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Bestimmte Problemklasse
Ein Algorithmus soll ein Lösungsverfahren für eine ganze Klasse von Problemen
beschreiben und nicht nur für ein isoliertes Einzelproblem. Man sagt
auch: "Das Verfahren soll allgemeingültig sein."
Wir wollen uns diese Eigenschaft an einem ganz einfachen Beispiel klar
machen. Nehmen wir einmal an, Sie sollen die Zahlen 7,12 und 16 addieren.
Sie könnten das Lösungsverfahren folgendermaßen beschreiben:
Diese Lösungsvorschrift ist nach unserer Definition kein Algorithmus, da sie lediglich
für ein ganz spezielles Teilproblem die Lösung liefert. Soll man beispielsweise
die Zahlen 7, 12 und 17 addieren, dann kann man diesen Algorithmus nicht mehr verwenden.
Ein erster Schritt zur Verallgemeinerung besteht darin, statt der Konstanten 7, 12 und 16 drei
Variablen einzuführen, z. B. ZAHL1, ZAHL2 und ZAHL3. Das dadurch beschriebene Verfahren
gilt dann für die Addition dreier beliebiger Zahlen.
Das Problem, die Summe aus drei Zahlen zu berechnen, gehört aber zu einer allgemeineren
Problemklasse, nämlich die Summe aus N Zahlen zu berechnen. Dabei ist N eine
natürliche Zahl größer als 1. Unser spezielles Problem, die Zahlen 7, 12 und
16 zu addieren, ist also nur ein Spezialfall dieses allgemeinen Problems für N = 3. Die
Lösungsvorschrift für dieses Problem ist dann ein Algorithmus im Sinn unserer
Definition. Durch die Forderung nach Allgemeinheit erreicht man also, daß man wenige
mächtige Algorithmen erhält und sich nicht in einer Vielzahl von
Lösungsvorschriften für Sonderfälle verzettelt.
- Addiere 7 und 12, nenne das Ergebnis SUMME1.
- Addiere 16 zu SUMME1, nenne das Ergebnis SUMME2.
- Schreibe als Lösung SUMME2 auf.
Weitere Punkte, die auch oft als Eigenschaften von Algorithmen
gefordert werden, sich aber aus den obigen Eigenschaften ergeben, sind:
- Vollständigkeit der Beschreibung
Es muß eine komplette Anweisungsfolge vorliegen. Eine Bezugnahme
auf unbekannte Information darf nicht enthalten sein.
- Wiederholbarkeit des Algorithmus
Im Sinne eines physikalischen Experiments muß man die
Ausführungen eines Algorithmus beliebig oft wiederholen können
und jede Wiederholung muß bei gleichen Eingabedaten das gleiche
Resultat liefern (Reproduzierbarkeit).
Ist ein Algorithmus endlich und definit so ergibt sich diese Forderung
automatisch.
- Korrektheit des Algorithmus
Diese Forderung ist zwar selbstverständlich, aber in der Praxis ist
die Korrektheit nur sehr schwer nachzuweisen. Man bedient sich daher
Tests, bei denen für die vorgegebenen Eingabedaten das Ergebnis
bereits bekannt ist, und vergleicht dann die erzeugten Ausgabedaten mit
den Ergebnissen. (Ein solcher Test ist insofern problematisch, da alle
möglichen Fälle abgedeckt werden müssen. Im Extremfall
muß dieser Test sogar für jede mögliche Eingabe
durchgeführt werden.) Der Begriff der Korrektheit nimmt zwar in der
Literatur einen sehr großen Raum ein, da es nicht trivial ist, die
Korrektheit nachzuweisen, er ist jedoch für die Definition eines
Algorithmusbegriffes nicht erforderlich.
Neben diesen Eigenschaften gibt es noch weitere Eigenschaften von
Algorithmen, die sich auf die Art und Weise der Ausführung des
Algorithmus beziehen. Hier sind zu nennen:
- Die Effizienz der Beschreibung
und der Ausführung (umständlich oder einfach).
- Die Art der Ausführung einzelner Anweisungen (sequentiell
oder parallel).
- Die Komplexität bei der
Ausführung. (Sie ist ein Maß für den Aufwand bei der
Durchführung eines Algorithmus).
