4.2 Grundkonzepte prozeduraler Programmierung · Zuweisung : (engl. assignment) Syntax in Java: = ; Semantik: Werte den Ausdruck aus und weise das

12.12.2006 281© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern

Ein Algorithmus heißt determiniert , wenn erbei gleichen zulässigen Eingabewerten stets dasgleiche Ergebnis liefert.

Andernfalls heißt er nicht-determiniert .

Begriffsklärung: (determiniert)

Beispiele: (Determiniertheit)

1. Jeder Algorithmus, der eine Funktion berechnet, ist determiniert.

2. Der Algorithmus von der letzten Folie ist determiniert.

4.2 Grundkonzepteprozeduraler Programmierung

Algorithmen lassen sich mit unterschiedlichen Sprachmitteln beschreiben:

- umgangssprachlich

- mit graphischen Notationen

- mit mathematischer Sprache

- mit programmiersprachlichen Mitteln.


Gemäß des prozeduralen Paradigmas (vgl. F6) wird

- der Zustand eines Systems mit Variablen beschrieben

- werden die möglichen Systemabläufe algorithmischformuliert und

- bilden Prozeduren das zentrale Strukturierungs-und Abstraktionsmittel.

Begriffsklärung: (prozedurales Paradigma)

Beispiel: (Prozedurale Systemsicht)

Ein Rechensystem (z.B. PC) kann man prozeduralwie folgt beschreiben:

- Jede Datei ist eine Variable für Listen von Bytes.

- Nach dem Starten des Rechners wird ein nicht-terminierender Algorithmus ausgeführt:

while( true ) {

warte auf Eingabe eines Programmnamens;

starte Programm mit eingegebenem Namenals parallelen Algorithmus;

}

- Jedes Programm entspricht dabei einer Prozedur.


Der Abschnitt 4.2 stellt diejenigen Grundkonzepteder prozeduralen Programmierung vor, die als Voraussetzung für die objektorientierte Programmierung benötigt werden:

• Deklaration und Verwendung von Variablen

• Anweisungen

• Deklaration und Verwendung von Prozeduren

Zur praktischen Programmierung verwenden wir eine Teilsprache von Java.

Vorteile:

- Der Übergang zur objektorientierten Programmierungwird einfacher.

- Der Zusammenhang zwischen prozeduraler undobjektorientierter Programmierung wird klarer.

4.2.1 Sprachliche Basis: Teilsprache von Java

Nachteile:

- Da klassenlose, rein prozedurale Programmierungvon Java nicht unterstützt wird, entsteht ein notationeller Mehraufwand.

- Bestimmte Sprachelemente bleiben zunächstunerklärt.


Basisdatenstrukturen in Java:

Java bietet insbesondere Basisdatenstrukturenmit den Typen

boolean

char

int, long, short,

float, double

sowie entsprechende Funktionen und Konstanten.

Die nichtstrikten Operationen sind:

_ ? _ : _ statt if _ then _ else _ in ML

_ && _ statt _ andalso _ in ML

_ || _ statt _ orelse _ in ML

Vorgehen:

- Basisdatentypen

- Ausdrücke

- Variablendeklarationen

- Programmstruktur und vereinfachte Notation


Ausdrücke in Java:

Mittels der Konstanten und Funktionen derelementaren Datenstrukturen lassen sich analog zu ML Ausdrücke bilden.

(Darüber hinaus kann man deklarierte Prozedurenin Ausdrücken aufrufen. Dadurch können bei derAuswertung von Ausdrücken Seiteneffekteentstehen.)

Beispiel: (Ausdrücke in Java)

5 + 89

45 / 6

47474747L * a für geeignetes a

3.6 * (-4 + 23)

d == 78 + e für geeignete d, e

7 >= 45 == true

abs(a) + abs(d) für geeignete a, d, abs

sein | !sein für geeignete Variable sein

true || tuEs() für geeignete Prozedur tuEs

a > b ? a : b // liefert max(a,b)


Programmstruktur und -syntax:

Variablendeklarationen in Java:

Eine Variablendeklaration hat die Form:

;

und definiert eine neue Variable vom angegebenen Typ mit dem angegebenem Bezeichner. Beispiele:

int a;

boolean b;

float meineGleitkommavariable;

char cvar;

Eine Variablendeklarationsliste entsteht durch Aneinanderreihen von einzelnen Deklarationen.

Ein prozedurales Programm besteht aus:

- einer Liste von Typdeklaration

- einer Liste von globalen Variablendeklarationen

- einer Liste von Prozedurdeklarationen

- einer Hauptprozedur

In Java lassen sich prozedurale Programme mit folgendem Programmrahmen formulieren:


public class extends InputOutput {

static ...static

static ...static

static ...static

public static void main(String[] args)

}

.java

1

1

k

n

wobei k ≥ 0, m ≥ 0, n ≥ 0.

Bemerkung:• Die Reihenfolge der Deklarationen kann vertauscht

werden.

• Die hier nicht erklärten Sprachkonstrukte werdenin Kapitel 5 behandelt.

1

m


• Wir gehen davon aus, dass die Datei InputOutput.ja vaim aktuellen Dateiverzeichnis liegt. Sie stellt ber eit:

Konventionen:

public class InputOutput {

public static int readInt(){...}

public static String readString(){...}

public static char readChar(){...}

public static void print(int i){...}

public static void println(int i){...}

public static void print(char c){...}

public static void println(char c){...}

public static void print(String s){...}

public static void println(String s){...}}

• Im Folgenden werden wir die ersten beiden und die letzte Zeile des Programmschemas der letztenFolie sowie die Schlüsselwörter static undpublic auf Folien der Übersichtlichkeit halber weglassen.


