Programm

Ein Programm kann in einer Vielzahl von Sprachen formuliert sein:

• eine natürliche Sprache nach Wahl des Programmerstellers oder desjenigen, der das Programm auszuführen oder umzusetzen hat.

  Beispiel:

  Erstens:  Kontrolliere, ob Du mindestens 50.-- DM hast.
  Zweitens: Wenn Du weniger als 50.-- hast, dann hole 100.-- vom
            Automaten
  Drittens: gehe bis spätestens 20:00 Uhr in die Destille.
  Viertens: Versuche, aufrecht nach Hause zu kommen
  

  Weiteres Beispiel des selben Programms in einer anderen Sprache:

  erschd amohl schaust noch, obbsd gnuuch Gäld hast; mindestens an
  Fuufzichä wäärsd woscheinli braung.
  Wenns nedd langd, dann holst Der halt an Hunderder vom Ahtomahdn.
  Bis achda schaust, dassd in dä Disdilln bisd.
  Kumm obba mit Anstand haam, und versumbf nedd.
  

• eine künstliche Fachsprache, beispielsweise um ein Programm beziehungsweise einen Algorithmus klarer und kompakter auszudrücken als dies in natürlicher Sprache möglich ist.

  Beispiel (aus[Lit. Knuth: Fundamental Algorithms], Seite 141):
  Program M (Find the maximum). Register assignments: $\mbox{rA}\equiv m$, $\mbox{rI1}\equiv n$, $\mbox{rI2}\equiv j$, $\mbox{rI3}\equiv k$, $X[i]\equiv \mbox{cell}(\mbox{{\tt X}}+i)$.

  Line no.	LOC	OP	ADDRESS	Times	Remarks
  01	X	EQU	1000
  02		ORIG	3000
  03	MAXIMUM	STJ	EXIT	$1$	Subroutine linkage
  04	INIT	ENT3	0,1	$1$	M1. Initialize. $k\leftarrow n$.
  05		JMP	CHANGEM	$1$	$j\leftarrow n$, $j\leftarrow X[n]$, $k\leftarrow n-1$.
  06	LOOP	CMPA	X,3	$n-1$	M3. Compare.
  07		JGE	*+3	$n-1$
  08	CHANGEM	ENT2	0,3	$A+1$	M4. Change m. $j\leftarrow k$.
  09		LDA	X,3	$A+1$	$m\leftarrow X[k]$
  10		DEC3	1	$n$	M5. Decrease k.
  11		J3P	LOOP	$n$	M2. All tested?
  12	EXIT	JMP	*	$1$	Return to main program.

  
  Knuth hat einen gedachten Computer erfunden, dessen Maschinensprache MIX ebenfalls frei erfunden ist. Die Assemblersprache von MIX heißt MIXAL, und darin werden in den Büchern von Knuth die Algorithmen vorgestellt und untersucht. In eben dieser Sprache ist das obige Beispiel formuliert.

• eine künstliche Programmiersprache, beispielsweise FORTRAN 66, Fortran 77, ADA, Pascal, BASIC und so fort; siehe dazu auch Programmiersprachen.

• Maschinensprache eines bestimmten Computertyps; dies ist ebenfalls eine künstliche Sprache die im wesentlichen vom Prozessorhersteller vorgegeben wird.

  Ein Programm in dieser Sprache besteht aus einer Folge der möglichen Befehle des Prozessors. Dabei ist für jeden Befehl eine genaue Bitfolge definiert. Die Aneinanderreihung der passenden Bitfolgen ergibt das Programm. Bei der späteren Abarbeitung eines solchen Programms als Prozeß erscheinen die Werte dieser Bits als Spannung an den Eingangsleitungen des Prozessors und bewirken so die Ausführung der gewünschten Programmbefehle.

Teilweise kann ein Programm automatisch (von einem Konvertierprogramm) von einer Sprache in eine andere überführt werden. Beispiele hierfür sind zuvorderst natürlich Compiler, die einen Quelltext in Maschinensprache übersetzen. Es gibt aber auch Programme wie f2c (konvertiert einen FORTRAN 77-Quelltext nach C) oder p2c (konvertiert Pascal nach C).

Bei der Ausführung eines Programms gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten:

• das Programm liegt in Maschinensprache des jeweiligen Rechners vor, und kann direkt von dessen Prozessor ausgeführt werden.