Zusammenfassen lassen sich alle diese Eigenschaften in einer kurzen
aber präzisen Definition des Begriffs Algorithmus.

Algorithmus|
Eine Bearbeitungsvorschrift heißt Algorithmus, wenn
sie folgende Eigenschaften erfüllt:
- Die Vorschrift ist mit endlichen Mitteln beschreibbar.
- Sie liefert auf eine eindeutig festgelegte Weise zu einer
vorgegebenen Eingabe in endlich vielen Schritten genau eine Ausgabe.
Da man nicht alle Bearbeitungsvorschriften durch eindeutige Folgen
von Anweisungen als Algorithmus darstellen kann, wurde im Laufe der Zeit
der Begriff ausgedehnt. Man unterscheidet heute zwischen
deterministischen und nicht-deterministischen Algorithmen.
Enthält ein Algorithmus elementare Anweisungen, deren Ergebnis
durch einen Zufallsmechanismus beeinflußt wird, so heißt
dieser Algorithmus nicht-deterministisch.
Liefert er bei der gleichen Eingabe immer die gleiche Ausgabe, so
heißt er deterministisch.
Spielen wir nun noch ein Beispiel für eine Verfahrensbeschreibung
durch. Beschreibung des Verfahrens "S":
(S1) Wenn keine Striche mehr in der Eingabe vorhanden sind, so
höre auf.
(S2) Nimm einen Strich aus der Eingabe weg. Wenn bereits vier
Striche ungebündelt in der Ausgabe liegen, lege einen Querstrich
über sie; andernfalls füge einen Strich in der Ausgabe hinzu.
Dann gehe nach (S1).
Bei dieser Art der Darstellung eines Verfahrens gilt die
Regel: Wenn man alle Handlungen eines Schritts durchgeführt hat
und nicht ausdrücklich durch "höre auf" oder
"gehe nach" etwas anderes gesagt bekommt, so geht man
zum nächsten Schritt.
Sie haben zwar jetzt die Beschreibung eines Verfahrens
erhalten, seinen Nutzen erkennen Sie aber erst, wenn Sie wissen,
was in der EINGABE vorhanden ist und wie die AUSGABE aussieht.
Denken Sie nochmal an den Informationsfluß. Das Kennzeichen der
Datenverarbeitung wird Ihnen immer wieder begegnen: EINGABE -
VERARBEITUNG - AUSGABE. Die Eingabe des Verfahrens "S"
besteht aus einer Anzahl von Strichen, die irgendwie angeordnet
sind, z. B. wie hier:
Führen Sie jetzt das Verfahren "S" durch. In (S2)
ist eine Bedingung; wir müssen diese prüfen und, wenn sie
erfüllt ist, die dahinterstehende Anweisung ausführen. Als
Ausgabe erhält man was hier dargestellt ist.
Gewünscht war natürlich das linke Beispiel. Also hat unsere
Verfahrensbeschreibung noch etliche Schwachstellen. Sie müßte
präzisiert werden, etwa durch: "Füge einen Strich von 8 mm
Höhe parallel zu den anderen Strichen und parallel zur langen
Kante des Papiers im Abstand von 0,5 mm von dem vorhergehenden
auf derselben Grundlinie wie die anderen an. Man könnte der
Beschreibung auch noch einen vernünftigen Namen geben:
"Verfahren zur Bündelung von Strichen in
Fünfergruppen".
Damit ein Verfahren einem Computer mittels einer
Programmiersprache erklärt werden kann, muß es den folgenden
Bedingungen genügen:
Der Begriff Algorithmus ist ein zentraler Begriff der
Informatik. Er baut immer auf einer Menge von Grundoperationen
auf.
Was ist Programmieren?
Das Verfahren "S" ist in deutscher Sprache
geschrieben, die für ein und dieselbe Handlung oft mehrere
Ausdrücke erlaubt. So läßt sich "wegnehmen" auch
durch "entfernen" oder "streichen" ersetzen.
Auch die Sätze lassen sich auf verschiedene Art konstruieren:
"Wenn keine Striche mehr in der Eingabe sind, höre
auf", "sind keine Striche mehr in der Eingabe, dann
Ende", "Schluß, falls keine Striche mehr in der
Eingabe sind", "Solange noch Striche vorhanden sind gehe zu S2,
sonst höre auf." .