Beispiel: (Notation prozeduraler Programme)

public class Foo extends InputOutput {

static int a;

static boolean bvar;

static int abs( int n ) {if( n>=0 ){

return n;} else {

return -n;}

}

static void setA() {a = abs(a);

}

public static void main( String[] args ){

println("Eingabe von a:");

a = readInt();

setA();

println( a );}

}

Foo.java


Abkürzend schreiben wir hier:

int a;

boolean bvar;

int abs( int n ) {if( n>=0 ){

return n;} else {

return -n;}

}

void setA() {a = abs(a);

}

void main( String[] args ){

println("Eingabe von a:");

a = readInt();

setA();

println( a );}


Bemerkung:

• Die Konzepte sind rekursiv von einander abhängig:

- Anweisungen benutzen Variablen und Ausdrücke

- Prozeduren basieren auf Anweisungen

- Verwendung von Variablen kann nur im Kontextvon Anweisungen und Prozeduren erklärt werden.

- Ausdrücke erlauben die Verwendung von Prozeduren.

Überblick übers weitere Vorgehen:

• Anweisungen

• Prozeduren

• Variablen in Programm und Speicher

• Felder

• Benutzerdefinierte Typen

• Sichtbarkeit von Bindungen

• Iteration und Rekursion

• Weitere prozedurale Sprachkonzepte


Anweisungen sind programmiersprachliche Be-schreibungsmittel:

- Einfache Anweisungen beschreiben Aktionen.

- Zusammengesetzte Anweisungen beschreiben, wie mehrere Aktionen auszuführen sind, alsoTeile von Algorithmen.

Begriffsklärung: (Anweisung)

• In der programmiersprachlichen Realisierung der Konzepte verwischen ihre Grenzen; z.B.:

- Parameter lassen sich wie Variable verwenden.

- Einfache Anweisungen lassen sich in Aus-drücken verwenden.

4.2.2 Anweisungen

while( ) {

}

Beispiel: (Anweisungen)

1. Zuweisung eines Werts an eine Variable:

2. Schleifenanweisung:

= ;


Wir betrachten die folgenden Anweisungen und ihreRealisierung in Java:

• Einfache Anweisungen:- Zuweisung- Prozeduraufruf

• Anweisungsblöcke

• Schleifenanweisungen:- while-, do-, for-Anweisung

• Verzweigungsanweisungen:- bedingte Anweisung- Fallunterscheidung- Auswahlanweisung

• Sprunganweisungen:- Abbruchanweisung- Rückgabeanweisung

Bemerkung:

Unterschied: Anweisung / Ausdruck

- Die Auswertung von Ausdrücken liefert ein Ergebnis.

- Die Ausführung von Anweisungen verändert den Zustand. Im Allg. liefert sie kein Ergebnis.


Zuweisung: (engl. assignment)

Syntax in Java:

= ;

Semantik:

Werte den Ausdruck aus und weise das Ergebnisder Variablen zu. (In Java ist eine Zuweisungsyntaktisch ein Ausdruck, liefert also einen Wert u ndzwar das Ergebnis der Auswertung von der rechtenSeite der Zuweisung.)

Beispiele:

a = 27 % 23;

b = true;

meineGleitkommavariable = 3.14;

Sprechweise:

„Variable b ergibt sich zu true “ oder

„Variable b wird true zugewiesen“ .

Einfache Anweisungen


Bemerkung:

In einer Zuweisung (und anderen Sprachkon-strukten) kann eine Variable v mit zwei Bedeutungen vorkommen:

1. Das Vorkommen links vom Zuweisungszeichenmeint die Variable. Man spricht vom L-Wert(engl. l-value) des Ausdrucks v .

2. Das Vorkommen rechts vom Zuweisungszeichenmeint den in v gespeicherten Wert. Man spricht vom R-Wert (engl. r-value) des Ausdrucks v .

Die Unterscheidung wird wichtiger, wenn auch linksdes Zuweisungszeichens komplexere Ausdrückestehen.

Beispiel: (L-Wert, R-Wert)

a = 7 + a ;

L-Wert R-Wert


Prozeduraufruf: (engl. procedure call)

Syntax:

( ) ;

�

ε |

�

| , Semantik:

Werte die Ausdrücke der aktuellen Parameter aus.Übergebe die Ergebnisse an die formalen Parameter.Führe die Anweisungen der Prozedur aus.Liefere den Rückgabewert, wenn vorhanden.

Beispiele:

1. Prozeduraufruf mit Ergebnis:

a = ggt(a,abs(45-87)); // Zuweisung

2. Prozeduraufruf mit Seiteneffekt:

print( ggt(24,248)); // Anweisung


Ein Anweisungsblock (engl. block statement) ist eine Liste bestehend aus Deklarationen und Anweisungen.

Anweisungsblöcke

Syntax in Java:

{ }

� ε |

|

|

|

Semantik:

Stelle den Speicherplatz für die Variablen bereit u ndführe die Anweisungen der Reihe nach aus.


Beispiel:

{ int i; i = 7; int a; a = 27 % i; }

Üblicherweise schreibt man Deklarationen und Anweisungen untereinander, so dass ein Textblock entsteht.

{

int i;int x;i = readInt();x = abs(i);

}

Schleifenanweisungen (engl. loop statements)steuern die iterative, d.h. wiederholte Ausführung von Anweisungen/Anweisungsblöcken.

while-Anweisung:

Syntax in Java:

while( )

Schleifenanweisungen


Semantik:

Werte den Ausdruck aus, die sogenannte Schleifen-bedingung . Ist die Bedingung erfüllt, führe die Anweisung aus, den sogenannten Schleifenrumpf , und wiederhole den Vorgang. Andernfalls beende die Ausführung der Schleifenanweisung.

