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Programmierung

Mathematische Methoden und Computereinsatz, Begriff, der die Umsetzung von Algorithmen in Programmiersprachen bezeichnet, mit deren Entwicklung dieParadigmen der Programmierung eng verbunden sind.

Als erste Programmiererin wird allgemein Augusta Ada Byron angesehen, die für Charles Babbages letztlich unrealisierte mechanische Computer-Programme entwickelte.

1945 definierte Konrad Zuse eine Sprache Plankalkül,

die allerdings nie implementiert wurde und 17 Jahre unveröffentlicht blieb.

Die ersten Computer wurden ausschliesslich durch direkte Angabe der Maschinenbefehle programmiert. Eine Erleichterung boten Assemblersprachen, in denen statt des Zahlcodes für die Befehle sog. Mnemonics benutzt werden und Speicheradressen mit Variablen benannt werden können.

Die wachsende Leistung der Computer ermöglichten Befehle, die eine ganze Kette von Maschinenbefehlen zusammenfassten. Damit ist jedoch automatisch eine etwas geringere Effizienz des Programms verbunden.

1957 brachte IBM die erste höhere, d.h. von der Maschinenebene unabhängige Programmiersprache, FORTRAN I, heraus. Alle in der Physik gängigen Programmiersprachen lassen sich auf diesen Urahn zurückverfolgen. Die Entwicklung von FORTRAN I zu FORTRAN 90 (1990) gibt die wesentlichen Paradigmen der Programmierung wieder.

FORTRAN I besass eine Abfrage, die eine bedingte Ausführung von Befehlen ermöglichte, und eine Schleifenstruktur. Der eingegebene Text, das FORTRAN-Programm, wurde durch einen Compiler in Maschinensprache übersetzt. Dieses Maschinenspracheprogramm war dann ausführbar.

Mit der zunehmenden Komplexität der Programme mussten Programmierparadigmen entwickelt werden, mit denen man diese Aufgaben handhaben konnte. Ein wichtiger Schritt war die Entwicklung der strukturierten Programmierung. Schon in der ersten Entwurfsphase eines Programms wird die zu bewältigende Aufgabe in kleine Teilaufgaben zerlegt, welche dann in der Implementation in Unterprogrammen abgearbeitet werden. Dies erleichtert die Lokalisierung eventueller Fehler ebenso wie die Weiterverwendung dieser Bausteine in anderen Programmen.

Damit verbunden ist das Konzept des Information Hiding. Variablen können global, also allen Programmteilen zugänglich, oder lokal (nur in einem bestimmten Unterprogramm) vereinbart werden. Gut geschriebene grosse Programme sollten möglichst wenige globale Variablen haben.

Das Unterprogramm hat eine Schnittstelle mit dem aufrufenden Programmteil, in dem Variablen übergeben werden. Es wird hierbei in vielen Sprachen unterschieden zwischen einer Wert- und einer Adressenübergabe. Im ersten Fall legt das Unterprogramm eine Kopie der Variablen mit gleichem Wert an, deren Speicherplatz nach der Beendigung des Unterprogramms wieder freigegeben wird. Somit bleibt der Wert der Variablen im aufrufenden Programmteil unverändert. Bei einer Adressübergabe wird keine Kopie der Variablen angelegt. Eine Wertänderung hat somit auch Wirkung für den aufrufenden Programmteil.

Prozeduren können sich auch selbst wieder aufrufen. Diese Technik heisst Rekursion.

Die erste Programmiersprache von Bedeutung, die diese Konzepte verwirklichte, war ALGOL 60.

In gewissem Sinne kann das darauf folgende Paradigma der objektorientierten Programmierung als ein Weiterdenken der strukturierten Programmierung aufgefasst werden. Hier stehen die vom Programmierer selbst am jeweiligen Problem orientiert definierten Datentypen, die Klassen, im Mittelpunkt. Die Idee des Information Hiding umfasst nun auch den Zugriff auf die Elemente der Klasse. Er kann auf die Elementfunktionen der Klasse beschränkt werden. Ein weiteres wesentliches Konzept der objektorientierten Programmierung ist die Vererbung. Die Vererbung erlaubt die Verwendung von Klassenelementen und -funktionen in einer anderen, davon abgeleiteten Klasse.

Die heute für Physiker wichtigsten Sprachen sind FORTRAN 90 und C++. C++ gilt als gelungener Kompromiss zwischen Laufzeiteffizienz und Objektorientierung.

 

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