Da dem Computer alles genau erklärt werden muß, was er tun
soll, müßte ihm erklärt werden, daß die obigen Konstruktionen
und Worte die gleiche Bedeutung besitzen. Man muß dann aber auch
klären, wann die Begriffe nicht das Gleiche bedeuten.
Die Schwierigkeiten, die dabei entstehen, sind der Grund, weshalb man
dem Computer nur eine ganz bestimmte Sorte von Sprachen,
sogenannte normierte Sprachen, anbieten darf. Die
Programmiersprachen sind normierte Sprachen, die der Beschreibung
von Verarbeitungsvorschriften, Datenstrukturen sowie Ein- und
Ausgabe dienen.
Programmieren bedeutet also, einen Computer dazu zu bringen, Algorithmen auszuführen.
Dafür müssen wir den Algorithmus so formulieren, daß der Computer ihn
versteht - in einer Programmiersprache. Mit dem, was wir bisher wissen,
können wir definieren, was man unter einem Programm versteht:

Ein Programm ist die Formulierung eines Algorithmus in einer Programmiersprache.

Programme sind also Algorithmen, die in einer besonderen Sprache formuliert sind. Den Begriff
"Programmieren" können wir somit wie folgt definieren:

Unter "Programmieren- versteht man das Aufschreiben eines Algorithmus in einer
Programmiersprache.

Wenn Sie eine höhere Programmiersprache beherrschen wollen, müssen Sie
zuerst einmal ihr Vokabular und ihre Grammtik lernen. Zum Verständnis
der Programmiersprache müssen Sie zusätzlich auch deren Konzepte
erlernen, um die Sie sich bei natürlichen Sprachen nicht kümmern müssen.
Bei imperativen Programmiersprachen wie Java sind dies z.B. Variablen,
Anweisungen, Prozeduren. Alleine durch das Auswendiglernen von Vokabeln
und Grammatikregeln schaffen Sie es jedoch nicht, mit der
Programmiersprache umgehen zu können. Sie müssen die Sprache auch
konsequent einsetzen und durch ständiges üben Erfahrungen sammeln.
Deshalb ist die Bearbeitung der übungsaufgaben in diesem Kurs verpflichtend.
Das Erlernen einer Programmiersprache ist nicht schwierig, da das
Vokabular und die Grammatik nicht besonders umfangreich sind. Was sehr
viel schwieriger ist, ist das Programmieren lernen, d.h. das Erlernen
des Programmentwicklungsprozesses:
Während das Erlernen einer Programmiersprache ein eher mechanischer
Prozess ist, bei dem die Verwendung des Compilers und das Hilfesystem
helfen können, ist die Programmentwicklung ein kreativer Prozess, der
Intelligenz voraussetzt. An dieser Stelle sind Sie gefragt!
Programmieren lernen bedeutet in noch stärkerem Maße als das Erlernen
einer Programmiersprache: üben und Erfahrungen sammeln.
- Wie komme ich von einem gegebenen Problem hin zu einem Programm,
das das Problem korrekt und vollständig löst.
- Wie finde ich eine Lösungsidee bzw. einen Algorithmus, der das
Problem löst.
- Wie setze ich den Algorithmus in ein Programm um?
- Schauen Sie sich die Programme anderer Programmierer an und überlegen
Sie: Wieso hat der das Problem so gelöst?
- Denken Sie sich selbst Probleme aus und versuchen Sie, hierfür
Programme zu entwickeln.
- Fangen Sie mit einfachen Aufgaben an und steigern Sie nach und
nach den Schwierigkeitsgrad.
- Ganz wichtig ist: Versuchen Sie Programmierpartner zu gewinnen,
mit denen Sie Probleme und Lösungsansätze diskutieren können.
Der Ausdruck "Programmieren" bezeichnet also im engen Sinn lediglich das
Erstellen eines Programms. Oft bezeichnet man jedoch mit "Programmieren"
alle Tätigkeiten eines Programmierers, die von der Problemstellung
zur fertigen Lösung führen. Das Problemlösen mit Hilfe
eines Computers umfaßt folgende Stufen:
- Analyse der Problemstellung
- Entwurf des Algorithmus
- Erstellen des Programms
- Prüfen auf Korrektheit
- Dokumentation des Programms
- Anwendung des Programms
Ein Programm ist also eine eindeutige, logische Folge von
(genormten) bekannten Bearbeitungsschritten endlicher Länge.