Beispiel:

Aus der Prozedur ggt:

while( m>0 )

{ v = n % m;n = m;m = v;

}

Bemerkung:

Der Schleifenrumpf ist in den meisten Fällen einAnweisungsblock. Syntaktisch korrekt ist aber auch z.B.:

while( true ) print(i);

while( m>0 ) {v = n % m;n = m;m = v;

}


do-Anweisung:

Syntax in Java:

do while( ) ;

Semantik:

Führe die Anweisung aus. Werte danach den boole-schen Ausdruck aus. Ist die Bedingung erfüllt ist, wiederhole den Vorgang. Andernfalls beende die Ausführung der Schleifenanweisung.

Bemerkung:

Die do-Anweisung ist immer dann sinnvoll, wenn maneinen Vorgang mindestens einmal ausführen muss.

In solchen Situationen spart man sich gegenüber derVerwendung der while-Schleife die anfänglich unnöti ge Auswertung der Bedingung.


Beispiel:

Wir betrachten die Ausgabe der Elemente einer nicht -leeren Liste. Wir gehen davon aus, dass es einen Ty pIntList mit Prozeduren head, tail und isempty gibt:

IntList grades;

int g;

... // Zuweisung an die Variable noten

// Ausgabe der nicht-leeren Notenliste

do {

g = head(grades);

println(g);

grades = tail(grades);

} while( !isempty(grades) );

for-Anweisung (Zählanweisung):

Die for-Anweisung dient vorrangig zur Bearbeitungvon Vektoren und Matrizen, deren einzelneKomponenten über Indizes angesprochen werden.

Wir betrachten zunächst ein Beispiel:


// Skalarprodukt

void main( String[] args ){ int i;

// zwei Vektoren mit jeweils 3 Elementen

int v1[] = new int[3]; int v2[] = new int[3];int skalprod;

v1[0] = 1;v1[1] = 3;v1[2] = 8;

v2[0] = 2;v2[1] = 3;v2[2] = 4;

skalprod = 0;

for( i = 0; i


Fallunterscheidung:

Syntax in Java:

if( )

else Semantik:

Werte den Ausdruck aus. Ist das Ergebnis true,führe Anweisung1, andernfalls Anweisung2 aus.

Beispiel:

if( i!=0 ) {

n = k/i;

n++;

} else {

fehlerbehandlung(“Division durch Null“);

}

Auswahlanweisung:

Auswahlanweisungen erlauben es, in Abhängigkeit von dem Wert eines Ausdrucks direkt in einen vonendlich vielen Fällen zu verzweigen. In Javagibt es dafür die switch-Anweisung. Wir verzichtenhier auf eine genaue Beschreibung von Syntax undSemantik und betrachten ein Beispiel:


// AuswahlanweisungsTest

void main( String[] args ){

char c;

boolean machWeiter = true;

do {

print("Ein Zeichen aus {a,b,c,e}:");

c = readChar();

switch( c ) {

case 'a': proza(); break;

case 'b': prozb(); break;

case 'c': prozc(); break;

case 'e':

machWeiter = false;

break;

default:

print("Falsches Eingabezeichen");

}

} while( machWeiter );

}

Beispiel: (Auswahlanweisung)

wobei proza, prozb, prozc beliebige Prozeduren sind, zum Beispiel:


void proza() {

/* hier könnte 'was Interessantes stehen */

println("Ich bin Prozedur A. Alles gut?");

println("Probleme mit dem Weina'stress?\n");

}

void prozb() {

/* hier natürlich auch */

println("Wer A sagt, muss auch B sagen.");

println("Haben Sie schon A gesagt.\n");

}

void prozc() {

println("C wie no comment. Cool,oder?\n");

}


Sprunganweisungen

Sprunganweisungen (engl. jump statements) legeneine Fortsetzungsstelle der Ausführung fest, die möglicherweise weit von der aktuellen Anweisungentfernt liegt. Wir betrachten hier nur Sprünge, di e der Programmstruktur folgen.

Abbruchanweisung:

Syntax in Java:

break;

Semantik:

Die Ausführung wird am Ende der umfassenden zusammengesetzen Anweisung fortgesetzt.

Beispiele:

1. In Auswahlanweisung: siehe oben.

2. In Schleifenanweisungen:

while( true ) { ... if( ) break;...

}


Rückgabeanweisung:

Syntax in Java:

return ;

return ;

Semantik:

1. Produktion:Nur in Prozeduren ohne Rückgabewert erlaubt.Beende die Ausführung der Prozedur. Setze die Ausführung an der Aufrufstelle fort.

2. Produktion: Nur in Prozeduren mit Rückgabewert erlaubt.Werte den Ausdruck aus. Beende die Ausführung der Prozedur.Liefere den Wert des Ausdrucks als Ergebnis und setze die Ausführung an der Aufrufstelle fort.

Beispiel:

int abs( int n ) { if( n>=0 ) {

return n;

} else {

return -n;}

}


Eine Prozedur ist eine Abstraktion einer Anweisung.Sie gibt der Anweisung einen Namen und legt fest,was die Parameter der Anweisung sind. Prozedurenkönnen Ergebnisse liefern.

Begriffsklärung: (Prozedur)

Prozeduren erlauben es, von konkreten Anweisungenbzw. Anweisungssequenzen zu abstrahieren.

D.h. Prozeduren legen die Parameter einer zusammen-gesetzten Anweisung fest und geben ihr einen Namen.Dies ermöglicht:

- Wiederverwendung,

- Schnittstellenbildung und Information Hiding.

Darüber hinaus ermöglichen Prozeduren die rekursiveAusführung von Anweisungen.

4.2.3 Prozeduren


Beispiel: (Prozedur als Abstraktion)

Prozeduren abstrahieren Anweisungen genauso, wie Funktionen Ausdrücke abstrahieren (vgl. Folie 108).

Bemerkung:

Aufgabe: Berechne den Absolutbetrag einer ganzen Zahl gespeichert in Variable i und schreibe ihn in die Variable x.

