Programmierparadigma


Programmierparadigma

Ein Programmierparadigma ist ein fundamentaler Programmierstil.[1] Programmierparadigmen unterscheiden sich durch ihre Konzepte für die Repräsentation von statischen (wie beispielsweise Objekte, Methoden, Variablen, Konstanten) und dynamischen (wie beispielsweise Zuweisungen, Kontrollfluss, Datenfluss) Programmelementen.

Grundlegend für den Entwurf von Programmiersprachen sind die Paradigmen der imperativen und der deklarativen Programmierung. Beim letzteren sind als wichtige Ausprägungen die Paradigmen der funktionalen Programmierung und der logischen Programmierung zu nennen.

Oft kann an den „Bürgern erster Klasse“ („First Class Citizens“ – FCCs) einer Programmiersprache – also den Formen von Daten, die direkt verwendet werden können – erkannt werden, welchem Paradigma die Sprache gehorcht. In Java (objektorientiert) zum Beispiel sind Objekte FCCs, in LISP ist jedes Stück Programm FCC, in Perl sind es Zeichenketten, Arrays und Hashes.

Rund um den Begriff 'Programmierparadigma'

Die verschiedenen Paradigmen sind, bezogen auf einzelne Computerprogramme oder einzelne Codeteile, nicht als komplementäre bzw. alternative Programmierstile zu verstehen. Vielmehr können - auch bei Nutzung nur einer (1) Programmiersprache - mehrere Paradigmen gleichzeitig zutreffen.

Beispiel: In einer unter MS Access und mit VBA entwickelten Anwendung sind die funktionalen Komponenten ereignis- und objekt-orientiert (Bsp.: beim Open von Formular X) angelegt. Der VBA-Code ist modular, denn er besteht aus Modulen, Makros, Prozeduren etc. Da er 'Befehle' enthält, ist er imperativ. Und prozedural ist er, weil diese Befehle (innerhalb der Prozeduren ...) exakt in der codierten Folge ausgeführt werden. Die Formulare und Berichte sowie die SQL-Aufrufe sind deklarativ programmiert, weil hier nur das WAS und nicht das WIE festgelegt wird.

Trotzdem werden Programmiersprachen häufig - nach ihrer Grund-Charakteristik - z. B. als objektorientierte, prozedurale oder deklarative Sprache bezeichnet. Die ein Paradigma bestimmenden Merkmale beruhen überwiegend auf den Eigenschaften der angewendeten Programmiersprachen (wie z. B. bei OOP, deklarativ ...), zum Teil aber auch auf dem individuellen Stil, der beim Programmieren praktiziert wird (z. B. strukturiert, modular).

Neben den Programmierparadigmen gibt es noch eine Reihe weiterer Kriterien für die Entwicklung einer möglichst fehlerfreien und wartbaren Software wie zum Beispiel Lesbarkeit des Programmcodes, Redundanzfreiheit, Modularität und Nebenwirkungsfreiheit. Diese sollten unter jedem Paradigma soweit wie möglich eingehalten werden. Die besondere Leistung der Programmierparadigmen besteht gerade darin, die Einhaltung dieser Basiskriterien zu vereinfachen, nahezulegen oder mehr oder weniger zu erzwingen – im günstigsten Fall automatisch zu realisieren.

Inhaltsverzeichnis

Imperative Programmierparadigmen

Hauptartikel: Imperative Programmierung

Bei allen imperativen Programmiersprachen versteht man ein Computerprogramm als lineare Folge von Befehlen, die der Rechner in einer definierten Reihenfolge abarbeitet. Imperative Programmiersprachen bilden die Architektur des Von-Neumann-Rechners auf die Programmierung ab: Durch den Mikrocode wird auf Prozessorebene angegeben, wie der Computer mit welchen Daten (die zu verarbeitenden Werte) zu verfahren hat. Dieses Konzept wird durch Befehle realisiert. Die Befehle manipulieren dabei den Zustand der Speicherbereiche oder Speichermedien, die die zu verarbeitenden und die auszugebenden Daten enthalten. Daten werden häufig in Variablen gespeichert. Die Werte in Variablen können sich im Programmablauf ändern. Daher kann man sie auch als zustandsorientierte Programmierung bezeichnen. Durch die Reihenfolge der Befehle ist die zeitliche Abfolge vorgegeben. Um reagierende Programme schreiben zu können, gibt es Sprungbefehle, die die Abfolge der Befehle dynamisch verändern. Die Unterscheidung zwischen Befehlen und Daten ist in der Von-Neumann-Architektur jedoch nicht vorgesehen.

Beispiel Quicksort: Pascal ist eine typische imperative Programmiersprache. Der Programmierer beschreibt, wie der Algorithmus ablaufen muss. Es wird der Lösungsweg vorgegeben, also welche einzelnen Schritte nacheinander ablaufen und wie Variablen zu verändern sind, um schließlich zum Ergebnis zu kommen:

procedure quicksort(l,r : integer);
  var x, i, j, tmp : integer;
  begin
    if r > l then
    begin
      x:=a[l]; i:=l; j:=r+1;
      repeat
        repeat  i:=i+1 until a[i]>=x;
        repeat  j:=j-1 until a[j]<=x;
        tmp:=a[j]; a[j]:=a[i]; a[i]:=tmp;
      until j<=i;
      a[i]:=a[j]; a[j]:=a[l]; a[l]:=tmp;
      quicksort(l,j-1);
      quicksort(j+1,r)
    end
  end.