Beim Computer richten sich diese Befehle an das Steuerwerk. Die
Zahl der verschiedenen Befehle ist bei den Computern aus
verständlichen Gründen beschränkt.
Als Beispiel soll ein Algorithmus aus der Mathematik
betrachtet werden: Die näherungsweise Berechnung des
Kreisumfangs.
Algorithmus "Kreisumfang":
(K1) Nimm den Radius aus der Eingabe.
(K2) Multipliziere den Radius mit 2,0 und nenne das Ergebnis
'Durchmesser'.
(K3) Multipliziere den Durchmesser mit 3,1415926 und bringe das
Ergebnis in die Ausgabe.
Dieser Algorithmus liefert beispielsweise zur Eingabe 7,0 die
Ausgabe 43,982296. Wenn der Computer das Multiplizieren nicht
beherrscht, dann müßte man ihm noch einen Algorithmus, ein
Verfahren, für deren Durchführung geben.
Algorithmus "Multiplikation":
(M1) Schreibe die beiden Zahlen aus der Eingabe nebeneinander.
(M2) Nimm die erste Ziffer der zweiten Zahl.
(M3) Schreibe die erste Zahl sooft untereinander, wie die Ziffer
der zweiten Zahl angibt, und zwar so, daß die letzte Ziffer
unter der betrachteten Ziffer der zweiten Zahl steht. Für den
Fall, daß besagte Ziffer 0 ist, schreibe 0.
(M4) Falls noch Ziffern in der zweiten Zahl vorhanden sind, nimm
die nächste Ziffer und gehe nach (M3).
(M5) Addiere alle mit (M3) erzeugten Zahlen.
(M6) Zähle bei dem Ergebnis soviele Stellen von rechts ab, wie
beide Eingabewerte zusammen an Stellen hinter dem Komma besitzen.
Setze hier das Komma im Ergebnis.
(M7) Bringe dies Endergebnis in die Ausgabe.
Beispiel für die Eingaben 3,14 und 14,0:
3,14 x 14,0
-----------
314
314
314
314
314
0
----------
43,960
Die Ausgabe ist 43,960. Dieser Algorithmus für die
Multiplikation kann dann überall dort verwendet werden, wo
"multipliziere" steht. Aus dieser Tatsache lassen sich
zwei Erkenntnisse gewinnen:
- Wenn eine komplizierte Tätigkeit öfters benötigt wird,
kann man für diese Tätigkeit einen eigenen Algorithmus
definieren. Dieser wird dann Unteralgorithmus genannt.
- Man kann eine Programmiersprache auf eine bestimmte,
begrenzte Menge von Operationen und Denkstrukturen
beschränken.
Versuchen Sie doch einmal, den Algorithmus
"Kreisumfang" so umzuformen, daß er überall dort, wo
multipliziert wird, der Algorithmus "Multiplikation"
als "Unteralgorithmus" aufgerufen wird. Auf dieser Idee beruht die
Theorie der Softwareentwicklung. Komplizierte und komplexe Strukturen und
Tätigkeiten werden durch bekannte Strukturen und einfachere
Unteralgorithmen realisiert. Sie werden auch sehen, daß auch
Programme auf entsprechend konstruierte
"Unterprogramme" zurückgreifen können. Und es sei
hier schon angemerkt, daß diese Möglichkeit die wichtigste und
mächtigste Eigenschaft der Programmiersprachen ist. Die oben
erwähnten komplizierten Strukturen sind genau jene, die der
menschlichen Denkweise entsprechen. Zum Beispiel die Struktur:
"Wenn die Bedingung erfüllt ist, dann tue dies; sonst
tue jenes."
Daß dabei eine ganze Reihe von Handlungen nacheinander
erforderlich ist, wird dem Menschen gar nicht bewußt. Zuerst
muß die Bedingung ausgewertet werden. Dazu müssen alle
Informationen beschafft werden, die zu dieser Auswertung nötig
sind. Danach müssen sie verarbeitet werden, bis festgestellt
ist, ob die Bedingung erfüllt ist. Erst jetzt können die
entsprechenden Tätigkeiten ausgeführt werden, was unter
Umständen wieder recht kompliziert werden kann.