Algorithmus:Wenn i größer oder gleich 0, liefere i als Ergebnis ;andernfalls –i. Weise das Ergebnis an x zu.

void main(...){int i;int x;i = readInt();

int result;if( i>=0 ) {

result = i;} else {

result = -i;}

x = result;}

Abstraktion bzgl. i ,result wird zum Ergebnis.


Deklaration von Prozeduren/Methoden:

Syntax in Java:

( )

Semantik:

Die Semantik ist durch den Aufrufmechanismus und den Anweisungsblock, den sogenannten Prozedurrumpf bestimmt (Genaueres siehe unten).

int abs( int n ) {if( n>=0 ) {

return n;} else {

return -n;}

}

void main(...){int i;int x;i = readInt();

x = abs(i);}


Bemerkung:Ein- und Ausgabeoperationen sind typischerweisedurch Prozeduren realisiert.

Beispiele:

1. Iterativer Algorithmus zur Berechnung vom ggT:

2. Rekursiver Algorithmus zur Berechnung vom ggT:

int ggT ( int m, int n ) { int v;

while( m>0 ) { v = n % m;n = m;m = v;

}return n;

}

int ggT ( int m, int n ) {

if( m == 0 ) {

return n;

} else {

return ggT(n%m,m);

}

}


Prozeduren, die Ergebnisse liefern, heißenFunktionsprozeduren .

Definition: (Funktionsprozedur)

Bemerkung:

Begriffsklärung: (Effekte)

Die Ausführung von Prozeduren verändert denSpeicherzustand und bewirkt Ein- und Ausgaben.Zusammenfassend sprechen wir von den Effektender Ausführung einer Prozedur, aufgeteilt in:

• Haupteffekte : Abliefern von Ergebnissen,Verändern von Variablenparametern;

• Seiteneffekte : Ein- und Ausgabe, Verändern globaler Variablen, Erzeugen und Löschen dynamischer Variablen (z.B. Instanzvariablen).

• Variablenparameter und dynamische Variablenbetrachten wir erst später.

• Eine Funktionsprozedur kann benutzt werden, umeine Funktion zu implementieren (Beispiel ggT).Sie kann aber auch hauptsächlich zur Realisierungvon Seiteneffekten benutzt werden.


Beispiel: (Prozedur mit Seiteneffekt)

Prozedur, die Zahlen von der Eingabe liest undaddiert, bis eine Null eingegeben wird. Die Summeder eingegebenen Zahlen wird ausgedruckt, dieAnzahl der Eingaben zurückgeliefert:

// Summiere

int summiere() { // Arbeitet nur bei korrekter Eingabe// der Zahlen durch Benutzerint anz = 0;int summe = 0;int eingabe;

do {print("Summand (0 beendet):");eingabe = readInt();summe += eingabe;anz++;

} while( eingabe != 0 );

println( "Summe: " + summe ); return anz-1;

}


void main( String[] args ) { boolean b = true;

while( b ) { int anzahl;anzahl = summiere();println("Es wurden "+ anzahl

+ " Zahlen summiert");

println("Beenden mit j/n:");char c;c = readChar();if( c == 'j' ) {

b = false;}

}}

Anwendung der Prozedur summiere :

Bemerkung:

• Die Hauptprozedur main wird vom Betriebssystemaufgerufen. Das Starten eines prozeduralen Programms entspricht dem Aufruf der Hauptprozedur.

• Argumente vom Programmaufruf werden main als String-Feld mitgegeben.


Definition: (rekursive Prozedurdekl.)

Eine Prozedurdeklaration P heißt direkt rekursiv , wenn der Prozedurrumpf einen Aufruf von P enthält.

Eine Menge von Prozedurdeklarationen heißenverschränkt rekursiv oder indirekt rekursiv(engl. mutually recursive), wenn die Deklarationengegenseitig voneinander abhängen.

Eine Prozedurdeklaration heißt rekursiv , wenn sie direkt rekursiv ist oder Element einer Menge verschränkt rekursiver Prozeduren ist.

Bemerkung:Wir identifizieren Prozeduren mit ihren Prozedur-deklarationen. D.h. zwei Prozedurdeklarationen deklarieren immer zwei unterschiedliche Prozeduren.( Im Unterschied dazu konnten zwei Funktions-

deklarationen die gleiche Funktion deklarieren.)

Beispiel: int p1 ( int n ) { return 1; }

int p2 ( int n ) { return 1; }

sind zwei unterschiedliche Prozeduren.


Beispiel: (rekursive Prozeduren)

// Aufrufbaum

final int TAB = 4;int indent = 0 ; // Einruecktiefe

void drucke_eingerueckt( String s ) {int i;for( i = 0; i 2 ) {

p( 2 ); q( 2 );r( 2 );

}indent -= TAB;drucke_eingerueckt("Verlasse p");

}

void q( int iq ) { drucke_eingerueckt("Betrete q");indent += TAB;p(iq);indent -= TAB;drucke_eingerueckt("Verlasse q");

}

- r und s sind nicht rekursiv.

- q ist verschränkt rekursiv.

- p ist direkt und verschränkt rekursiv.

(Beachte: q wurde vor seiner Deklaration angewendet.)


Mit der Hauptprozedur:

ergibt sich folgende Ausgabe:

public static void main( String[] args ) { drucke_eingerueckt("Betrete main");indent += TAB;p(3); r(1);indent -= TAB; drucke_eingerueckt("Verlasse main");

} }

Betrete mainBetrete p

Betrete pVerlasse pBetrete q

Betrete pVerlasse p

Verlasse qBetrete rVerlasse r

Verlasse pBetrete r

Betrete sVerlasse s

Verlasse rVerlasse main

Jeder Balken entspricht einer Prozedurinkarnation.Es gibt mehrere Inkarnationen der gleichen Prozedur .

