PCP - Programming Concepts & Paradigms

Die Mächtigkeit einer Programmiersprache beschreibt, den Umfang der darin festhaltbaren Algorithmen.

Nach Dijkstra: Mit der goto-Anweisung sind verworrene Kontrollstrukturen möglich (= „Spaghetticode“) – Auswahl und Wiederholung sind einfacher verständlicher und Programmfluss nachvollziehbar

Strukturierte Programmierung ist eine Spezialisierung der imperativen Programmierung, die sich auf die drei Kontrollstrukturen...

1. Sequenzen
2. Auswahl
3. Wiederholung

...beschränkt. Goto-Statements sind zu vermeiden.

Mit struct lässt sich eine Liste von Variablen zusammenfassen.

Beispiel Deklaration:

struct point {

int x;
int y;
char color;

};

Verwendung:

struct point p;
p.x = 100;
p.y = 200;
p.color = 'g';
printf(" p = (%i, %i)", p.x, p.y);

Abstrakte Datentypen (ADT) sind mathematische Modelle für Datenstrukturen und darauf definierte Operationen (mit vorgegebenem Effekt)

• Implementierung der Datenstruktur ist (grundsätzlich) getrennt und unabhängig von der Implementierung der dazu gehörigen Funktionen.
• Die Funktionen „hängen“ direkt an den Daten: Klassen haben definierte „Daten“ (Zustand: Instanzvariablen) und „Funktionen“ (Verhalten: Methoden)

In C ist die Implementierung der Daten getrennt von derjenigen der Operationen, wohingegen bei Java die Implementierung der Daten und Operationen innerhalb der Klasse zusammengefasst sind.

• Klassen und Instanzen
• Interfaces
• Sichtbarkeit
• Packages
• Exception Handling

Eine Prozedur ist endrekursiv, wenn:

• sie nur einen rekursiven Aufruf hat und 
• dieser rekursive Aufruf ist der letzte Aufruf in der letzten Klausel von dieser Prozedur
• zusätzlich müssen die Aufrufe vor dem rekursiven Aufruf alle deterministisch sein

Kein Backtracking notwendig: Endrekursion kann als Iteration ohne zusätzlichen Speicherplatz ausgeführt werden

last call optimization

Optimierung durch Assertions.

Es werden zur Laufzeit Fakten und Regeln in die Wissensdatenbank eingefügt oder entfernt. Man vermeidet so das mehrfache berechnen von Zwischenresultaten,

Endrekursive Prozeduren können von Prolog als Iteration ausgeführt werden, was effizienter ist.

Beobachtung: Bei einer rekursiven Prozedur werden Zwischenresultate mehrfach berechnet.

Diese Zwischenresultate speichert man bei einer Optimierung mit Assertions in Prolog in die Wissensdatenbank.

Einfügen mit asserta/1 oder assertz/1 und entfernen mit retract/1

X = [a, b]

X = [2.3]

X = b

Y = [c]

Weil das Head im Prolog direkt zugreifbar ist und nicht wie beim Tail durch die ganze Liste iteriert werden muss.

1. L = [a, b]
2. Before = [a, b, c]  After = [e, f, g, h]
3. false
4. mem_c(X, L) :- conc(_, [X | _], L)

Fundamentaler Programmierstil, eine bestimmt Art die Struktur und Elemente von Programmen aufzubauen

• strukturiert (Pascal)
• prozedural (C)
• objektorientiert (Java)

• funktional (Scheme)
• logisch (Prolog)

Problemlösung (Berechnungslogik) wird schrittweise in Befehlen beschrieben: Wie ist das Problem zu lösen?

Berechnungslogik wird beschrieben ohne den Kontrollfluss zu definieren: Was sind die Fakten zum Problem?

• Imperative Programmierung: WIE
  • Kreis: Resultat einer 360 Grad Rotation um einen festen Mittelpunkt mit dem Zirkel
  • Beschreibung von einer konkreten Lösung, so wird schrittweise vorgegangen

• Deklarative Programmierung: WAS
  • Kreis: Menge aller Punkte, die von einem vorgegebenen Punkt denselben Abstand hat
  • Reine Problembeschreibung ohne konkreten Lösungsweg!

• Der Fokus liegt auf den Befehlen (Anweisungen)
• Kontrollfluss ist vorgegeben (sequentiell bis auf Kontrollstrukturen wie z.B. Funktionen, Bedingungen oder Schleifen)

• Einzelne Fakten und Regeln sind angegeben
• Kontrollfluss ist nicht (explizit) vorgegeben

• Fokus liegt auf Definition von Ein- und Ausgaben von Funktionen
• Kontrollfluss ist nicht (explizit) vorgegeben

Spezialisierung des imperativen Paradigmas, verlangt Beschränkung auf drei Kontrollstrukturen:

1. Sequenzen (Hintereinander auszuführende Programmanw.)
2. Auswahl (Verzweigung: Bedingung)
3. Wiederholung (Schleifen)

Konsequenz: „goto“ darf nicht eingesetzt werden, sonst „Spaghetticode“ (= Code mit verworrenen Kontrollstrukturen)

Spezialisierung des imperativen Paradigmas, bietet Unterteilung von Programmen in Teilprogramme (= Prozedur, oder je nach Sprache: Routine, Unterprogramm, Funktion)

1. Vermeidet Code-Duplikation
2. Prozeduren können Argumente entgegen nehmen und Ergebnisse zurück geben
3. Unterscheidung in Programm-globale und Prozedurlokale Variablen

Oft genannt als „Gegenstück“ zur objektorientierten Programmierung innerhalb der imperativen Sprachen

Spezialisierung des imperativen Paradigmas, laufende Programme bestehen aus einzelnen Objekte, welche miteinander interagieren (Nachrichten austauschen = Methoden aufrufen)

Objekte sind typischerweise Instanzen von Klassen (Geht auch anders, z.B. mit Prototypen in JavaScript)

• Klassen definieren Zustand (Variablen) und Verhalten (Methoden)
• Vererbung, Polymorphismus, usw.

Entstanden als Weiterentwicklung von prozeduraler Programmierung und abstrakten Datentypen

Grundsätzlich überlappen sich die beiden Paradigmen an vielen Stellen.

Verwendung von Kontrollstrukturen wie Sequenzen, Auswahl und Wiederholung und Verzicht auf goto? => Strukturierte Programmierung

Programme in kleinere Teilaufgaben aufspalten? => Prozedurale Programmierung

• logische Programmierung (z.B. Prolog)
• funktionale Programmierung (z.B. Scheme)

Spezialisierung vom deklarativen Paradigma: Programm besteht aus Fakten und Regeln, aus welchen auf Anfrage automatisch versucht wird, eine Lösungsaussage herzuleiten

Lösungsweg wird nicht angegeben

Basierend auf mathematischer Logik (Horn-Klauseln, Resolution)

Spezialisierung des deklarativen Paradigmas: Programme bestehen ausschliesslich aus Definitionen von Funktionen mit Parametern und Rückgabewerten

• Der Rückgabewert hängt ausschliesslich von den Parametern ab (-> Referenzielle Transparenz!)
• Es gibt keinen Zustand und keine veränderbaren Daten

Basiert auf dem formalen System des Lambda-Kalkül

• strukturiert
• prozedural
• objektorientiert