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Basisinformationstechnologie HK-Medien

Basisinformationstechnologie HK-Medien. Teil 1, 9.Sitzung WS 02/03. Geschichte der Programmiersprachen. Seit der Entwicklung des ersten Computers wurden ca. Eintausend Programmiersprachen (PSS) entwickelt Turm von Babylon der Programmiersprachen 

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  1. BasisinformationstechnologieHK-Medien Teil 1, 9.Sitzung WS 02/03 BIT – Schaßan – WS 02/03

  2. Geschichte der Programmiersprachen • Seit der Entwicklung des ersten Computers wurden ca. Eintausend Programmiersprachen (PSS) entwickelt • Turm von Babylon der Programmiersprachen • Sammet, J.: Programming Languages: History and Fundamentals. Prentice Hall, 1969. BIT – Schaßan – WS 02/03

  3. PSS • Wie natürliche Sprachen haben PSS eine Grammatik mit • Syntax • Semantik • PSS verlangen allerdings genaueres Einhalten der Regeln, da sonst ein Ausdruck (und damit evtl. das ganze Programm) nicht verstanden wird. BIT – Schaßan – WS 02/03

  4. Höhere PSS • Höhere PSS bieten abstraktere Sicht auf Daten und Operationen • Daten nicht mehr als Register- oder Speicherzelleninhalte, sondern als mathematische Objekte • statt Speicherzelle  Variable • Operationen werden durch Befehle ausgeführt, die das (abstrakte) Ergebnis durch gezielte Verknüpfungen und Speicherveränderungen erzielt  befehlsorientierte, imperative PSS BIT – Schaßan – WS 02/03

  5. Typen von PSS • imperative(befehls-, problemorientierte, prozedurale) • objektorientierte vs. • deklarative(logische)  meist keine strenge Trennung der Konzepte • funktionale (applikative) vs. • operationale Semantik BIT – Schaßan – WS 02/03

  6. Imperative PSS • Zur Lösung eines Problems müssen die verfügbaren Operationen des Rechners durch geschickte Kombinationen verbunden werden • In höheren PSS abstraktere Formulierungen und Loslösung von Eigenarten der Hardware • z.B. BASIC, Pascal, C, C++, Java BIT – Schaßan – WS 02/03

  7. Deklarative PSS • Aus einer nach bestimmten Regeln gebilde-ten mathematischen Formulierung des Problems wird automatisch ein Programm erzeugt. • Funktionsdefinition, -anwendung, -komposition • auf mathematischen Kalkülen basierend • Prädikatenlogik (logische Sprachen)  PROLOG • Lambda-Kalkül (funktionale Sprachen)  LISP BIT – Schaßan – WS 02/03

  8. Prädikatenlogik • Aussagenlogik: • Darstellung von Aussagen (Theoremen) • Vollständigkeit, Widerspruchsfreiheit, Ableitbarkeit • Prädikatenlogik: • zweiwertige Logik (t/f) • Prädikat stellt Eigenschaften der Argumente oder deren Beziehungen untereinander dar BIT – Schaßan – WS 02/03

  9. Prädikat • Ein Prädikat im logischen Sinn ist eine Aneinanderreihung von Wörtern einer natürlichen Sprache, die mindestens null Leerstellen enthält und die zu einem Aussagesatz der natürlichen Sprache wird, wenn in jede Leerstelle ein Eigenname eingesetzt wird. • Die Zahl der Leerstellen, die ein Prädikat enthält, ist die Stelligkeit des Prädikats. • Sokrates ist ein Mensch  keine Leerstelle, nullstellig BIT – Schaßan – WS 02/03

  10. Lambda-Kalkül • Besteht aus Kalkülsprache (Alphabet, wohlge-formten Ausdrücken) und Deduktionsgerüst (Axiome, Ableitungsregeln) • Funktionsabstraktionλx . A Funktion x mit Funktionskörper A • FunktionsapplikationF A Funktion F auf Ausdruck A angewandt • keine Zahlen, Funktionsnamen, Wahrheitswerte, etc. BIT – Schaßan – WS 02/03

  11. Lambda-Kalkül (2) • abstrakte Syntax: <λ-Ausdruck> = <Variable> Variablenname | <λ-Ausdruck> <λ-Ausdruck> Applikation | <λ-Ausdruck> . <λ-Asudruck> Abstraktion BIT – Schaßan – WS 02/03

  12. Lambda-Kalkül (3) • Beispiele: • Identität: λx . x • Zweimalige Anwendung einer Funktion auf ein Argument: (λ f . (λx . f (f x))) u v (λx . u (u x)) v  u (u v) BIT – Schaßan – WS 02/03

