031.1 Lektion 1

Die Vielfalt an Möglichkeiten, Quellcode zu schreiben, wirkt schnell einschüchternd. Daher greifen viele Entwickler auf Tools zurück, die das Schreiben und Testen des Programms unterstützen.

Die Quellcodedatei ist eine einfache Textdatei und als solche lässt sie sich mit jedem noch so einfachen Texteditor bearbeiten. Zur einfacheren Unterscheidung zwischen Quellcode und einfachem Text hat jede Sprache eine selbsterklärende Dateinamenerweiterung: .c für die Sprache C, .py für Python, .js für JavaScript usw. Allzweck-Editoren verstehen den Quellcode beliebter Sprachen oft gut genug, um Kursivschrift, Farben und Einrückungen hinzuzufügen und den Code verständlich zu machen.

Nicht jeder Entwickler entscheidet sich für die Bearbeitung des Quellcodes in einem Allzweck-Editor. Eine integrierte Entwicklungsumgebung (Integrated Development Environment, IDE) bietet einen Texteditor in Verbindung mit Werkzeugen, die syntaktische Fehler und offensichtliche Inkonsistenzen vermeiden helfen. Diese Umgebungen sind weniger erfahrenen Programmierern zu empfehlen, aber auch erfahrene Programmierer nutzen sie.

Beliebte IDEs wie Visual Studio, Eclipse und Xcode verfolgen auf intelligente Weise, was der Programmierer eingibt, und schlagen daraufhin mögliche Ergänzungen vor (Autocompletion) und überprüfen den Code in Echtzeit. IDEs bieten sogar automatisches Debugging und Testen an, um Probleme bei jeder Änderung des Quellcodes zu erkennen.

Erfahrenere Programmierer entscheiden sich häufig für weniger intuitive Editoren wie Vim, die mehr Flexibilität bieten und nicht die Installation zusätzlicher Pakete erfordern. Solche Programmierer nutzen externe, eigenständige Werkzeuge, um die Funktionen zu ergänzen, die eine IDE bereits mitbringt.

Ob Sie auf eine IDE oder eigenständige Tools setzen — wichtig ist irgendeine Art von Versionskontrollsystem (VCS). Quellcode wird ständig weiterentwickelt, weil unvorhergesehene Fehler behoben und Verbesserungen eingepflegt werden müssen. Eine unvermeidliche Folge dieser Entwicklung ist, dass Korrekturen und Erweiterungen andere Teile der Anwendung mit einer großen Codebasis beeinträchtigen können. Versionskontrollwerkzeuge wie Git, Subversion und Mercurial zeichnen alle am Code vorgenommenen Änderungen auf und geben Aufschluss darüber, wer diese vorgenommen hat, so dass man eine unerwünschte Änderung zurückverfolgen und eventuell zurücknehmen kann.

Außerdem ermöglichen Versionskontrollwerkzeuge jedem Entwickler im Team, an einer Kopie der Quellcodedateien zu arbeiten, ohne die Arbeit der anderen Programmierer zu beeinträchtigen. Sobald die neuen Versionen des Quellcodes fertig und getestet sind, können andere Teammitglieder die Korrekturen oder Verbesserungen, die an einer Kopie vorgenommen wurden, übernehmen.

Git, das derzeit beliebteste Versionskontrollsystem, erlaubt es, dass viele unabhängige Kopien eines Repositorys von verschiedenen Personen verwaltet werden, die ihre Änderungen nach Belieben austauschen. Unabhängig davon, ob ein dezentrales oder ein zentrales Versionskontrollsystem im Einsatz ist, pflegen die meisten Teams ein einziges vertrauenswürdiges Repository, auf dessen Quellcode und Ressourcen sie sich verlassen. Mehrere Online-Dienste bieten Speicherplatz für Quellcode-Repositories an. Die bekanntesten sind GitHub und GitLab, aber auch das GNU-Projekt Savannah sei erwähnt.

