Grundlagen der Informatik I “Programmierung”

1.2.2.3 Diskussion
Bei der deskriptiven Problembeschreibung gab es keinen Aufwand für die Programmierung, d.h. Problembeschreibung
ist gleichzeitig die Problemlösung. Für funktionale Programme muß man die deskriptive Beschreibung
(Regeln 1 bis 3 aus 1.2.1.1) erst in ein Programm umsetzen und diese Umsetzung auch begründen
(beweisen) können. Der Aufwand ist also höher. Wozu dann das Ganze, wenn man zusätzlich keine Fragen
(ggt(?,n)=t) stellen, sondern nur Funktionen (ggt(m,n)=?) beschreiben kann? Im wesentlichen liegt der
Unterschied in der Effizienz. In funktionalen Programmen beschreibt man direkt das Verfahren und überläßt
die Lösungssuche nicht einer allgemeinen Suchstrategie. Das Opfer, das zugunsten einer verbesserten Effizienz
gebracht werden muß, ist die Programmentwicklung und wesentlicher noch die Rechtfertigung oder Verifikation
des Programms. In unserem Fall ist die Rechtfertigung noch einfach: Die Implikationen der Regeln werden in
die beiden Fallunterscheidungen überführt. Die Zulässigkeit dieser Transformation kann bewiesen werden.
Der Programmieraufwand für funktionale Programme auf der Basis einer deskriptiven Problembeschreibung
ist relativ gering, wie Sie im Vergleich zu den nächsten Sprachen sehen werden. Da sie konzeptuell sehr einfach
und daher leicht erlernbar sind, werden sie an anderen Universitäten als erste Programmiersprachen in dem
Grundstudium eingeführt. Daß sie noch nicht allgemein verwendet werden, liegt ebenso wie bei deskriptiven
Sprachen an der Effizienz. In diesen Sprachen steht keine Möglichkeit zur Verfügung einen Wert zu verändern.
Bei der Auswertung von Formeln benötigen die neuen Werte auch neue Plätze im Speicher. Das ist besonders
kritisch bei komplexen Werten wie Matrizen, bei denen sich nur eine Teilinformation ändert (Wertänderung
eines Elements der Matrix). Hier wird stets eine vollständig neue Version des komplexen Wertes aufgebaut,
statt nur in der alten Version die Teilinformation zu ändern. Der Effekt ist, daß viel Zeit und Platz benötigt
wird beim fortwährenden Umbau von Werten (Matrizen, die sich nur in einem Wert voneinander unterscheiden).
Eine Vermeidung dieses Aufwands kann man durch Kenntnis des “Platzes” der Teilinformation erreichen,
um dort nur die Teilinformation aber nicht die anderen Teilkomponenten zu ändern.
Wir kommen damit zu einem Speicherbegriff, der Plätze bereitstellt, in denen Werte abgespeichert und dort
auch abgeändert werden können. Diese Abänderungvorschriften nennt man Anweisungen. Sie bilden die Basis
der imperativen Programmiersprachen. Ist die notwendige Kenntnis der Speicherstruktur beschränkt auf das
Wissen, daß z.B. nur ganze Zahlen, reelle Zahlen, Texte usw. gespeichert werden können, so spricht man
von höheren oder problemorientierten Programmiersprachen (Pascal, Modula, Ada, Fortran, Cobol, Eiffel, disziplinert
verwendetes C usw.). Ist jedoch auch das Wissen über die interne Darstellung der Werteklassen als
Bitmuster (Codierung der Werte in eine Folge von Nullen und Einsen) notwendig, so spricht man von maschinennahen
Sprachen (Familie der Assembler, aber z.T. auch C). Jede dieser Programmiersprachen basiert auf
einem ihr eigenen abstrakten “Maschinenmodell”, das erklärt, wie die Programme durchgeführt werden. Für
die höheren Programmiersprachen ist dieses Modell konzeptionell einfach, für die maschinennahen Sprachen
durch seine Menge von Details unübersichtlich.
1.2.3 Problemorientierte imperative Sprachen
Im Gegensatz zu den funktionalen Sprachen, deren Interpretation auf dem bekannten Mechanismus der Funktionsauswertung
aufsetzt, müssen wir für die Programmiersprachen zuerst das Grundkonzept einer abstrakten
Maschine erklären, damit die Anweisungen an diese Maschine verständlich sind.
In ihrer einfachsten Form besteht eine abstrakte Maschine (für Programmiersprachen) aus einer Tabelle, die
links die Variablennamen (Namen von Plätzen) und rechts Werte (die momentan gespeicherten Werte der
Variablen) hat. Diese Tabelle wird Speicher genannt. Neben dem Speicher gibt es noch den Befehlszähler,
der angibt, welcher Befehl im Programm als nächster durchgeführt wird. Die wichtigsten Befehle sind die
Vorschrift, den Wert einer Variablen zu ändern (Wertzuweisung) und die Befehle, die angeben, welcher Befehl
als nächstes ausgeführt werden soll (Kontrollanweisungen). Bei den letzteren sind die Fallunterscheidung und
die Schleife die wichtigsten Befehle.