  13. Konzepte deklarativer PSS • ein der Mathematik entlehntes Variablen-konzept Variable als Name für einen Wert keine Speicherveränderung keine Zuweisungen, keine Kontrollstrukturen (while, repeat etc.) • Rekursion • u.a. BIT – Schaßan – WS 02/03

  14. imperativ vs. deklarativ • deklarative meist interpretiert, imperative kompiliert  imperative effizienter • Umstieg auf deklarativ schwierig • KI vorwiegend mit Hilfe deklarativer BIT – Schaßan – WS 02/03

  15. Charles Babbage (1792-1871) • Charles Babbage (1792-1871) entwarf zwei Rechenmaschinen, die Difference Machine (1823) und die Analytical Engine (1834). Die Maschinen wurden niemals fertig gestellt. • Die einzige arithmetische Operation, die ausgeführt werden sollte, war die Addition mit 27-stelligen Dezimalzahlen. BIT – Schaßan – WS 02/03

  16. Konrad Zuse (1910-1995) • Konrad Zuse baute mit dem Rechner Z3 (1941) eine Programmgesteuerte Rechenmaschine, basierend auf dem binären Zahlensystem (Gleitkomma-Arithmetik), die wirklich funktionierte. • Die erste Programmiersprache der Welt für Rechner (Computer) wurde von 1942-1945 von Konrad Zuse /ZUSE45/ entwickelt. • Er nannte sie den Plankalkül. BIT – Schaßan – WS 02/03

  17. Plankalkül • basiert auf dem Aussagen- und Prädikatenkalkül • Rechner, wie die Z3 und Z4, bezeichnete er als algebraische Rechenmaschinen • Mit Hilfe des Plankalkül sollten kombinatorische Aufgaben beschrieben werden und dann in Programme für algebraische Rechengeräte umgesetzt werden • Der Plankalkül wurde nie implementiert, er diente aber als Diskussionsgrundlage für Programmier-sprachen, wie z.B. ALGOL58 / 60, EIFFEL. BIT – Schaßan – WS 02/03

  18. Plankalkül (2) • Oberflächlich gesehen nahm der PK wesentliche Züge der späteren algorithmischen Sprachen, wie ALGOL vorweg. • Entsprechungen für die gängigen Kontrollkon-strukte wie IF und REPEAT-UNTIL-Anweisungen. • alle in höheren Programmiersprachen übliche skalare Datentypen wie boolean, integer, real , complex • Allerdings z.B. kein "Verstecken" der Datentypen BIT – Schaßan – WS 02/03

  19. Datentypen • Datentypen = Objektarten, mit denen in den Anwendungen gerechnet wird (z.B. logische Größen, Zahlen der verschiedensten Art, abstrakte Bezeichner, usw.), einschließlich der Operationen, die auf die einzelnen Objektarten angewandt werden können • auf der Hardwareebene durch Bitketten repräsentiert BIT – Schaßan – WS 02/03

  20. Datentypen (2) • Prinzip, dass der Programmierer nach Möglichkeit nur die Typen der Sprache sieht, nicht jedoch die sie repräsentierenden Bitketten (die nur der Maschine bekannt sein müssen) • Das Verbergen der Datenrepräsentation gibt dem Programmierer eine abstrakte, anwendungsbezogene Sicht der Datentypen und macht so die Programmierung einfacher und fehlerfreier • andererseits wird dem Programmierer die Möglichkeit genommen, eigene Typen definieren zu können BIT – Schaßan – WS 02/03

  21. Datentypen (3) • Jeder Datentyp ist definiert durch die Menge der zulässigen Werte (Wertebereich) und die Menge der zulässigen Operationen. • Zwei Datentypen heißen strukturgleich, wenn sie denselben Wertebereich besitzen. BIT – Schaßan – WS 02/03

  22. Datentypen (4) • Unterscheidung zwischen • TypdefinitionBeschreibung eines Datentyps durch Angabe des Wertebereichs (und impliziter Festlegung der Operationen) • TypdeklarationBekanntgabe eines neuen Datentyps durch Angabe des neuen Typnamens und der zugehörigen Typdefinition. BIT – Schaßan – WS 02/03

  23. Polymorphes Typsystem • Polymorph heißt ein Typsystem, wenn die Definitions- und Wertebereiche nicht starr durch atomare Typen oder Kombinationen aus atomaren Typen festgelegt sind, sondern durch die Verwendung von Typvariablen flexibel gehalten werden. • Eine Funktion kann dann mit verschiedenen konkreten Typen arbeiten. BIT – Schaßan – WS 02/03