Paradigmen sind die Prämissen, auf denen eine Programmiersprache basiert, insbesondere in Bezug auf die Struktur des Quellcodes.

Entwickler gehen vom Sprachparadigma aus, um die Aufgaben zu formulieren, die die Maschine ausführen soll. Die Aufgaben werden wiederum mit den von der Sprache angebotenen Wörtern und syntaktischen Konstruktionen symbolisch ausgedrückt.

Eine Programmiersprache ist prozedural, wenn die Anweisungen im Quellcode nacheinander ausgeführt werden — wie ein Drehbuch. Ist der Quellcode in Funktionen oder Unterprogramme unterteilt, sorgt eine Hauptroutine dafür, dass die Funktionen nacheinander aufgerufen werden.

Der folgende Code ist ein Beispiel für eine prozedurale Sprache. Er ist in C geschrieben und definiert Variablen zur Darstellung der Kante, der Seitenfläche und des Volumens geometrischer Formen. Der Wert der Variable side wird in der Funktion main() zugewiesen, die bei der Ausführung des Programms aufgerufen wird. Die Variablen area und volume werden in den Unterprogrammen square() und cube() berechnet, die der Hauptfunktion vorausgehen:

Die Reihenfolge der in main() definierten Aktionen bestimmt die Abfolge der Programmzustände, die durch den Wert der Variablen side, area und volume gekennzeichnet sind. Das Beispiel endet, nachdem der Wert von volume mit der Anweisung printf angezeigt wurde.

Das Paradigma der objektorientierten Programmierung (OOP) hat demgegenüber als Hauptmerkmal die Aufteilung des Programmzustands in unabhängige Unterzustände. Diese Unterzustände und die zugehörigen Operationen sind die Objekte — so genannt, weil sie innerhalb des Programms mehr oder weniger unabhängig existieren und bestimmte Aufgaben erfüllen.

Unterschiedliche Paradigmen schränken nicht unbedingt die Art der Aufgaben ein, die ein Programm ausführen kann. Der Code aus dem vorangegangenen Beispiel lässt sich gemäß dem OOP-Paradigma in der Sprache C++ wie folgt schreiben:

Die Funktion main() gibt es immer noch, aber auch ein neues Wort, class, das die Definition eines Objekts einleitet. Die definierte Klasse namens Cube enthält eigene Variablen und Subroutinen. In der OOP werden eine Variable auch als Attribut und ein Unterprogramm als Methode bezeichnet.

Es geht über das Thema dieser Lektion hinaus, den gesamten C++-Code des Beispiels zu erklären. Wichtig für uns ist hier, dass Cube das Attribut side und zwei Methoden enthält. Die Methode volume() berechnet das Volumen des Würfels.

Sie können mehrere unabhängige Objekte aus derselben Klasse erstellen und Klassen aus anderen Klassen zusammensetzen.

Denken Sie daran, dass dieselben Funktionen auch anders geschrieben werden können und dass die Beispiele in dieser Lektion stark vereinfacht sind. C und C++ haben sehr viel ausgefeiltere Funktionen, die deutlich komplexere und praktischere Konstruktionen erlauben.

Die meisten Programmiersprachen schreiben nicht strikt ein Paradigma vor, sondern erlauben es den Programmierern, verschiedene Aspekte des einen oder anderen Paradigmas zu wählen. JavaScript zum Beispiel enthält Elemente verschiedener Paradigmen. Sie können das gesamte Programm in Funktionen zerlegen, die keinen Zustand miteinander teilen:

Obwohl dieses Beispiel der prozeduralen Programmierung ähnelt, ist zu beachten, dass die Funktion eine Kopie aller für ihre Ausführung notwendigen Informationen erhält und immer dasselbe Ergebnis für denselben Parameter liefert, unabhängig von Änderungen, die außerhalb des Funktionsbereichs stattfinden. Dieses Paradigma, das als funktional bezeichnet wird, ist stark vom mathematischen Formalismus beeinflusst, bei dem jede Operation autark ist.

