Inleiding tot computers en programmeertalen

Transcriptie

1 wat is informatica (eng. computer science)? Beginselen van programmeren 1 Inleiding tot computers en programmeertalen informatica is een wetenschap van abstractie: creëren van het juiste model voor een probleem en bedenken van een gepaste en bruikbare techniek om het op te lossen niet de wetenschap van de computers naamgeving in Engels verwijst ten onrechte naar het apparaat cf. sterrenkunde of telescoopkunde ook de grote verenigingen van informatici: ACM: Association for Computing Machinery IEEE Computer Society betere term: informatica = computing science studie van geautomatiseerd oplossen van problemen 1 2 aspecten van informatica veel begrippen kregen vorm vóór het ontstaan van de elektronische computers : berekenbaarheid welke problemen kunnen automatisch opgelost worden en welke niet? Kurt Gödel, Alan Turing, Emil Post, Alonzo Church,... computer: nu: universele machine, kan gebruikt worden voor veel verschillende taken (naargelang van programma) tot ±1940: een persoon, die met potlood en papier berekeningen uitvoerde fundamenten computersystemen toepassingen methodes 3 4 1

2 aspecten van informatica fundamenten fundamentele wiskundige en logische basis voor o.a. karakteriseren van de problemen die ( met behulp van computers ) kunnen worden opgelost uitdrukken van de complexiteit van programma s het verifiëren van de correctheid van programma s computersystemen computer architectuur: organisatie en structuur van de apparatuur (hardware) besturingssystemen - operating systems: fundamentele software die de hulpmidelen beheert gedistribueerde systemen - netwerken: computers met elkaar verbonden ten einde hulpmiddelen en informatie te delen beveiliging aspecten van informatica toepassingen er zijn veel toepassingen van informatica artificiële intelligentie gegevensbankbeheer computer grafieken multimedia toepassingen... methodes programmeertalen software engineering programmeren ontwerp... onderwerp van de cursus BVP 5 6 computers ontstaan en evolutie rekenmachines automaten - Charles Babbage ( ) ±1940 het ontstaan van computers stored program principe: geheugen bevat opdrachten en data evolutie: groot klein toepassingen: berekeningen administratie productie netwerken - communicatie individueel gebruik multimedia ingebed (in andere apparaten)... 7 enkele onderdelen invoerorgaan geheugen verwerkingsorgaan controle-orgaan uitvoerorgaan belangrijk aspect: een computer werkt digitaal gegevens worden door middel van getallen voorgesteld: digitaal digit = cijfer cf. wijzerplaat van een uurwerk: analoog of digitaal thermometer: analoog of digitaal grammofoonplaat: analoog, CD: digitaal videoband analoog, DVD: digitaal getallen, woorden, grafieken, beelden, geluid, video: digitale voorstelling 8 2

3 programmeren van computers digitale voorstelling getallenstelsel gebruikt in de computer: basis 2: binair reden: gemakkelijker om bistabiele componenten te maken voorbeeld: (1101) 2 = 1x x x x 2 0 = 1 x 8 + 1x x x 1 = = 13 geheugen: opgedeeld in cellen met zekere grootte elke cel kan bv. 32 bits bevatten inhoud van een cel (of enkele opeenvolgende cellen): waarde (getal, letter, kleur van een beeldpunt, ) een opdracht van een programma programma opdrachten, instructies: algoritme voorbeelden wegbeschrijving handleiding bij doe-het-zelf pakket recept opzoeken van een woord in een encyclopedie... ontstaan van het woord Perzische wiskundige (±825) Abu Jafar Muhammad ibn Musa al-khwarizmi beschrijft rekenregels met Indische getallenvoorstelling in de middeleeuwen ingevoerd in Europa: algorism algorism versus abacus later verwarring met aritmetiek en verruiming van de betekenis: algoritme 9 10 programma opdrachten, instructies: algoritme (vervolg) definitie: de beschrijving van de opeenvolgende stappen die men moet uitvoeren om, vertrekkende van een welbepaalde beginsituatie, een welomschreven eindsituatie te bereiken een klassiek voorbeeld uit de wiskunde: het algoritme van Euclides: gegeven: twee positieve gehele getallen x en y gevraagd: bereken de grootste gemene deler van die twee getallen beschrijving: bepaal de rest r van de deling van x door y (0 r < y) als deze rest r = 0, dan is y de gevraagde GGD als de rest r 0, herneem dan het algoritme bij regel 1, waarbij je nu voor x het getal y neemt, en voor y de gevonden rest r algoritme van Euclides - beschrijving: bepaal de rest r van de deling van x door y (0 r < y) als deze rest r = 0, dan is y de gevraagde GGD als de rest r 0, herneem dan het algoritme bij regel 1, waarbij je nu voor x het getal y neemt, en voor y de gevonden rest r voorbeeld: x = 48, y =

