logische/funktionale

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Entwicklungsbaum

Fortran

Algol−58

Algol−60 Cobol

Simula I

Simula−67 Algol−68

C

Modula−2 Fortran−77

Ada−83

Modula−3

Ada−95 Java

Eiffel

Objective C C++

CLOS

Haskell Standard−ML Common Lisp

ML Scheme

Lisp

Fortran−90

Smalltalk

Prolog 1957

1958 1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995

Pascal

IMPERATIV OBJEKTORIENTIERT FUNKTIONAL LOGISCH

Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.5

(6)

Natürliche und Formale Sprachen

Organisation in Sprachfamilien

Indogermanisch (englisch, deutsch, ...) vs.

romanisch (italienisch, französisch) vs. slawisch ...

Sprache und Vorstellung von der Welt sind eng verzahnt (Zeitpfeil vs. Zyklus)

Sprachen innerhalb eines Programmierparadigmas basieren auf ähnlichen Grundstrukturen

Sprache besteht aus

Syntax (Grammatik): Erzeugung von wohlgeformten Sätzen

Semantik: Bedeutung der Konstrukte (“Baum”,

“do-while”)

Pragmatik: Verwendung

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Kenntnis von mehr als einem Paradigma

Größeres Repertoire an Ausdrucksmöglichkeiten Hintergrund für geeignete Sprachwahl

Bessere Voraussetzung um neue Sprachen zu lernen Verständnis von Implementationsdetails

Voraussetzung für Sprachentwicklung

Allgemeine Entwicklung von Programmiersprachen

Die Grenzen meiner Sprache sind die Grenzen meiner Welt.

L. Wittgenstein

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Prozeduren

Strukturierung von Programmen:

Objekt-orientiert: Klassen als kleinste autonome Bausteine

Imperativ:

Deklarationsblock Prozeduren

Hauptprogramm

Prozedur (vgl. Java Methode)

Kopf: Namen {Parameter} [ Rückgabetyp]

Rumpf: Anweisungen lokale Variablen

Programmbeispiel: ggt.m2

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Parameterübergabe-Methoden

Kopf einer Prozedur/Methode: formale Parameter Rumpf: selbe Parameter als Platzhalter für konkrete Werte

Übergabe-Methoden

Call-by-value: erst auswerten, dann Wert einsetzen Call-by-reference: Referenz (Adresse) wird

übergeben

Seiteneffekt kann (gewollt/ungewollt) auftreten!

Speicherplatz-Ersparnis (Kopieren von Arrays) Call-by-name: Argumentausdrücke werden

unausgewertet übergeben, Auswertung “by need”

In Modula, C, C++: call-by-value und call-by-reference In funktionalen Sprachen: call-by-value oder call-by

name Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.9

(10)

Call-by-Value in Java

Programmbeispiel: PassByValue.java

Button Object b

y

Button Object b

Button Object Another y

Java: nur call-by-value (auch für Referenztypen!)

(11)

Sprachimplementierung

Programm (Code, Quellcode) Programmausführung:

Start, Eingabe

Berechnung (Transformation der Eingabe) Ausgabe

Laufzeit (Aufwandsklasse des dem Programm zugrundeliegenden Algorithmus, Rechnerleistung) Übersetzung von Quellcode durch Compiler (C) Direkte Ausführung von Programmcode durch Interpreter (Prolog)

Hybrid: Erst Compilierung in Zwischencode, dann Interpretation

In Java: Zwischencode ist maschinenunabhängiger Bytecode, Java Virtual Machine führt Bytecode (rechnerspezifisch) aus

Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.11

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Implementationssysteme

Ausgabe Interpreter Eingabe

Quellprogramm Quellprogramm

Lexikalische Analyse

Syntaxanalyse

Zwischencode−Erzeugung

Eingabe Zwischencode

Interpreter Ausgabe Quellprogramm

Ausgabe

Lexikalische Analyse

Codeerzeugung Symbol−

tabelle Semantische Analyse Zwischencode−Erzeugung

Syntaxanalyse

(Optimierung) Compiler

ÜBERSETZZEIT LAUFZEIT

Maschinencode

Maschine

Eingabe

(13)

Syntax

Die Syntax einer Sprache legt fest, wie einzelne Symbole zu größeren Strukturen zusammengesetzt werden dürfen.

Syntax wird durch Grammatik beschrieben:

mit

als Menge der Nonterminal-Symbole

als Menge der Terminalsymbole (Alphabet)

als Menge der Grammatikregeln (Produktionen)

als Startsymbol.

Beispiele (Englisch, 01-Worte)

Bei formalen Sprachen, spricht man von erzeugten Worten über einem Alphabet

Produktivität: endliche Grammatik erlaubt die Erzeugung von unendlich vielen Worten

Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.13

(14)

Reguläre und Kontextfreie Sprachen

(Chomsky Hierarchie)

Reguläre Sprachen: Regeln der Form

bzw.