Ein anderes Paradigma umfasst deklarative Sprachen, die die Zustände beschreiben, in denen sich das System befinden soll. Eine deklarative Sprache findet heraus, wie man die angegebenen Zustände erreicht. SQL, die universelle Sprache zur Abfrage von Datenbanken, wird manchmal als deklarative Sprache bezeichnet, obwohl sie in Wirklichkeit eine einzigartige Nische im Pantheon der Programmierung einnimmt.

Es gibt kein universelles Paradigma, das sich auf jeden Kontext übertragen lässt. Die Wahl der Sprache kann auch dadurch eingeschränkt sein, welche Sprachen die Plattform oder die Ausführungsumgebung, in der das Programm verwendet wird, unterstützt.

Eine Webanwendung, die im Browser laufen soll, muss beispielsweise in JavaScript geschrieben werden, einer Sprache, die alle Browser unterstützen. (Einige andere Sprachen sind möglich, da sie Konverter für die Erstellung von JavaScript bereitstellen.) Für den Webbrowser — manchmal auch als Clientseite oder Frontend der Webanwendung bezeichnet — muss der Entwickler also den in JavaScript zulässigen Paradigmen folgen. Die Serverseite oder das Backend der Anwendung, das die Anfragen des Browsers bearbeitet, wird normalerweise in einer anderen Sprache programmiert — PHP ist hier am beliebtesten.

Unabhängig vom Paradigma verfügt jede Sprache über vorgefertigte Bibliotheken (Libraries) von Funktionen, die in den Code integriert werden können. Mathematische Funktionen — wie die im Beispielcode dargestellten — müssen Sie nicht von Grund auf neu implementieren, da die Sprache die Funktion bereits zur Verfügung stellt. JavaScript zum Beispiel bietet das Math-Objekt mit den gängigsten mathematischen Operationen.

Speziellere Funktionen sind in der Regel vom Anbieter der Sprache oder von Drittanbietern erhältlich. Diese zusätzlichen Ressourcenbibliotheken können in Form von Quellcode vorliegen, d.h. in zusätzlichen Dateien, die in die Datei eingebunden werden, in der sie gebraucht werden. In JavaScript erfolgt die Einbettung mit import from:

Diese Art des Imports, bei der die eingebettete Ressource auch eine Quellcodedatei ist, wird meist in sogenannten interpretierten Sprachen verwendet. Kompilierte Sprachen erlauben unter anderem die Einbindung vorkompilierter Funktionen in Maschinensprache, also kompilierte Bibliotheken. Im nächsten Abschnitt geht es um die Unterschiede zwischen diesen Sprachentypen.

Wie wir bereits wissen, ist der Quellcode eine symbolische Darstellung eines Programms, das in Maschinensprache übersetzt werden muss, um ausgeführt werden zu können.

Grob gesagt gibt es zwei Möglichkeiten der Übersetzung: die Konvertierung des Quellcodes im Voraus für eine spätere Ausführung oder die Konvertierung des Codes zum Zeitpunkt seiner Ausführung. Sprachen des ersten Typs werden als kompilierte Sprachen und Sprachen des zweiten Typs als interpretierte Sprachen bezeichnet. Einige interpretierte Sprachen bieten die Kompilierung vorab als Option an, so dass das Programm schneller startet.

Bei kompilierten Sprachen gibt es eine klare Unterscheidung zwischen dem Quellcode des Programms und dem Programm selbst, das vom Computer ausgeführt wird. Sobald das Programm kompiliert ist, funktioniert es in der Regel nur auf dem Betriebssystem und der Plattform, für die es kompiliert wurde.

Bei einer interpretierten Sprache wird der Quellcode selbst als das Programm behandelt, und der Prozess der Umwandlung in Maschinensprache ist für den Programmierer transparent. Bei einer interpretierten Sprache bezeichnet man den Quellcode üblicherweise als Skript. Der Interpreter übersetzt das Skript in die Maschinensprache für das System, auf dem es läuft.