  24. Datentypen: Beispiel Java • In Java gibt es folgende grundlegende Basis-Datentypen: • byte 8 Bit Zahlenwert (-128..127) • short 16 Bit, int 32 Bit, long 64 Bit Zahlenwert • float 32 Bit IEEE 754 Fließkommazahl, double 64 Bit • char 16 Bit Unicode Zeichen • boolean echter 1 Bit Wert • Arrays • String Unicode String • StringBuffer BIT – Schaßan – WS 02/03

  25. FORTRAN • Formula Translator • John Backus • 1954-1962 • Zur Durchführung numerischer Berechnungen BIT – Schaßan – WS 02/03

  26. COBOL • Common Business Oriented Language • ab 1959 auf Anregung des US Department of Defense entwickelt • Eine der englischen Sprache angenäherte PS für kaufmännische Aufgaben BIT – Schaßan – WS 02/03

  27. ALGOL 58/60 • Algorithmic Language • Naur, Bauer, Perlis, Hoare, Samuelsen • Entwicklung in Wechselbeziehung mit der Fortentwicklung der funktionellen Fähigkeiten der Rechenanlagen • symbolische Adresse (Wilkes 1953) • indirekte Adressierung (Schecher 1955) • unter dem Eindruck der Probleme der maschinellen Übersetzung von algorithmischen Sprachen in Maschinensprachen BIT – Schaßan – WS 02/03

  28. ALGOL-Nachfolger • Aus der Sprache ALGOL entstanden viele andere imperative Sprachen, wie • PASCAL • SIMULA • ALGOLW, ALGOL68 • PL/1 • C • und besonders ADA BIT – Schaßan – WS 02/03

  29. BASIC • Beginners All Purpose Symbolic Instruction Code • 1963/4 Kemeny, Kurtz • vereinfachte Fassung von Fortran • verfügt allerdings über kein adäquates Prozedurkonzept für mittlere bis große Aufgaben und keine problemorientierten Datenstrukturen • Anders: VisualBASIC, besonders zur Programm-ierung graphischer Benutzerschnittstellen BIT – Schaßan – WS 02/03

  30. PL/1 • Programming Language 1 • Mitte 60er Jahre • Versuch, universelle PS zu entwickeln • unübersichtlich, schwer zu implementieren, aber maßgeschneidert für Anforderungen vieler Programmierer BIT – Schaßan – WS 02/03

  31. Pascal • nach Blaise Pascal (1623-1662) benannt • N. Wirth 1968-73 • als einfachere, systematische Alternative zu ALGOL68 und PL/1 • zum Einsatz im Informatikunterricht • erstmals systematisches Typkonzept • strukturierte PS (if-, while-Anweisungen) BIT – Schaßan – WS 02/03

  32. Pascal-Nachfolger • darauf aufbauend: • Modula-2  modulorientiert • OBERON(-2)  objektorientiert • Mesa • Euklid • ELAN  für dt. Schulunterricht • Delphi BIT – Schaßan – WS 02/03

  33. Ada • Ada Augusta, der Gräfin von Lovelace • von US- DoD in Auftrag gegeben, 1979 ein europäischer Entwurf als Basis akzeptiert • enthält Konzepte wie • Modularisierung, separate Compilierung • Parallelverarbeitung • Ausnahmebehandlung • polymorphes Typsystem BIT – Schaßan – WS 02/03

  34. C / C++ • Dennis Ritchie 1972 (Bell Laboratories) • immer noch eine Reihe maschinennaher Sprachkonstrukte  "höhere Maschinensprache" • UNIX ist in C geschrieben(C ist durch UNIX entstanden) • C++ ursprünglich als objektorientierter Zusatz implementiert  Präprozessor übersetzte C++ nach C, dann nach Maschinensprache BIT – Schaßan – WS 02/03

  35. LISP • List Processor • McCarthy (1959) • Funktionale Sprache (Lambda-Kalkül) • als PS zur nichtnumerischen (symbolischen) DV konzipiert  KI • Listen als Möglichkeit, verschiedenartige Objekte aufzubauen, zu zerlegen und zu bearbeiten (DEF FAK (N) (COND ((ZeroP N) 1) (T (Times N (FAK (SUB 1 N)))))) BIT – Schaßan – WS 02/03

  36. ML • Meta Language • keine rein funktionale Sprache, einige imperative Elemente • Wegweisendes polymorphes Typsystem BIT – Schaßan – WS 02/03