Abl

auf


Beim Aufruf einer Prozedur p wird eine neue Inkarnation von p erzeugt. Dabei wird:

- Speicherplatz für die lokalen Variablen angelegt;

- die Anweisung gemerkt, an der nach Ausführungder Prozedurinkarnation fortzusetzen ist.

Die Lebensdauer einer Prozedurinkarnation beginnt mit deren Erzeugung und endet mit der Ausführung des Rumpfes zu dieser Inkarnation. Die Lebensdauer erstreckt sich über einen Teil des Programmablaufs.

Bemerkung:Eine wichtige Struktur des Ablaufs prozeduralerProgramme ist der Aufrufbaum. Am Beispiel:

Begriffsklärungen: (zur Prozedurausführung)

main.1

p.1

p.2

p.3

q.1 r.1 s.1

r.2

Die Lebensdauern von Inkarnationen der gleichenProzedur können sich überlappen (z.B.: p.1 und p.3 ).


Der Prozeduraufrufbaum beschreibt die Prozedur-aufrufstruktur in einem Programm- oder Prozedur-ablauf.

Seine Baumknoten sind mit Prozedurinkarnationen markiert, so dass jede Inkarnation PI genau dieInkarnationen als Kinder hat, die von PI aus erzeug twurden und zwar in der Reihenfolge des Ablaufs.

Bemerkung:Die Lebensdauern von Inkarnationen der gleichenProzedur können sich überlappen. Deshalb musses ggf. mehrere Kopien/Instanzen der gleichen lokalen Variablen geben.

Beispiel:// Lebensdauer

void p( int i ){ //b(p)

int a;a = i; //1(p)if( a == 2 ) { //2(p)

p( a-1 ); //3(p) } println(i); //4(p)

} //e(p)

int c;

void main(...){ //b(m)

p(2); //1(m)

} //e(m)


4.2.4 Variablen in Programm und Speicher

Jede Variablendeklaration definiert eine Programmvariable. Wir unterscheiden:

- globale Variablen

- (prozedur-)lokale Variablen

- Klassenvariablen, Attribute, usw.

Jeder Programmvariablen entsprechen zurAusführungszeit/Laufzeit des Programms eine odermehrere Speichervariablen:

- Jeder globalen Variablen ist genau eine Speicher-variable zugeordnet.

- Ist v eine lokale Variable zur Prozedur p, dann gi btes zu jeder Inkarnation von p eine Speichervariablefür v.

- (andere Variablentypen behandeln wir später).

Begriffsklärung: (statisch/dynamisch)Statisch bezeichnet man in der Programmiertechnikalle Aspekte, die sich auf das Programm beziehen un ddie man aus ihm ersehen kann, ohne es auszuführen. Statische Aspekte sind unabhängig von Eingaben.

Dynamisch bezeichnet man alle Aspekte, die sich aufdie Ausführungszeit beziehen.


Definition: (Lebensdauer von Variablen)

Die Lebensdauer einer Speichervariable ist der Teil des Ablaufs, in dem sie für die Ausführungbereit steht.

Die Lebensdauer globaler Variablen erstreckt sich über den gesamten Ablauf des Programms.

Variablen zu lokalen Deklarationen leben solange wie die zugehörige Prozedurinkarnation bzw. überdie Dauer der Ausführung ihres Blocks.

Beispiele: (statisch/dynamisch)

Statisch:

- Programmvariablen

- Prozedurdeklarationen

- Anweisung

- Aspekte der Übersetzung

Dynamisch:

- Speichervariablen

- Prozedurinkarnationen

- Ablauf, Ausführung

- Aufrufbäume

- Lebensdauer (von Prozedurinkarnationen, usw.)


Beispiel: (Lebensdauer von Variablen)

Wir betrachten den Ablauf des obigen Programms mit den Markierungen und die Variablenlebensdauer:

c a.1 a.2

b(m.1)

1(m.1)

b(p.1)

1(p.1)

2(p.1)

3(p.1)

b(p.2)

1(p.2)

2(p.2)

4(p.2)

e(p.2)

4(p.1)

e(p.1)

e(m.1)

Bemerkung:

Es gibt auch Variablen, deren Lebensdauer direktüber Anweisungen gesteuert werden kann.


Beispiel: (Lebensdauer von Variablen, die 2.)

int k = 0;while( k


Beispiel: (Lebensdauer von Feldern)

int[] erzeugeFeld( int n ) {int size = n < 0 ? 0 : n;return new int[size];

}

void eineProz() {int[] a = erzeugeFeld(78);...

}

Sei im Folgenden exp ein Ausdruck von einem ganz-zahligen Typ (byte, short, int, long), der sich zu k aus-wertet.

Ausdrücke zum Lesen und Schreiben eines Felds a:

- a.length liefert die Anzahl der Feldkomponenten

- a[exp] erzeugt eine IndexOutOfBounds-Ausnahme

falls k < 0 oder a.length ≤ k; andernfalls:R-Wert: der in der k-ten Feldkomponente

gespeicherte Wert;

L-Wert: die k-te Feldkomponente, d.h. z.B. weist

a[exp] = 7 ;

der k-ten Feldkompente den Wert 7 zu.


Beispiel: (Programmieren mit Feldern)

Das folgende Programm liest zwei Vektoren ein undgibt die Summe aus:

void main(String[] args) {

int i;

int[] a = new int[3]; // 3-elementiger Vektorint[] b = new int[3];

for( i=0; i


4.2.6 Benutzerdefinierte Typen

Die meisten prozeduralen Sprachen unterstützenbenutzerdefinierte Typen, insbesondere Verbundtypen.

Begriffsklärung: (Verbunde)Ein (Variablen-)verbund (engl. Record) ist ein n-Tupel von Variablen nicht notwendig des gleichen Typs. Die einzelnen Variablen nennt man die Komponenten des Verbunds. Die Komponenten werden über deklarierte Namen angesprochen.