Die höheren Programmiersprachen bieten also schon als
Grundoperationen recht komplizierte Dinge an. Ebenso werden
komplizierte Denkstrukturen angeboten, die, wie gesagt, dem
menschlichen Denken sehr verwandt sind.
Sie sind normierte Sprachen, die der Beschreibung von Algorithmen
dienen. Genaueres über solche "algorithmische
Sprachen" sollen Sie im folgenden Abschnitt erfahren. Durch
die Anpassung an die menschliche Denkweise wird bei den
Programmiersprachen das Schreiben von Algorithmen erleichtert;
andererseits läßt sich aus einem Programm eine Beschreibung in
natürlicher Sprache zurückgewinnen.
Die fest vorgeschriebenen Teile der Programmiersprachen
orientieren sich meist am Englischen. So wird aus der Struktur
"Wenn ... dann ... sonst ..."
in der Programmiersprache C zu
"if (..) { ... } else { ... }
Allerdings wurden bei der Konstruktion der höheren
Programmiersprachen die Ausdrucksmöglichkeiten so ausgewählt,
daß Doppeldeutigkeiten unmöglich sind. Dazu wird die Form der
Ausdrucksmöglichkeiten vorgeschrieben und ihre Bedeutung
eindeutig und genau erklärt.
Der entscheidende Punkt bei den höheren Programmiersprachen ist
aber folgender. Dadurch, daß die Form der Programme, die in
höheren Programmiersprachen geschrieben sind, bestimmten, festen
Regeln genügt, können diese Regeln automatisch, also auch von
einem Computer (mit einem entsprechenden Programm) analysiert
werden. Da zu jeder erkannten Form die zugehörige Bedeutung
genau festgelegt ist, kann das Programm automatisch (d. h. wieder
von Computer) auf eine andere Form mit der gleichen Bedeutung,
jedoch mit einfacheren Grundoperationen und Grundstrukturen
umgewandelt werden.
Die Umwandlung kann so erfolgen, daß sich die Form völlig, die
Bedeutung aber überhaupt nicht ändert. Wenn nun diese neue Form
in einer, von dem Computer ausführbaren Sprache
(Maschinensprache) besteht, so wurde eine höhere
Programmiersprache (die der Mensch versteht) in die
Maschinensprache (die der Rechner versteht) übersetzt.
Befehlssatz
Die einfachste Programmiersprache besteht aus einem Satz von
Befehlen. Dies sind die eingebauten Kommandos, sie sind in ihrer
Wirkung vergleichbar mit dem, was Sie mit den Tasten Ihres
Taschenrechners auslösen. Mit diesen Befehlen lassen sich u.a.
arithmetische Operationen ausführen und Werte für die Dauer der
Rechnung speichern. Auch gibt es Befehle, mit denen man Werte
vergleicht und damit entscheidet, was als Nächstes gemacht wird.
Ein Teil der Befehle wird benötigt, wenn man Daten im Speicher
ablegen oder von dort zurückholen will. Besondere Befehle
befassen sich damit, in einem Programm Sprünge auszuführen,
d.h. Programmteile, die im Moment nicht ausgeführt werden
sollen, zu überspringen, oder auch um an eine bereits
ausgeführte Stelle im Programm zurückzuspringen und sie so zu
wiederholen.
Maschinensprache
Wenn man die Befehle durchnumeriert, erhält man eine
Maschinensprache; das ist der einfachste Programmiercode. in
diesem Code kann die Nummer eines Befehls als sein Name verwendet
werden. Ein Maschinensprachenprogramm ist nichts weiter als eine
lange Folge von solchen Codewörtern.
In einer Maschinensprache zu programmieren, ist nicht schwer,
aber unglaublich mühsam. Zum Glück hatte einer der frühen
Programmierer eine brillante Idee, wie man sich die Arbeit
erleichtern kann. Wenn man ein Maschinenprogramm schreibt, das
kurze Buchstabenfolgen erkennen und in zugehörige
Maschinenbefehle übersetzen kann, dann braucht der Programmierer
nicht die Codierung der Befehle in der Maschinensprache zu
lernen. Stattdessen kann er jeden Maschinenbefehl als
"Klartext-Kürzel" (engl. mnemonic) hinschreiben. Die
entsprechenden Übersetzungsprogramme, man nennt sie Assembler,
wurden bald für alle Computer entwickelt.