  Um ein solches Programm zu erstellen, wird üblicherweise der Quelltext des Programms in einer geeigneten Programmiersprache geschrieben, und dann von einem speziellen Programm, dem Compiler, in die Maschinensprache übersetzt.

  Eine Variante hiervon sind die sogenannten Assemblersprachen. Diese sind eine Klarschriftversion jeweils einer bestimmten Maschinensprache. Anstatt eines bestimmten Bitmusters um beispielsweise den Wert 2 zum Prozessorregister D0 zu addieren, wird in einer solchen Sprache ein sogenanntes mnemonic des Befehls als Text hingeschrieben, etwa ADD #2,D0. Jede Assembleranweisung entspricht dabei genau einem Maschinenbefehl. Um ein Programm aus dieser Form in die wirkliche Maschinensprache zu übersetzen, wird ein sogenannter Assembler benötigt.

• Das auszuführende Programm liegt in einer Sprache vor, die nicht direkt vom Prozessor verstanden wird, und muß von einem anderen Programm (das in Maschinensprache vorliegen muß), dem sogenannten Interpreter, Anweisung für Anweisung ausgeführt werden.

Die Programme einiger Programmiersprachen werden (zumindest fast) ausschließlich von einem Compiler in Maschinensprache übersetzt (FORTRAN, C, C++, Pascal) und als Maschinenprogramme ausgeführt.

Programme einiger anderer Sprachen dagegen werden fast ausschließlich interpretiert (Shellskripte, die meisten BASIC-Dialekte).

Für einige Programmiersprachen sind sowohl Interpreter als auch Compiler verfügbar (beispielsweise einige BASIC-Versionen).

Dazwischen gibt es auch noch eine Mischform. Dabei wird das Programm aus dem Quelltext von einem Compiler in sogenannten Pseudocode (p-Code) übersetzt. Dieser Pseudocode ist einer Maschinensprache ähnlich, dafür ist aber tatsächlich kein Prozessor verfügbar. Stattdessen wird dieser Pseudocode auf einer realen Maschine wiederum von einem Interpreter ausgeführt. Dies wird bei der Sprache Java dazu genutzt, Programme unabhängig von dem verwendeten Zielsystem zu machen: Der Ersteller eines Programms übersetzt seinen Quelltext in den Pseudocode (ohne wissen zu müssen, auf welchem konkreten System das Programm laufen wird), und gibt das Programm in dieser Form an den Anwender weiter. Der Anwender benötigt auf seinen System einen Interpreter für den Pseudocode (dieser ist Teil der run time-Umgebung von Java, und ist abhängig von der Maschine, aber unabhängig vom konkreten Programm).

Eine andere Mischform wird von der Sprache Perl benutzt: Das Programm wird im Quelltext erstellt und gegebenenfalls an die Endanwender verteilt. Ähnlich wie bei einem wirklich interpretierten Programm wird zum Ausführen ein Hilfsprogramm benötigt. Dieses interpretiert aber nicht Anweisung für Anweisung während das gewünschte Programm ausgeführt wird, sondern übersetzt erst alle Anweisungen in Maschinencode, und startet diesen dann.

Noch eine andere Variante wird von VisualBASIC umgesetzt: Das erstellte Programm wird (in kompakter Form, beispielsweise mit verkürzten Variablennamen und ohne Kommentare) im Anschluß an einen kompletten Interpreter abgespeichert, und kann in dieser Form als ausführbares Programm verteilt werden. Die so erstellten Programme sind dabei größer als bei nur interpretierte Sprachen, weil in jedem erstellten Programm ein kompletter Interpreter enthalten ist.

Einige grundsätzliche Eigenschaften der möglichen Varianten im Überblick:

	Compiler	Interpreter	p-Code	Kompilieren bei Start	Interpreter enthalten
Beispiel	C, C++, Fortran, Pascal,	BASIC, Shellskripte, LISP	Java	Perl	VisualBASIC
lauffähig auf verschiedenen Systemen	nein	ja	ja	ja	nein
effiziente (schnelle) Programme	ja	nein	nein	ja	nein
ohne weitere Programme lauffähig	ja	nein	nein	nein	ja
Quelltext vom Anwender sichtbar/änderbar	nein	ja	nein	ja	nein

Dazu folgende Anmerkungen:

• Die Zeile lauffähig auf verschiedenen Systemen bezieht sich auf das fertige Programm. Wenn der Quelltext zur Verfügung steht, kann der möglicherweise auf anderen Systemen in Maschinensprache übersetzt werden und ist dann natürlich auf dem anderen System lauffähig.