Die genaue Syntax und Semantik von Verbunden istvon Sprache zu Sprache verschieden.

In Java lassen sich Verbunde nur als vereinfachteObjekte deklarieren und erzeugen. Als Ergebnis der Erzeugung erhält man dabei eine Referenz aufden Verbund. Die Referenz kann man in Variablenvom Verbundtyp speichern. Verbunde mit Referenzennennen wir referenzierte Verbunde .

Da wir im Folgenden nur referenzierte Verbundebetrachten, sprechen wir einfach von Verbunden.


Sprachmittel für (referenzierte) Verbunde:

- Deklaration eines Verbundtyps

- Deklaration von Variablen für (Referenzen auf)Verbunde

- Erzeugung von Verbunden

- Lesen der Verbundkomponenten

- Zuweisen an Verbundkomponenten

Paarp:

q: ersteKomp: 3zweiteKomp : -7

Beispiel: (Veranschaulichung eines referenzierten Verbunds)


Syntax anhand von Beispielen:

class Paar {int ersteKomp;int zweiteKomp;

}

Deklaration einesVerbundtyps Paar :

Deklaration der Variablen p, q für Referenzen auf Verbunde vom Typ Paar :

Paar p;Paar q;

Erzeugung eines Verbundsvom Typ Paar und Zuweisungder Referenz an p:

p = new Paar();

Weitergabe einer Referenz, hier von p an q:

q = p;

Lesen einer Komponente: int a;a = p.ersteKomp;

Schreiben einer Komponente: int a;p.ersteKomp = a+1;

Der Initialwert für Verbund-typen ist null :

class C {Paar pk;

}

new C().pk == null


Verbunde zur Realisierung von Tupeln:

Deklaration eines Verbundtyps Student mitName und Matrikelnummer.

class Student {String name;int matNr;

}

studentDrucken( Student s ) {println("Name: " + s.name );println("Matriklenummer: " + s.matNr );

}

Deklaration einer Prozedur zum Drucken der Daten von Studenten:

Erzeugen eines Verbunds vom Typ Student,Zuweisung an eine Variable, Initialisieren derKomponenten und Ausdrucken:

Student sv = new Student();sv.name = "Max Planck";sv.matNr = 12390573;

studentDrucken( sv );


Rekursive referenzierte Verbunde:

Beispiel: (Einfachverkettete Listen)

class IntList {int head;IntList tail;

}

Bei einfachverketteten Listen wird für jedes Listenelement ein Verbund mit zwei Komponentenangelegt:

- zum Speichern des Elements

- zum Speichern der Referenz auf den Rest der Liste.

IntList

head: 6 tail:

IntList IntList

head: -3 tail:

head: 84 tail:

Verbunddeklarationen können rekursiv sein, z.B.:

Mit rekursiven Verbunden lassen sich Listen,Bäume und allgemeine Graphen realisieren.

Die Liste [6,-3,84] erhält also folgende Repräsent ation:


/* Prozedur sortiert prüft, ob dieübergebenen List l sortiert ist.Vorbedingung: l darf keinen Zyklus enthalten

*/boolean sortiert( IntList l ){

if( l == null || l.tail == null ) {return true;

} else if( l.head


/* Prozedur contains prüft, ob Markierung ein b enthalten ist.Vorbedingung: b ist binärer Suchbaum

*/boolean contains( BinTree b, int e ) {

if( b == null ) {return false;

} else if( e < b.elem ){return contains(b.left,e);

} else if( b.elem < e ){return contains(b.right,e);

} else {return true;

}}

/* Prozedur printTree durchläuft den Baum inInorder-Reihenfolge und druckt die Markierungenaus, jede in eine Zeile.

*/void printTree( BinTree b ) {

if( b != null ) {if( b.left != null ) printTree(b.left);println(b.elem);if( b.right != null ) printTree(b.right);

}}


/* Sortiertes Einfügen. Erhält Suchbaumeigenschaft */BinTree sorted_insert( BinTree b, int e ) {

if( b == null ) {return mkBinTree(e);

} else {modifying_sorted_ins(b,e);return b;

} }

void modifying_sorted_ins( BinTree b, int e){if( e < b.elem ) {

if( b.left == null ) {b.left = mkBinTree(e);

} else {modifying_sorted_ins(b.left,e);

}} else if( b.elem < e ) {

if( b.right == null ) {b.right = mkBinTree(e);

} else {modifying_sorted_ins(b.right,e);

}} }

/* Konstruktorprozedur */BinTree mkBinTree( int e ) {

BinTree newbt = new BinTree();newbt.elem = e;return newbt;

}


void main( String[] argf ){

BinTree bt = mkBinTree(12);

sorted_insert(bt,3);





sorted_insert(bt,-2343);


printTree(bt);

}

Hauptprozedur zum Testen:

Bemerkung:

• Mit referenzierten Verbundstypen lassen sich nicht nur Listen und Bäume in unterschiedlicherForm realisieren, sondern auch allgemeine Graphen.

• Anspruchsvollere Algorithmen werden in Abschnitt 4.3 behandelt.


4.2.7 Sichtbarkeit von Bindungen

Deklarationen binden Bezeichner an Programm-elemente (z.B. an Variablen oder an Prozeduren). Die Sichtbarkeitsregeln bestimmen, welche Bindungenwo zulässig und benutzbar sind.