  37. PROLOG • PROgrammation en LOGique • Kowalski, 1971-74 • Logische Sprache (Prädikantenlogik) • interaktive Verständigung zwischen dem Anwender und dem PROLOG-System, in dem der Anwender z.B. folgendes vornehmen kann: • Fakten für Objekte und Beziehungen deklarieren • Regeln für Objekte und Beziehungen definieren sowie • über Objekte und Beziehungen Anfragen stellen. BIT – Schaßan – WS 02/03

  38. PROLOG-Beispiele • Valuable (Gold)./* Gold ist wertvoll.*/ • Valuable (Money)./* Geld ist wertvoll.*/ • Father (John, Mary)./* John ist der Vater von Mary.*/ • Gives (John, Book, Mark)./* John gibt Mark das Buch.*/ • King (John, France)./* John ist König von Frankreich.*/ • I am./* Ich bin.*/ BIT – Schaßan – WS 02/03

  39. PROLOG-Beispiele (2) • Valuable (Gold)? /* Ist Gold wertvoll*/ • Yes • Father (x,Mary)? • x=John • Valuable (x)? • x=Gold • x=Money BIT – Schaßan – WS 02/03

  40. Smalltalk • Alan Kay, Anfang 70er Jahre entwickelt, Anfang 80er publiziert • erste konsequent objektorientierte PS • mit graphischer Benutzeroberfläche (für Kinder geplant)  aber: Glaube an Effizienzverlust durch virtuelle Maschine zur Ausführung verhindert großen Erfolg BIT – Schaßan – WS 02/03

  41. Java • 1991, Sun • grundsätzlich auf C aufbauend, jedoch rein objektorientiert, keine Prozedurenelemente • Vorteile: • Plattformunabhängigkeit aufgrund VM • Programme laufen "sicher" in einer Umgebung, ohne auf die Ressourcen des Computers zugreifen zu können • Routinen für graphische Oberflächen BIT – Schaßan – WS 02/03

  42. Übersicht PSS BIT – Schaßan – WS 02/03

  43. Sonstige Sprachen • Scriptsprachen • Perl (Practical Extraction and Report Language ) • PHP • Javascript • Datenbanksprachen • SQL (Standard Query Language) • Makrosprachen • VBA (Visual Basic for Applications) • Sprachen für bestimmte Anwendungsfelder • Publizieren (TeX, PostScript) BIT – Schaßan – WS 02/03

  44. Weitere Konzepte • wesentliche Beiträge zu einem einheitlichen und vollständigen begrifflichen System der Program-mierung (zur Schaffung einer semantischen Basis) • J.Green 1959 (Namenserzeugung) • K.Samuelson 1959 (Blockstruktur) • N.Wirth 1965 (Referenzkonzept und die Sprachen ALGOLW, PASCAL, usw.) • C.Hoare 1966 (Verbund) BIT – Schaßan – WS 02/03

  45. Software Engeneering • Softwarekrise Mitte der 60er  durch neue Rechnergenerationen geschaffenen Möglichkeiten übertrafen bei weitem die bis dahin entwickelten Programmiertechniken • Abkehr von der Kunst des Programmierens und Hinwendung zu einer ingenieurmäßigen Software-Entwicklung • Softwareherstellung als zusammenhängen-der Prozess BIT – Schaßan – WS 02/03

  46. Modularisierung • Grundlegende Ziele: • Korrektheit, Robustheit, Erweiterbarkeit, Widerverwendbarkeit, Kompatibilität • Kriterien: modulare… • Zerlegung (Reduktion der Komplexität) • Zusammensetzung (Erstellung von Softwareelementen aus anderen, bestehenden Softwareelementen) • Verstehbarkeit • Kontinuität (kleine Änderungen der Spezifikation sollte nur kleine Änderungen am Gesamtsystem nach sich ziehen) • Schutz (Ausnahmefehler sind in Modulen zu behandeln) BIT – Schaßan – WS 02/03

  47. Literatur • Geschichte der PSS: • http://tunes.org/Review/Languages.html • http://www.cs.iastate.edu/~leavens/teaching-prog-lang/home.html • http://ivs.cs.uni-magdeburg.de/~dumke/PSK/ • Kurzerläuterungen zu PSS und Links: • http://users.erols.com/ziring/dopl.html BIT – Schaßan – WS 02/03

  48. Für den Weihnachtsbaum • Rolf Hochhuth: Alan Turing. Erzählung. Rowohlt 1987. • A.K. Dewdney: Eine Reise ins Innere der Mathematik. Birkhäuser 2000. BIT – Schaßan – WS 02/03

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