  Programme, die ohne erneutes Kompilieren auf vielen Systemen lauffähig sind, haben besondere Vorteile bei einem großen Kundenkreis. Beispiel: eine Bank möchte ihren Kunden Onlinebanking anbieten. Dann ist es ungeschickt, ein Programm nur für ein bestimmtes Betriebssystem anzubieten (wie es beispielsweise die Sparkassen versuchen), indem man es beispielsweise für Windows95/98 erstellt und verteilt. Selbst bei der starken Verbreitung dieser beiden Varianten treten Probleme auf, weil 60% Marktanteil eines Systems umgekehrt 40% der potentiellen Kunden ausschließt, die entweder gar kein Windows95/98 haben, oder intelligenterweise nicht gerade für sensiblen Datenverkehr verwenden wollen. Zudem kommen nach Windows95/98 irgendwann andere Versionen, für die das Programm wieder neu erstellt werden müßte. In einem solchen Fall kann man vielleicht besser ein Javaprogramm erstellen und verteilen; dann kann es jeder Kunde verwenden (so geschehen beispielsweise bei Consors).

• Wie effizient ein kompiliertes Programm ist, hängt natürlich auch von der Qualität des Compilers beziehungsweise Interpreters ab. Aber generell gilt, daß zu Maschinensprache kompilierte Programme meistens wesentlich schneller sind.

• Wenn ein Programm nur mit weiteren Hilfsprogrammen (insbesondere Interpreter, aber auch Datenbankserver oder ähnliches) lauffähig ist, dann hat das möglicherweise folgende Nachteile:
  • Die Hilfsprogramme sind unter Umständen nicht frei verfügbar, sondern der Endkunden muß Lizenzen erwerben. Wenn ich also ein Programm schreibe, das von einem Interpreter eines anderen Herstellers abhängig ist, dann muß mein Kunde den Interpreter bezahlen, ohne daß ich daran verdiene. Die finanzielle Mehrbelastung schreckt möglicherweise den Kunden ab, und ich habe nichts davon.
  • Die Fehlersuche beim Erstellen (oder noch schlimmer erst beim Endkunden) ist wesentlich schwieriger, wenn mehrere Programme beteiligt sind, auf die man nur bedingt Einfluß hat, und deren Interna meistens unbekannt sind.
  • Die Installation und eventuelle Updates werden komplizierter und fehlerträchtiger, weil meistens undurchsichtige Randbedingungen einzuhalten sind (welche Version meines Programms benötigt welche Version der Hilfsprogramme? Welche anderen Programme brauchen ebenfalls die Hilfsprogramme und in welcher Version?).

• Wenn ein Quelltext vom Anwender einsichtbar ist, kann das Vor- und Nachteile haben.

  Kommerzielle Anbieter lassen sich nicht gerne über die Schulter gucken, denn wenn ein Programm im Quelltext abgegeben wird, kann es von jedermann unkontrolliert übernommen werden (und komplett oder in Teilen als Raubkopie verwendet werden); man gibt das gesamte investierte know how preis. Zudem kann der Ersteller beim Auftreten von Problemen nicht mehr sicher davon ausgehen, daß wirklich das ausgelieferte Programm die Fehler verursacht; denn möglicherweise hat der Endkunde das Programm manipuliert und versehentlich Fehler eingebracht^7.1.

  Dies ist besonders problematisch bei aufwendigen Projekten, wie sie beispielsweise in AutoCAD auftreten. Viele Anbieter von AutoCAD-Erweiterungen erstellen ihre Programme zumindest in wesentlichen Teilen in LISP, und haben keine Möglichkeit, den Quelltext zu schützen, da diese auf dem Rechner des Endkunden liegen und dort kopiert oder geändert werden können.

  Andererseits kann unter Umständen der Endanwender auch kleinere Fehler selbstständig beheben, möglicherweise im Rahmen einer Telefonseelsorge.