Beispiel: (Sichtbarkeit von Bindungen)

public class Sichtbarkeiten {

static int m;

static void p( int p ) { int m;int a = 7;{

int m = 0; // unzulässigif( p > 0 ) {

p(p-1); }

}}

public static void main(String[] a ){

m = 1;p(m);

}}

Folgender Programmtext ist kein Java-Programm,da nur eine Variablenbindung für den Bezeichner m erlaubt ist:


Programme sind in Deklarationsbereiche (engl. scopes ) eingeteilt. In der betrachteten Java-Teilsprachegibt es die folgenden Deklarationsbereiche:

- das gesamte Programm

- jede Prozedur/Methode

- jeder Anweisungsblock

Die Deklarationsbereiche sind geschachtelt(engl. nested ). Ein Deklarationsbereich darf auf seiner äußersten Schachtelungsebene für jeden Bezeichner nur eine Deklaration enthalten.

Zu jeder Deklaration gibt es einen Gültigkeitsbereich .In der betrachteten Java-Teilsprache gilt:

Der Gültigkeitsbereich einer Deklaration erstrecktsich bei

- Prozeduren und globalen Variablen über den gesamten direkt umfassenden Deklarationsbereich;

- lokalen Variablen von der Deklarationsstelle bis z umEnde des direkt umfassenden Deklarationsbereichs.

Begriffsklärung: (zur Sichtbarkeit)


Grundsätzlich gilt:

Eine Bindung B, die in einem Deklarationsbereich Ddeklariert wurde, verschattet (engl. to shadow , to hide ) andere Bindungen mit gleichem Bezeichner, die außerhalb von D vereinbart wurden, in dem Gültigkeitsbereich von B.

Eine Bindung ist an den Stellen ihres Gültigkeits-bereichs sichtbar , an denen sie nicht verschattet ist.Den Bereich, in dem eine Bindung B sichtbar ist,nennt man den Sichtbarkeitsbereich von B.

Bemerkung:

• Statt von Deklarationsbereichen spricht manteilweise von Blöcken und dementsprechend vonder Blockstruktur eines Programms.

• Die Begriffe Sichtbarkeits-, Gültigkeitsbereich undLebensdauer werden leider häufig auch andersverwendet.

• Die erläuterten Bereiche sind Bereiche des Program m-texts. Dementsprechend beschreiben alle oben eingeführten Begriffe statische Aspekte.

• Sichtbarkeitsregeln sind im Allg. sprachspezifisch.


int m;

void p

( int p )

{

int m;

int a = 7;

{

int m = 0; //unzulässig

if( p > 0 )

{

p(p-1);

}

}

}

void main

( String[] a )

{

m = 1;

p(m);

}

Beispiel: (Deklarationsbereiche)

1

1.1

1.2

1.1.1

1.2.1


// Sichtbarkeiten2

void p

( int p )

{ int a = 7;

{ int m = 1;

println("m:"+ m);

}

{

println("m:"+ m);

int m = 2;

println("m:"+ m);

}

}

int m = 0;

void main

( String[] p )

{

int m = 3;

p(m);

}

Beispiel: (Sichtbarkeitsanalyse)

1

1.1

1.2

1.2.1

1.1.1


Beispiel: (Gültigkeitsbereiche)

Der Gültigkeitsbereich der globalen Variablen merstreckt sich über das ganze Programm.Der Gültigkeitsbereich der lokalen Variablen mjeweils von der Deklarationstelle bis zum Ende desdirekt umfassenden Anweisungsblocks:

// Sichtbarkeiten2

void p

( int p )

{ int a = 7;

{ int m = 1;

println("m:"+ m);

}

{

println("m:"+ m);

int m = 2;

println("m:"+ m);

}

}

int m = 0;

...


Beispiel: (Sichtbarkeitsbereiche)Eine Bindung B, die in einem Deklarationsbereich Ddeklariert wurde, verschattet andere Bindungen mit gleichem Bezeichner, die außerhalb von D vereinbart wurden, im Gültigkeitsbereich von B.

Also wird das globale m von den lokalen verschattet :

// Sichtbarkeiten2

void p

( int p )

{ int a = 7;

{ int m = 1;

println("m:"+ m);

}

{

println("m:"+ m);

int m = 2;

println("m:"+ m);

}

}

int m = 0;

...


Bemerkung:

• In realistischen Programmiersprachen können dieSichtbarkeitsregeln insgesamt recht komplex sein.

• Die Kenntnis der Sichtbarkeitsregeln ist wichtig,um Fehlermeldungen vom Übersetzer zu verstehenund um Namensprobleme beim Importierenvon Modulen geeignet behandeln zu können.

• Sichbarkeitsregeln bieten eine erste Einführung indie Behandlung von Namensräumen.


Beispiel:

Berechne das Maximum einer Liste ganzer Zahlen.Für die leere Liste liefere 0 als Ergebnis.

Wir gehen davon aus, dass es einen Typ IntList mit Funktionsprozeduren head, tail und isempty gibt sowie:

int max( int m, int n ) {

return (m > n) ? m : n;

}

Wir verzichten auf eine allgemeine Behandlungund betrachten nur ein Beispiel (vgl. Goos, Band 3 ,S. 152 ff)

4.2.8 Iteration und Rekursion

Rekursive Prozeduren lassen sich in vielen Fällenin iterative Programme transformieren, d.h. in Programme, die keine Rekursion, sondern nurSchleifen enthalten.

Die Lösung mit rekursiven Prozeduren kann eleganterund einfacher sein. Demgegenüber ist eine iterativeLösung meist effizienter.

Die Transformation rekursiver Prozeduren in iterati veProgramme ist ein klassisches Beispiel für optimierende Programmtransformationen.


1. Rekursive Ausgangsfassung:

int maxl( IntList il ) {

if( isempty(il) ) {

return 0;

} else if( isempty(tail(il)) ) {

return head(il);

} else { // (Laenge von il) >= 2

return max(head(il),maxl(tail(il)));

}

}

void main( String[] args ) {

IntList l = ... ;

println("maxl: "+ maxl(l) );

}

Die Funktionsprozedur maxl ist linear rekursiv, abernicht repetitiv. Führe zur Einbettung einen zusätzl ichenParameter ein, der das Maximum des gesehenenPräfixes mitführt (vgl. Folien 125ff).


