»Programmieren ist wie küssen: Man kann darüber reden, man kann es beschreiben, aber man weiß erst dann, was es bedeutet, wenn man es getan hat.« Andree Beaulieu-Green (1925–2005), kanadische Computerwissenschaftlerin

13 Programmierung und Design

13.1 Programmiersprachen

13.1.1 Interpretersprachen

Bei der Verwendung von Interpretersprachen wird der Programmcode zur Laufzeit in maschinennahe Befehle übersetzt. Dieses Vorgehen eignet sich dann, wenn ein kleines Programm erstellt werden soll, das nicht unbedingt auf komplexe Systemfunktionen zugreifen soll.

Shell-Skripte

Wir beginnen unseren Ausflug in die Welt der Programmierung mit Shell-Skripten. Diese dienen nicht nur der weitgehenden Automatisierung von Standardaufgaben, vielmehr sorgt auch das Abarbeiten von Skripten beim Starten des Systems für die automatische Konfiguration von Diensten. Derartige Skripte finden Sie z. B. im Verzeichnis /etc/init.d/.

Als Beispiel wollen wir selbst eine kleines Shell-Skript schreiben, das die sogenannte Fakultät einer natürlichen Zahl berechnet. Dabei wird die Zahl so lange mit einer jeweils um 1 reduzierten Zahl multipliziert, bis man 1 erreicht hat: 5! = 5 x 4 x 3 x 2 x 1 = 120.

Das Shell-Skript, das erst eine Zahl einliest, dann deren Fakultät berechnet und diese schließlich ausgibt, hat folgende Gestalt:

#!/bin/bash 
declare -i zahl=$1 
declare -i fakultaet=1 
while [ $zahl -gt 1 ]; do 
  fakultaet=$fakultaet*$zahl 
  zahl=$zahl-1 
done 
echo "Fakultät = " $fakultaet

• In der ersten Zeile wird zunächst der typische Header von Bash-ShellSkripten definiert(#!/bin/bash).

• In Zeile 2 und 3 werden die Variablen für das Programm definiert. Die Variable zahl wird direkt als Konsolenparameter eingelesen, daher ist zahl=$1.

• Die eigentliche Berechnung erfolgt in den Zeilen 5 bis 8 innerhalb einer while-Schleife. Dabei wird der Inhalt der Variablen zahl pro Schleifendurchlauf immer um eine Einheit reduziert, bis man schließlich bei der Zahl 1 angelangt ist.

• Nach Beendigung der Schleife wird der Inhalt der Variablen fakultaet schließlich auf der Konsole ausgegeben.

Das Skript selbst wird als fakultaet.sh abgespeichert und wie folgt ausgeführt:

bash fakultaet.sh 5

An dieser Stelle reicht kein einfacher Aufruf der Standard-Shell per sh, da Ubuntu seit der Version 6.10 statt der Bash die wesentlich schlankere Dash als Standard verwendet. Die Standard-Shell ist zuständig für den Systemstart und wird beim Starten des Systems dutzendfach gestartet und verwendet. Da macht es Sinn, eine möglichst schlanke Shell zu verwenden, und genau dies ist Dash. Die Bash ist allerdings weiterhin installiert.

Rechte ändern

Alternativ hätte man das Skript auch nur fakultaet nennen und mittels chmod+x fakultaet ausführbar machen können. Dies erspart den expliziten Aufruf des Bash-Interpreters via sh.

Shell-Skripte sind insbesondere dann recht nützlich, wenn man komplizierte Programmaufrufe nicht mehrfach eingeben möchte, z. B. beim Mastern von bootfähigen CDs oder beim Transcodieren von Videomaterial.

Perl

Die nächste häufig auftretende, interpretierbare Programmiersprache unter Linux ist Perl. Diese Sprache wurde von Larry Wall mit dem Ziel entwickelt, sich möglichst nahe an menschlichen Sprachgewohnheiten zu orientieren. Perl erfordert für Einsteiger geringe programmiertechnische Vorbildung und zeichnet sich durch eine starke Kombinierbarkeit der Sprachelemente und einen reichen Wortschatz aus. Für eingefleischte Programmierer stellt Perl eine Art Schweizer Messer unter UNIX/Linux dar.