Kontextfreie Sprachen: rechts beliebige Kombinationen aus Terminalen und Nonterminalen erlaubt

beschreibt die Sprache

Programmiersprachen sind im wesentlichen kontextfrei (mit kontext-sensitiven Anteilen, z.B. “Variablennamen müssen deklariert werden vor sie benutzt werden” )

Statt üblicher Grammatik-Schreibweise werden BNF (Backus-Naur Form) oder EBNF (erweiterte BNF) zur Darstellung der Syntax einer Programmiersprache

verwendet.

BNF und EBNF sind äquivalent zu kontextfreien

(15)

Backus-Naur Form

Produktionsregeln haben die Form Kopf ::= Körper.

Nichtterminale werden in spitzen Klammern

dargestellt, dadurch können auch ganze Wörter statt nur einzelne Symbole als Nonterminale verwendet werden.

Alternative rechte Seiten werden durch einen senkrechten Strich getrennt dargestellt.

Runde Klammern regeln Zusammenfassung und

Vorrang. Alternativen haben den geringsten Vorrang.

Anschaulich stellt man BNF durch Syntaxdiagramme dar.

Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.15

(16)

EBNF

EBNF, zusätzliche Abkürzungen:

eckige Klammern ([ ]) umschließen Symbolfolgen, die null oder einmal auftreten dürfen

geschweifte Klammern ({ }) umschließen

Symbolfolgen, die beliebig oft (auch null-mal) vorkommen dürfen.

Java in EBNF findet sich unter:

http://cui.unige.ch/db-research/Enseignement/analyseinfo/JAVA/

(17)

Java Syntax in EBNF

class_declaration ::=

{ modifier } "class" identifier [ "extends" class_name ]

[ "implements" interface_name { "," interface_name } ]

"{" { field_declaration } "}"

(hier Terminale in Anführungszeichen, Nonterminale ohne Klammern)

Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.17

(18)

Parser

Die eindeutige und vollständige Beschreibung der Syntax einer Programmiersprache ist wichtig für den Programmierer, um syntaktisch korrekte Programme zu schreiben, und Grundlage für den Parser.

Ein Parser ist ein Akzeptor für einen Programmtext.

Ein syntaktisch korrektes Programm wird ein einen Syntaxbaum überführt.

Ein guter Parser gibt informative Fehlermeldungen, falls das Programm nicht der Grammatik der

Programmiersprache genügt.

Programmiersprachen sollten syntaktisch eindeutig sein. Das heisst, jede Folge von Symbolen entspricht genau einem Parse-Baum.

Wenn Uneindeutigkeiten existieren, werden sie durch

(19)

Dangling Else Ambiguity

S

:: = if E

then S

[else S

] entspricht den Alternativen:

S

::= if E

then S

S

::= if E

then S

else S

Zu welchem if gehört das else?

if E1 then if E2 then S1 else S2

Typische Auflösung: Matche else mit dem am nächsten stehenden noch ungematchten if.

Die Kenntnis entsprechender Konventionen sind Voraussetzung für die Vermeidung von

Programmierfehlern!

Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.19

(20)

Parsebäume für Dangling Else

else S2

S

E2 then S1 if

E1 then S

if if

else S2

E1 then S

S

E2 then S1

if

(21)

Semantik

Formale Beschreibung der Syntax einer

Programmiersprache ist relativ leicht nachvollziehbar.

Üblicherweise verbinden wir durch die Wahl der

Schlüsselworte bereits eine (intuitive und nicht immer zutreffende) Bedeutung mit den Sprachkonstrukten.

Aber: Dem Parser ist es völlig egal, ob im Programm

“for” oder “bla” steht, solange er die entsprechende Regel in der Grammatik finden kann!

Es ist wünschenswert, dass die Semantik einer

Sprache genauso eindeutig und präzise beschrieben wird wie die Syntax.

Nur für wenige Sprachen ist jedoch eine formale

Semantik angegeben. Meistens wird die Bedeutung der Sprachkonstrukte informell natürlichsprachig

beschrieben.

Info B VL 1: Einf¨uhrung – p.21

(22)

Semantik (2)

Für voll durchformalisierte Sprachen ist es möglich, Korrektheitsbeweise wenigstens zum Teil automatisch durchzuführen (Spezifikationssprachen wie ).

Verschiedene Möglichkeiten, die Semantik einer Sprache formal anzugeben:

Operationale Semantik: Regeln, nach denen Ausdrücke ausgewertet werden

(Reduktionssemantik).

Denotationale Semantik: Interpretation der

Sprachkonstrukte in eine “bekannte” Sprache (z.B.

Algebra).

Axiomatische Semantik: Angabe von Gesetzen

und Regeln (Hoare Kalkül).

(23)

Pragmatik

Die Pragmatik einer Sprache beschreibt, wie die

Konstrukte einer Sprache sinnvoll eingesetzt werden.

(Entscheidung, ob eine pre-check-loop (while) oder

eine post-check-loop (do-while) verwendet werden soll;

Entscheidung zwischen Schleife und rekursiver Lösung.)

Um das, was eine Sprache bietet, optimal

auszunutzen, ist genaue Kenntnis des realisierten Paradigmas sowie der Implementierung der Sprache wichtig!

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