Kapitel 2:
Daten abbilden und miteinander in Beziehung setzen

In Kapitel 1 habe ich erläutert, wie die Programmierung entstanden ist und wie sie sich entwickelt hat. Ich habe auch in groben Zügen beschrieben, wie die Programmierung unter Verwendung von Programmiersprachen funktioniert.

In diesem Kapitel geht es darum, welche Elemente und Grundkonzepte in der Programmierung verwendet werden - und das möglichst unabhängig von einer bestimmten Programmiersprache. So können Sie sich wichtige Grundkenntnisse der Programmierung aneignen, ohne sich bereits auf eine Programmiersprache festzulegen.

2.1  Mit einer Maschine kommunizieren

Natürliche Sprachen bestehen aus einem Alphabet, also einer endlichen Sammlung aus Zeichen, die dazu genutzt werden, um Wörter zu bilden. Wörter haben eine gewisse Bedeutung und diese Bedeutung wird vom Menschen festgelegt. Durch Anwendung einer Grammatik können Wörter verwendet werden, um zu kommunizieren. Menschen, die dasselbe Alphabet, dieselbe Wortsammlung und dieselbe Grammatik verwenden, also dieselbe Sprache sprechen, verstehen diese Form der Kommunikation.

Mit Programmiersprachen? verhält es sich ähnlich. Das Programmieren? einer Maschine? kann als Form der Kommunikation angesehen werden, wenn auch viel eingeschränkter. Durch das Programmieren weist man eine Maschine an, sich auf gewisse Weise zu verhalten. Eine Hochsprache (wie etwa C++ oder Java) ist dazu aber nicht zwingend erforderlich, denn die Anweisungen an die Maschine können auch direkt in Maschinensprache? erfolgen. Hochsprachen dienen dazu, das Verfassen von Anweisungen zu vereinfachen und in einer für den Menschen leichter verständlichen Form zu ermöglichen.

Die Anweisungen, die eine Maschine versteht, sind natürlich viel limitierter als die Wörter, die ein Mensch versteht. Ein Mensch interpretiert Gesprochenes und kann in der Kommunikation auch Informationen erfassen, die nicht gesagt oder geschrieben wurden. Sprachliche Kommunikation kann daher auch trotz gemeinsamer Sprache unterschiedlich interpretiert werden. Bei Maschinen ist das anders, Maschinen interpretieren die Befehle, die Sie beherrschen, immer gleich. Die Formulierung der Anweisungen muss daher sehr exakt erfolgen. Die Regeln dazu sind in der jeweiligen Syntax?, quasi der Grammatik einer Programmiersprache, festgelegt. In erster Linie bestimmt die Syntax, welche Zeichen im Alphabet vorhanden sind und welche Wörter? und Befehle in der Programmiersprache daraus gebildet werden können. Diese Wörter nennt man Schlüsselwörter. Jede Programmiersprache hat eine bestimmte Anzahl an Schlüsselwörtern. Diese haben eine bestimmte Bedeutung und dürfen nur in bestimmten Kontexten verwendet werden. Die Syntax legt auch fest, in welcher Kombination die Schlüsselwörter eine gültige Anweisung ergeben (ähnlich der Grammatik natürlicher Sprachen).

Mehr Wissen - Syntax vs. Semantik?

Nachdem die Syntax formal richtige Anweisungen garantiert, die von der Maschine interpretiert werden kann, sorgt die Semantik dafür, dass die Anweisungen auch Sinn ergeben. Ähnlich wie ein grammatisch richtiger Satz absolut keinen Sinn ergeben kann (z.B. Peter ist ein verheirateter Junggeselle.), kann das auch mit syntaktisch richtigen Anweisungen der Fall sein. Hochsprachen wie Java oder C# haben allerdings eine derart strikte Syntax, dass kaum semantische Fehler passieren können. Semantikfehler werden vom Compiler üblicherweise auch als Syntaxfehler? ausgewiesen.

Programmiersprachen haben aber auch noch andere Gemeinsamkeiten mit natürlichen Sprachen. So wie die Sprachen, die wir Menschen verwenden, um untereinander zu kommunizieren, können Programmiersprachen in einem Sprachbaum dargestellt werden. Wie natürliche Sprachen entwickeln sich Programmiersprachen weiter und neue Sprachen entstehen auf Basis bestehender Sprachen. So wie menschliche Sprachen lokale Ausprägungen haben, können Programmiersprachen verschiedene sogenannte Implementierungen? haben.

Diese Gemeinsamkeiten helfen Ihnen auch beim Erlernen von Programmiersprachen. Die erste Programmiersprache zu erlernen, mag noch schwerer fallen. Lernen Sie aber eine weitere Sprache, wird Ihnen das schon leichter von der Hand gehen. Je ähnlicher sich die Sprachen sind, umso schneller erlernt man sie.

Vergessen Sie aber nicht, dass es beim Programmieren nicht ausschließlich darum geht, eine Programmiersprache syntaktisch zu beherrschen. Viel wichtiger sind die grundlegenden Konzepte der Programmierung, die Sie hier in diesem Buch finden.

2.2  Informationen speichern

Es wird Ihnen kaum gelingen, ein brauchbares Programm zu schreiben, ohne Informationen zwischenzuspeichern. Nur so können Sie mit einem Programm mehr erreichen, als nur einfache Rechnungen zu lösen.