Möchten Sie Perl unter Ubuntu verwenden, so sollten folgende Pakete installiert sein:

• perl

• perl-base

Das obige Fakultätsprogramm hätte unter Perl folgende Gestalt:

#!/usr/bin/perl 
sub fac { 
  $_[0]>1?$_[0]*fac($_[0]-1):1; 
} 
print fac(5);

Schlanker Code

Das Programm wird von einer Kommandozeile aus über perl fakultaet.pl gestartet, wenn es unter dem Namen fakultaet.pl abgespeichert wurde. Sie finden den Code kompliziert? Nun, auf den ersten Blick ist er das sicher. Der Algorithmus reduziert sich hier in genialer Weise auf eine einzige Zeile, in der die Fakultätsfunktion rekursiv berechnet wird. Die Möglichkeiten von Perl veranlassen viele der sogenannten Geeks zu Wettbewerben wie Obfuscation

(das Verschlüsseln von Programmen bis zur Unkenntlichkeit des Sinns) und Golf (ein Programm für einen bestimmten Zweck in möglichst wenigen Codezeilen erstellen).

Python

Python ist eine objektorientierte Programmiersprache, die sich durch einen klaren Aufbau auszeichnet. Unter Ubuntu wird Python über das Paket python installiert. Besonders interessant ist die Ausnahmebehandlung unter Python, die eine Syntaxüberprüfung von Programmstrukturen während der Laufzeit gestattet. Betrachten wir als Beispiel einmal folgenden Code-Abschnitt:

#!/usr/bin/env python 
while True: 
  try: 
    num = raw_input("Eine Zahl eingeben: ") 
    num = int(num) 
    break 
  except ValueError: 
    print "Eine _Zahl_, bitte!"

Dieser Code wird den Benutzer so lange nach einer Nummer fragen, bis dieser einen String eingibt, der sich per int() in eine Ganzzahl konvertieren lässt, ohne dass ein Fehler auftritt.

Erwähnenswert ist, dass sowohl das BitTorrent-Filesharing-Protokoll als auch das MoinMoin-Wiki-System in Python implementiert wurden.

13.1.2 Compiler-Sprachen

Das Prinzip

Zu den Compiler-Sprachen zählt der Großteil der Programmiersprachen, die zur Umsetzung groß angelegter Softwareprojekte eingesetzt werden. Abbildung zeigt das prinzipielle Vorgehen zur Erstellung eines Programms mithilfe eines Compilers.

Abbildung 13.1 Schritte zur Übersetzung eines Programms

Der Programmierer muss sich meist »nur« um das Erstellen von einem korrekten Code kümmern, das Kompilieren und Linken der Programme erledigt ein einfacher Kommandozeilenbefehl.

C/C++

Das gesamte Betriebssystem Linux wurde in der Programmiersprache C erstellt. Möchten Sie selbst Programme aus Quellen übersetzen, so ist mindestens der C-Compiler erforderlich.

Unter Ubuntu installieren Sie sämtliche zum Erstellen von C-Programmen benötigten Pakete über das Meta-Paket

• build-essential

Dadurch werden sowohl der C- als auch der C++-Compiler sowie die make-Utilitys installiert. Sie können die Funktionsweise des Compilers erneut mithilfe unseres Standardprogramms testen.

Erstellen Sie eine Datei fakultaet.cpp mit folgendem Inhalt:

#include <iostream> 
using namespace std; 
int fak(int n); 
int main(void) 
{ 
  int n; 
  cout << "Fakultät: " << fak(5) << endl; 
} 
int fak(int n) { 
  if (n==0) return 1; 
  else return n*fak(n-1); 
  }

Im vorliegenden Fall wurde die Fakultätsberechnung als eigenständige, rekursive Funktion fak implementiert. Nach der Eingabe wird das Programm zunächst über

g++ -o fakultaet fakultaet.cpp

kompiliert und anschließend mittels ./fakultaet gestartet.