Das Programmieren in einer Assemblersprache ist etwas weniger
mühsam. Ein Programm ist eine Folge von Kommandos, die jeweils
aus zwei bis vier Buchstaben bestehen und denen Adressen von
Speicherplätzen angefügt werden. Zum Beispiel bedeutet das
Kommando
ADD R2, R6
Addiere den Inhalt des Speicherplatzes R2 zum Inhalt von R6
und speichere die Summe in R6. In welche Befehle dieses Kommando
übersetzt wird, können Sie sich verdeutlichen, wenn Sie die
Operation an einem Taschenrechner (der einen Speicher hat) mit
einer Tastenfolge ausführen.
Noch bis zum Ende der fünfziger Jahre bestand das
Programmieren tatsächlich aus der minutiösen Übersetzung von
Befehlen in binär, oktal oder sexadezimal dargestellte Zahlen
und deren Aneinanderreihung zu einem sinnvollen Programm. Man
bezeichnet diese Tätigkeit mit Codieren. Die
Unzulänglichkeiten dieses Verfahrens traten aber mit dem
Schneller- und Größerwerden der Computer mehr und mehr hervor:
- Der Codierer war gezwungen, sein Programm auf die
Eigenheiten des spezifischen Computermodells
auszurichten. Er benötigte dazu genaueste Kenntnisse
aller Details dieser Maschine und deren Befehlssatz. Der
Austausch von Programmen zwischen verschiedenen Maschinen
wurde dadurch unmöglich, und Kenntnisse der
Codiermethoden eines Computers waren oft wertlos für die
Codierung eines anderen. Jeder erstellte eigene Programme
und war gezwungen, bei der Neuanschaffung eines Computers
diese aufzugeben und die Codierarbeit von vorne zu
beginnen. Es wurde klar, daß das gezielte Ausrichten von
Algorithmen auf die merkwürdigsten Eigenheiten eines
bestimmten Computers eine schlechte Verwendung des
menschlichen Intellektes war.
- Der Programmierer wurde durch seine enge Bindung an eine
Rechenanlage und die extrem begrenzten
Hardwaremöglichkeiten - langsam, wenig Arbeitsspeicher,
extrem teuer (mehrere MegaDMs/Rechner)- nicht nur
befähigt, sondern sogar ermuntert, alle möglichen
Tricks zu erfinden, um aus den Eigenheiten des Computers
ein Maximum herauszuwirtschaften. Zu dieser Zeit galten
die Programmierer noch als Beigabe des
Hardwareherstellers, denn im Vergleich zu den
Hardwarekosten, kosteten die Arbeitskräfte kaum was. Als
die verzwickte Programmierung in Mode war, verwendeten
Programmierer nicht nur viel Zeit zur Erstellung
"optimaler" Programme, auch deren Tests stellte
sich als äußerst schwierig dar. Es war für einen
Mitarbeiter beinahe unmöglich, die Funktionsweise eines
fremden Programms herauszubekommen (und oft war es sogar
schwierig das eigene zu überblicken). Heute ist das
Teuerste die Erstellung von Anwendersoftware. Deshalb
vermeiden heutige Programmierer die Anwendung von Tricks
um jeden Preis.
- Der sogenannte Maschinencode enthielt sehr wenig
Redundanz, auf Grund deren ein Fehler hätte entdeckt
werden können. Bereits kleine Schreibfehler verändern
einen Maschinencode in einen anderen gültigen
Maschinencode, der aber völlig andere Bedeutung und
somit Auswirkungen auf die Funktion des Programms hat.
Solche Fehler sind nur sehr schwer zu entdecken, obwohl
sie bei der Ausführung des Programms verheerende Folgen
haben konnten.