2.2.1  Variablen

Jede Programmiersprache stellt Ihnen dafür sogenannte Variablen? zur Verfügung. Variablen kennen Sie vielleicht noch aus der Schule, genauer gesagt aus dem Mathematikunterricht. Dort stehen sie für eine bestimmte Zahl in einer Gleichung (z.B. x = 2 + y). Variablen in der Programmierung sind aber etwas anderes.?

Variablen helfen Ihnen, Informationen zu speichern und wieder abzurufen. Das können Zahlen, Zeichen? (Zahlen, Buchstaben, Sonderzeichen) oder Zeichenketten? (alle möglichen Kombinationen von Zeichen, Wörter, Sätze oder ganze Texte), aber auch viele andere Inhalte (Daten, die nicht im Klartext vorliegen und daher nicht vom Menschen direkt gelesen werden können) sein. Genau genommen lässt sich alles, was sich digital repräsentieren lässt, auch speichern.

Denken Sie an Briefkästen oder Postfächer. Diese besitzen eine eindeutige Adresse und werden mit einem Namen verknüpft. Diese Kombination bleibt gültig, solange der Träger des Namens auch Besitzer des Postfachs ist. In den Postfächern können Briefe, Wurfzettel und Pakete hinterlegt werden. Briefe können Texte, Dokumente oder andere Kleinigkeiten enthalten. Inhalt von Paketen kann alles Mögliche sein.

Stellen Sie sich jetzt ein gigantisches Regal mit vielen Einlagefächern vor, alle gleich groß und jedes Einlagefach hat eine eindeutige Adresse. Möchten Sie Information bzw. Daten abspeichern, dann werden diese in einem oder auch mehreren Einlagefächern abgelegt. Für Sie als menschlicher Programmierer wäre es aber sehr mühsam, müssten Sie sich merken, wie diese Adressen lauten. Diese bestehen nämlich aus einer alphanumerischen Zeichenkette (siehe Listing 2.1). Selbst wenn Sie sich diese Adressen notieren und mit Hinweisen versehen, würden Sie diese sehr bald durcheinanderbringen, zumal Einlagefächer auch geleert und anderwärtig verwendet werden. So ein Programm zu schreiben, macht auch wenig Spaß. Wenn Sie sich an die kleine Geschichtsstunde aus Kapitel 1 erinnern, war das in der grauen Vorzeit der Programmiergeschichte aber durchaus der Fall. Glücklicherweise müssen Sie sich damit nicht mehr abmühen.

Listing 2.1: Beispiel einer Speicheradresse?

Damit Sie sich nicht merken müssen, wo Ihre Daten abgelegt wurden und wie viele Einlagefächer diese belegen, können Sie einfach einen Namen verwenden, hinter dem sich alles Weitere verbirgt. Anhand des Namens können Sie die gespeicherte Information abrufen oder auch manipulieren. Sie haben es bestimmt schon erraten, diese Namen sind die Variablen, um die sich dieser Abschnitt dreht.

Abb. 2.1: Die Variable mit Namen »x« enthält den Wert 27.

Die Variable dürfen Sie dabei weitestgehend frei benennen. In der Welt der Computerprogrammierung hat sich die Konvention??? verbreitet, Variablennamen mit Kleinbuchstaben zu beginnen (z.B. name). Handelt es sich um ein zusammengesetztes Wort, wird jedes weitere Hauptwort mit einem Großbuchstaben begonnen (z.B. geburtsJahr). Diese Schreibweise wird auch Camelcase? genannt.

Konventionen dienen dazu, eine einheitliche Darstellung des Codes zu erreichen, das erleichtert das Lesen und hilft Ihnen, sich auch in fremden Code schneller zurechtzufinden. Mehr zu den sogenannten Coding Conventions? erfahren Sie in Abschnitt 5.3.2 »Code-Style-Guides und Coding-Standards«.

Schlüsselwörter einer Programmiersprache können nicht als Variablenname verwendet werden. Auch Leerzeichen sind nicht erlaubt. Zahlen können Sie innerhalb der Bezeichnung gerne verwenden, auch Unterstriche sind erlaubt, ansonsten sollten Sie von Sonderzeichen absehen, da diese üblicherweise nicht erlaubt sind.

Tipp

Umlaute? können je nach Entwicklungsumgebung akzeptiert werden, Sie sollten aber von deren Verwendung absehen. Ändert sich die Entwicklungsumgebung oder wollen Sie den Code mit jemandem teilen oder auf einem anderen Gerät verwenden, kann es durchaus sein, dass Umlaute nicht akzeptiert werden.

Da auch in der Welt der Programmierung Englisch? die Standardsprache ist, gewöhnen Sie sich doch gleich an, englische Bezeichnungen zu vergeben.

Mehr Wissen - Speichermanagement?

Das Regal mit den Einlagefächern in meiner kleinen Analogie repräsentiert den Arbeitsspeicher?, denn dort spielen sich alle relevanten Aktionen Ihres Programms ab. Damit Sie sich nicht abmühen müssen, freie Einlagefächer zu finden und die richte Anzahl an Fächern zu reservieren und diese auch wieder zu leeren, wenn sie nicht mehr benötigt werden, bieten...