Anwenderprogramme kompilieren

Mithilfe des C-Compilers können Sie aber nicht nur kleine Programmierprojekte selbst realisieren; vielmehr sind Sie in der Lage, durch das Kompilieren von Quellen Linux-Anwenderprogramme ganz Ihren Anforderungen bzw. Ihrer Hardware anzupassen.

Java

Ubuntu bietet Ihnen in der Multiverse-Sektion die original Java-Umgebung von Sun. Möchten Sie damit Java-Projekte realisieren, so benötigen Sie in jedem Fall die Pakete sunjava5-jdk und sun-java5-source. Um die Grafikfähigkeiten von Java zu demonstrieren, erstellen wir ein Programm, das eine Treppe aus Rechtecken erstellt, deren Höhe quadratisch zunimmt. Erstellen Sie eine Datei treppe.java mit folgendem Inhalt:

import java.applet.*; 
import java.awt.*; 
public class treppe extends Applet{ 
  int x=1; int y; 
  public void paint (Graphics pen) { 
    while (y<100) { 
      y=x*x; 
      pen.fillRect(x*10, 100-y, 10, y); 
      x++; 
    } 
  } 
}

Das Programm wird mit dem folgenden Befehl übersetzt:

user$ javac treppe.java

Applet einbinden

Dadurch wird eine Java-Klassendatei treppe.class generiert, die allerdings nicht eigenständig lauffähig ist. Binden Sie die Klasse folgendermaßen in eine HTML-Datei namens treppe.html ein:

<HTML> 
<BODY> 
  <APPLET code="treppe.class" width=200 height=200> 
  </Applet> 
</BODY> 
</HTML>

Nun können Sie das Applet im Applet-Viewer, der zum Sun-Java-Paket gehört, folgendermaßen testen (Abbildung):

appletviever treppe.html

Abbildung 13.2 Der Applet-Viewer

Wenn das klappt, dann lässt sich das Applet auch in jedem beliebigen Browser darstellen. Selbstverständlich haben Sie auch die Möglichkeit, browserunabhängige Java-Applikationen zu erstellen.

Das folgende Beispiel wurde dem beliebten Java-Buch »Java ist auch eine Insel« von Christian Ullenboom entnommen, das als Openbook unter www.galileocomputing.de für jedermann frei verfügbar ist.

Java-Beispiel

import java.math.*; 
class Fakultaet 
{ 
  static BigInteger fakultät( int n ) 
  { 
    BigInteger big = BigInteger.ONE; 
    if ( n == 0 || n == 1 ) 
      return big; 
    if ( n > 1 ) 
      for ( int i = 1; i <= n; i++ ) 
        big = big.multiply( BigInteger.valueOf(i) ); 
    return big; 
  } 
  static public void main( String args[] ) 
  { 
    System.out.println( fakultät(100) ); 
  } 
}

Kompiliert wird die Applikation wieder mittels javac, anschließend können Sie das Programm über

java Fakultaet

starten. Im vorliegenden Fall wird die Java-Mathematik-Bibliothek dazu verwendet, die Fakultäten möglichst großer Zahlen n in ganzzahliger Darstellung zu berechnen.

Mono

Als Open-Source-Alternative zu Microsofts .NET Framework ist Mono in aller Munde. Skeptiker bescheinigen dem Projekt keine große Zukunft, falls sich Softwarepatente auf breiter Basis durchsetzen.

Unter Ubuntu sind einige (wenn auch veraltete) Mono-Pakete integriert. Eine brauchbare Entwicklungsumgebung lässt sich durch die Installation folgender Pakete installieren:

• mono

• mono-devel

• gtk-sharp

Das letzte Paket stellt Bibliotheken zur Erstellung von GTK-Programmen in Verbindung mit dem C#-Compiler des Mono-Pakets zur Verfügung.

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