2. Repetitive Fassung durch Einbettung:

int maxlrep( int aktmax, IntList il ) {

if( isempty(il) ) {

return aktmax;

} else {

return maxlrep( max(aktmax,head(il)),

tail(il) );

}

}

int maxl( IntList il ) {

if( isempty(il) ) {

return 0;

} else {

return maxlrep( head(il), tail(il) );

}

}

void main( String[] arges ) {

IntList l = ... ;

println("maxl: "+ maxl(l) );

}

Die Funktionsprozedur maxl ist nicht mehr rekursivund kann expandiert werden.


3. Repetitive Fassung nach Expansion von maxl:

int maxlrep( int aktmax, IntList il ) {

if( isempty(il) ) {

return aktmax;

} else {

return maxlrep( max(aktmax,head(il)),

tail(il) );

}

}


IntList l = ... ;

int mx;

if( isempty(l) ) {

mx = 0;

} else {

mx = maxlrep( head(l), tail(l) );

}

println("maxl: " + mx );

}

Transformiere die Funktionsprozedur maxlrep in eineProzedur, die ihr Ergebnis in globaler Variable abl iefert.


4. Repetitive Fassung nach Einführung einer Ergebnisvariablen:

int res;

void maxlrep( int aktmax, IntList il ) {

if( isempty(il) ) {

res = aktmax;

} else {

maxlrep( max(aktmax,head(il)), tail(il));

}

}


IntList l = ... ;

int mx;

if( isempty(l) ) {

mx = 0;

} else {

maxlrep( head(l), tail(l) );

mx = res;

}


}

Nun folgt der zentrale Schritt der Transformation derrepetitiven Fassung in eine iterative Fassung:


5. Iterative Fassung mit Prozeduraufruf:

int res;

void maxlrep( int aktmaxpar, IntList ilpar ) {

int aktmax = aktmaxpar;

IntList il = ilpar;

while( !isempty(il) ) {

aktmax = max(aktmax,head(il));

il = tail(il);}

res = aktmax;}


IntList l = ... ;

int mx;

if( isempty(l) ) {

mx = 0;

} else {

maxlrep( head(l), tail(l) );

mx = res;

}

println("maxl: " + mx );}

Expansion von der Prozedur maxlrep:12.12.2006 358© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern

6. Iterative Fassung:

int res;


IntList l = ... ;

int mx;

if( isempty(l) ) {

mx = 0;

} else {

int aktmax = head(l);

IntList il = tail(l);


aktmax = max(aktmax,head(il));

il = tail(il);

}

res = aktmax;

mx = res;

}


}

Vereinfachung durch Elimination unnötiger Variablen.


7. Vereinfachte iterative Fassung:


IntList l = ... ;

int mx;

if( isempty(l) ) {

mx = 0;

} else {

mx = head(l);

IntList il = tail(l);


mx = max(mx,head(il));

il = tail(il);

}

}


}

Bemerkung:• Formal kann man Programmtransformation mit

Regelsystemen beschreiben.

• Programmtransformationen sind nicht nur wichtig zu rEffizienzsteigerung, sondern auch um Programme

- verständlicher zu machen (Redesign);

- an neue Anforderungen anzupassen.


Beispiel: (Transformationsregel)

Transformationsregel: repetitiv � iterativSeien p ein Prozedurname, T1,...,Tn Typbezeichner,

A1,..,An und B seiteneffektfreie-Ausdrücke,C und D Anweisungen, die keinen Aufruf

von p enthalten:

void p( T1 x1, ... , Tn xn) { if( B ) {

C} else {

Dp( A1(x1,...xn),..., An(x1,...,xn) );

}}

void p( T1 y1, ... , Tn yn) { T1 x1 = y1;...Tn xn = yn;while( !B ) {

Dx1 = A1(x1,...,xn);... xn = An(x1,...,xn);

}C

}


Für obiges Transformationsbeispiel (Folie 356)ergibt sich mit der Regel:

p ≡ maxlrep , T1 ≡ int, x1 ≡ aktmax,T2 ≡ IntList , x2 ≡ il,B ≡ isempty(il)C ≡ res = aktmax;D ≡ // leere Anweisung A1 ≡ max(aktmax,head(il))A2 ≡ tail(il)

A1,A2 und B sind seiteneffektfrei;C und D enthalten keinen Aufruf von � �� ;die Regel ist also auf � �� anwendbar undliefert:

void maxlrep( int y1, IntList y2) { int aktmax = y1;IntList il = y2;while( !isempty(il) ) {

aktmax = max(aktmax,head(il));il = tail(il);

}res = aktmax;

}

Durch konsistente Parameterumbenennung erhält man die Prozedur von Folie 357.


Bemerkung:

• Im Prinzip lassen sich Programme mit Transformationsregeln genauso umformen wie mathematische Ausdrücke.

• Die Transformationsregeln für realistische Programmiersprachen sind sehr komplex.Dies beginnt bereits bei einer präzisen Behandlungvon Namen (vgl. Sichtbarkeitsregeln).

Wir haben hier nur den Sprachkern prozeduralerSprachen betrachtet. Weitere Sprachkonzepte:

• Verbünde, variante Verbünde

• Zeiger ggf. mit Zeigerarithmetik

• Prozedurparameter

• Generische/parametrische Typen

• Modul-/Paketkonzepte

• Kapselung/Schnittstellen

4.2.9 Weitere prozedurale Sprachkonzepte

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4.2 Grundkonzepte prozeduraler Programmierung · Zuweisung : (engl. assignment) Syntax in Java: = ; Semantik: Werte den Ausdruck aus und weise das