4 algoritme van Euclides - beschrijving: bepaal de rest r van de deling van x door y (0 r < y) als deze rest r = 0, dan is y de gevraagde GGD als de rest r 0, herneem dan het algoritme bij regel 1, waarbij je nu voor x het getal y neemt, en voor y de gevonden rest r voorbeeld: x = 48, y = 28 x y r beginsituatie r rest van 48 / 28: r 0 x y en y r r rest van 28 / 20: 8 8 r 0 x y en y r r rest van 20 / 8: 4 4 r 0 x y en y r r rest van 8 / 4: 0 0 r = 0, dus de waarde van y: 4 is de gevraagde GGD 13 programma opdrachten, instructies: algoritme (vervolg) eigenschappen van algoritmen algemeen ondubbelzinnig (op niveau van de lezer ) begin- en eindsituatie: duidelijk beschreven correct / effectief eindig goed leesbaar en consequent in formulering efficiënt flexibel: gemakkelijk te onderhouden / aan te passen 14 programma gegevensvoorstelling met welke gegevens wordt gewerkt? enkelvoudige, primitieve gegevenstypes, zoals getallen symbolen, tekst data samengestelde, gestructureerde gegevenstypes, zoals tabellen samengestelde objecten vb: bankrekening, studentgegevens,... welke bewerkingen zijn mogelijk op die gegevens? voor primitieve types: de gewone bewerkingen, zoals +, -, *, / van getallen voor gestructureerde types: zelf te definiëren, zoals storten op, afhalen van, saldo opvragen van een bankrekening 15 programmeertalen en programmeerparadigma s machinetaal (cijfers!) opdrachten in de vorm operatiecode operand1 (operand2) (operand3) voorbeeld tel op locatie1 locatie2 locatie3 tel inhoud van locatie1 en die van locatie2 op en plaats het resultaat in locatie3 lage programmeertaal (assembleertaal): mnemotechnisch opdrachten in dezelfde vorm machinetaalopdrachten mnemotechnische namen namen voor geheugenlocaties deelprogramma s mogelijke: macro s mv, add, sto,.. vertaling naar machinetaal is redelijk eenvoudig, wordt uitgevoerd door een programma ( assembler ) 16 4

5 programmeertalen en programmeerparadigma s hogere programmeertalen abstractie van uitdrukkingen: vb: X = A + B FORTRAN (formula translator), COBOL (common bussiness oriented language), ook deelprogramma s (subroutines) mogelijk controle abstractie: constructies zoals if. then. else. voorwaardelijke opdracht while.. do herhalingsopdracht + gebruik van procedures en functies duidelijke structuur, geen sprongen (goto) meer nodig algol, algol68, PL/I, Pascal, C, (Blaise Pascal, ) programmeertalen en programmeerparadigma s hogere programmeertalen (vervolg) gegevensabstractie: definites van nieuwe types en bewerkingen daarop Ada, Modula, (Ada Lovelace - Byron, ) objectgeoriënteerd: objecten en klassen, inkapseling of ommuring, overerving,... smalltalk, C ++, Java,... functionele talen: beschrijven de oplossing op wiskundige en functionele manier Lisp, scheme,... logisch programmeren: feiten en afleidingsregels geen expliciet algoritme Prolog, object-georiënteerd programmeren Java sluit (redelijk) goed aan bij ervaringswereld objecten hebben bepaalde kenmerken en kunnen zekere acties uitvoeren objecten interageren met elkaar eigenschappen van objecten kunnen worden afgeschermd gelijkaardige objecten behoren tot een klasse klassen kunnen worden verfijnd in deelklassen, enz. oorsprong Sun Microsystems eerst bedoeld voor programma s in kleine gebruiksproducten gebaseerd op C en C ++ naam application - applet applicatie: op zich staand programma applet: Java-programma dat in een Web-browser wordt uitgevoerd dank zij tussenniveau ( bytecode ) onafhankelijk van platform geen rechtstreekse vertaling naar machinetaal (die is afhankelijk van de gebruikte processor!) programma wordt vertaald naar bytecode elk platform heeft een bytecode vertolker