- Die Darstellung eines Vorganges als unstrukturierte,
lineare, monotone Sequenz von Befehlen ist eine für den
Menschen ungeeignete Form, komplizierte Prozesse zu
beschreiben und zu überblicken. Die Präsenz von
hierarchischen Beschreibungsstrukturen, die eine Sicht
auf die Funktionen in unterschiedlicher Detailierungstufe
ermöglichen, ist das hauptsächlichste Hilfsmittel, um
den Überblick zu wahren und Programme systematisch zu
erstellen.
Diese Unzulänglichkeiten führten unter Anderem zur
Entwicklung sogenannter "höherer Programmiersprachen",
die zum Einen nach den Gewohnheiten und Fähigkeiten des Menschen
im Ausdruck seiner Gedanken ausgerichtet sind und oftmals in
ihrer Art und im Umfang am Anwendungsgebiet ausgerichtet sind
(und nicht an der unterlegten Hardware).
Interpreter, Compiler
Mit den Kommandowörtern der Assemblersprache war ein erster
Schritt getan, die Programme für den Menschen verständlich zu
schreiben. Man wählte Bezeichnungen, die wie ADD auf die
Operation hinwiesen. Doch warum sollte man sich auf Wörter mit
drei Buchstaben beschränken? Es wäre noch leichter, Programme
zu schreiben, wenn man näher an der Umgangssprache formulieren
könnte. Nun wiederholte sich der gleiche Schritt, der von
Maschinensprachen zu Assemblersprachen geführt hatte. Man
entwickelte (kompliziertere) Übersetzungsprogramme, sie heißen
Interpreter und Compiler. Diese neuen Programme übersetzten
zunehmend komplexe Buchstabenfolgen in eine Form, die der
Computer verstehen kann. Damit konnten die Programme in einer
Sprache geschrieben werden, die aus Wörtern der Umgangssprache
bestand.
Meist tun diese Programme noch mehr, als nur zu übersetzen:
Es meldet dem Programmierer auch Stellen in seinem Programm, die
nicht den Konventionen der Sprache genügen - Programmierfehler
also. Ein Maschinenprogramm läßt sich nur noch unter den
größten Schwierigkeiten verstehen. Ein Beispiel soll das
verdeutlichen:
a) In natürlicher Sprache: Schreibe das Wort
"PASCAL"
b) In der höheren Sprache C: printf ("PASCAL");
c) In der Maschinensprache des programmierbaren
Taschenrechners TI-59:
69 00 03 03 01 03 03 06 01 05 01 03 69 01
02 07 00 00 00 00 00 00 00 00 69 02 69 05
Wie Sie sehen, bieten die höheren Programmiersprachen ganz
entscheidende Vorteile. Wir habe also kennengelernt:
- Assemblersprache (kurz: Assembler, maschinenorientiert)
Hier wird jeder Maschinenbefehl durch eine
mnemotechnische Abkürzung bezeichnet. Speicheradressen
können mit symbolischen Namen versehen werden. Die
Zuordnung von Assemblerbefehl zu Maschinenbefehl ist 1:1,
d. h. für jeden Maschinenbefehl wird ein Assemblerbefehl
benötigt. Die Assemblersprache ist daher extrem stark an
den jeweiligen Prozessor gebunden. Ein Transport des
Programms auf einen anderen,nicht kompatiblen Prozessor
ist nicht möglich.
- Höhere Programmiersprachen (problemorientiert) Hier wird
die Programmierung in einer eigens entwickelten
problemorientierten Sprache vorgenommen (algorithmische
Sprache). Die Zuordnung der Befehle ist nicht mehr 1:1,
ein Befehl in einer höheren Sprache hat in der Regel
eine ganze Folge von Maschinenbefehlen als Ergebnis. Der
Vorteil einer problemorientierten Sprache liegt auch
darin, daß sie maschinenunabhängig ist. Ein Transfer
der Programme auf andere Prozessoren ist mit wenig
Aufwand möglich.
Die Programmiersprachen sind in erster Linie dazu da die
Lösung einer Aufgabe in computergerechter Form zu formulieren.
Die Lösung einer hier betrachteten Aufgabe soll also durch einen
Algorithmus dargestellt in einer Programmiersprache beschrieben
sein. Wie muß eine solche Programmiersprache (Algorithmische
Sprache) nun aufgebaut sein damit sie geeignet ist beliebige
Algorithmen darzustellen?