6 Java een programmeertaal hergebruik van programma-delen wordt aangemoedigd: pakketten van klassen: in Java Application Programming Interface (API): met algemene hulpklassen specifieke klassen gemaakt door gebuikers meer informatie: De algemene java site bij sun: De tutorial van sun voor java: 21 begrippen vocabulaire / woordenschat: symbolen (letters, cijfers, speciale tekens zoals -, $, ) gereserveerde woorden (if, while, ) syntaxis: regels om geldige programma s te maken semantiek: betekenis van het programma geschreven programma uitvoering door computer vertaling (compilatie): cf. vertaling van een brief volledige omzetting naar machinetaal uitvoering van machinetaalprogramma vertolking (interpretatie): cf. vertolken bij een gesprek opdracht per opdracht omzetting naar machinetaal en onmiddellijke uitvoering van de opdracht Java: combinatie van beide: vertaling naar byte-code programma vertolking van byte-code programma 22 oplossen van problemen (problem solving) object-georiënteerd programmeren De methode om een oplossing voor problemen te vinden, is het opsplitsen in beheersbare onderdelen Bij de ontwikkeling van programma s: we ontwerpen afzonderlijke onderdelen die elk verantwoordelijk zijn voor delen van de oplossing Een object-georiënteerde aanpak ondersteunt zo n decomposite van de oplossing De oplossing wordt verdeeld in delen die klassen en objecten worden genoemd Java is en object-georiënteerde programmeertaal een object: is een fundamentele entiteit in een Java programma kan gebruikt worden om entiteiten uit de werkelijkheid voor te stellen voorbeeld: een object kan een een bepaalde werknemer in een bedrijf voorstellen elk werknemer-object behandelt de gegevens en de bewerkingen gerelateerd aan die werknemer

7 objecten klassen een object heeft: een toestand - beschrijvende eigenschappen een gedrag - wat het kan doen (of wat ermee kan worden gedaan) voorbeeld: een bankrekening: toestand: omvat een saldo gedrag: omvat storting, afhaling, het gedrag kan de toestand van een object wijzigen een object wordt gedefinieerd door een klasse een klasse is een ontwerp (of blauwdruk) voor een object een klasse gebruikt methodes om het gedrag van het object te modelleren de klasse die demain methode van een Java programma bevat stelt het hele programma voor een klasse stelt een concept voor, en een object is de belichaming, de realisatie van dat concept van een klasse kunnen meerdere objecten gecreëerd worden objecten en klassen overerving een klasse (het concept) Bank een object (de realisatie) Guy s Bank Saldo: EUR een klasse kan gebruikt worden om er een andere van af te leiden door overerving klassen kunnen in hiërarchieën georganiseerd worden meerdere objecten van dezelfde klasse George s Bank Saldo: EUR Jan s Bank Saldo: EUR Wissel Spaar Bank Zicht

8 software ontwikkeling programmeren analyse haalbaarheidsstudie resultaat: specificatie van de vereisten ontwerp gedetailleerd ontwerp dat voldoet aan de vereisten welke klassen gedrag en onderlinge communicatie van de klassen coderen uitwerking in een programmeertaal testen per deel (per klasse) geïntegreerd operationele fase onderhoud IS NIET: een programmeertaal kennen IS WEL: de verschillende stadia in het software ontwikkelingsproces beheersen gepast gebruik kunnen maken van de mogelijkheden van ontwerphulpmiddelen een programmeertaal en een programmeeromgeving beginselen van programmeren: eerste cursus is een reeks over software ontwikkeling beginselen van programmeren object-georiënteerd programmeren programmeren van bedrijfstoepassingen methodologieën voor het ontwikkelen van programmatuur objectgeriche analyse en ontwerp van gedistribueerde software ontwerp van technisch wetenschappelijke software logisch programmeren ontwikkeling van veilige software ook eerste cursus in een reeks over programmeertalen beginselen van programmeren declaratieve talen ontwerp van talen en vertalers formele specificaties en ontwerpen vergelijkende studie van imperatieve programmeertalen 31 8