Strukturierte Programmierung

Eine Weiterentwicklung imperativer Sprachen markierte der legendäre Aufsatz „Go To Statement Considered Harmful“ von Edsger W. Dijkstra aus dem Jahr 1968. Darin wird der Verzicht, oder zumindest die Einschränkung der absoluten Sprunganweisungen (Goto) gefordert; stattdessen sollen Kontrollstrukturen, wie zum Beispiel „if… then…“, „case… of…“, „while… do…“, „repeat… until…“ verwendet werden. Als die klassische strukturierte Programmiersprache gilt Pascal.

Prozedurale Programmierung

Hauptartikel: Prozedurale Programmierung

Den Ansatz, Programme in kleinere Teilaufgaben aufzuspalten, bezeichnet man als prozedurale Programmierung. Die entstehenden Teilprogramme werden Prozeduren genannt. Praktisch alle aktuellen imperativen Programmiersprachen beinhalten den prozeduralen Ansatz.

Die Entwicklung prozeduraler Programmiersprachen und -Techniken waren ein wesentlicher Schritt zwischen Assemblersprache und Hochsprachen, indem sie Abstraktion und Zerlegung von Algorithmen ermöglichen.

Modulare Programmierung

Hauptartikel: Modulare Programmierung

Modulare Programmierung war der erste Versuch, der wachsenden Größe von Softwareprojekten Herr zu werden. In der modularen Programmierung wird der prozedurale Ansatz erweitert, indem Prozeduren zusammen mit Daten in logischen Einheiten zusammengefasst werden. Die Software wird so in größere funktionale Teilblöcke zerlegt, die einzeln geplant, programmiert und getestet werden können. Die entstehenden Unterprogramme werden als Module bezeichnet. Am Ende können die Einzelteile dann logisch miteinander verknüpft werden und die Software ist einsatzbereit. Die normierte Programmierung beschreibt dabei den Versuch, diesen Ablauf zu standardisieren.

Programmierung mit abstrakten Datentypen

Hauptartikel: Abstrakter Datentyp

Die Programmierung mit abstrakten Datentypen behandelt Daten und Funktionen zur Behandlung dieser Daten als Einheit.

Deklarative Programmierparadigmen

Hauptartikel: Deklarative Programmierung

Die Idee einer deklarativen Programmierung ist der historisch jüngere Ansatz. Im Gegensatz zu imperativen Programmierparadigmen, bei denen das Wie im Vordergrund steht, fragt man in der deklarativen Programmierung nach dem Was, das berechnet werden soll. Es wird also nicht mehr der Lösungsweg programmiert, sondern nur noch angegeben, welches Ergebnis gewünscht ist. Zu diesem Zweck beruhen deklarative Paradigmen auf mathematischen, rechnerunabhängigen Theorien.

  • Aufgrund der referenziellen Transparenz gibt es keine Nebeneffekte. Programme sind damit teilweise auswertbar und ermöglichen so zum Beispiel die Behandlung unendlicher Datenstrukturen.
  • Beweise (zum Beispiel Korrektheitsbeweis, Beweise über Programmeigenschaften) sind dank mathematischer Basis (unter anderem Lambda-Kalkül) uneingeschränkt durchführbar.
  • Architekturunabhängigkeit
  • teilweise geringe Akzeptanz (man spricht gern von sogenannten Akademikersprachen)

Zu den deklarativen Programmiersprachen gehören:

Beispiel Quicksort: Haskell ist eine typische deklarative Programmiersprache. Der Programmierer beschreibt, was das Programm mit einer Eingabe macht, also wie mit welcher Eingabe umzugehen ist, wobei der Berechnungsablauf nicht von Interesse ist. Die Berechnungen erfolgen dann durch Wertemanipulation. Hauptkontrollstruktur bildet die Rekursion, insbesondere aus Effizienzgründen die Endrekursion:

 quicksort [] = []
 quicksort (x:xs) = quicksort [n | n<-xs, n<x] ++ [x] ++ quicksort [n | n<-xs, n>=x]

Funktionale Programmierung

Hauptartikel: Funktionale Programmierung

Die Aufgabenstellung und die bekannten Prämissen werden hier als funktionaler Ausdruck formuliert. Das selbstständige Anwenden von Funktionsersetzung und Auswertung seitens des Interpreters oder Compilers lösen dann die Aufgabenstellung. Das Programm kann als Abbildung der Eingabe auf die Ausgabe aufgefasst werden.

Logische Programmierung

Hauptartikel: Logische Programmierung

Die Aufgabenstellung und ihre Prämissen werden als logische Aussagen (Regeln) formuliert (vgl. funktionale Programmierung, s.o.). Der Interpreter versucht dann, die gewünschte Lösungsaussage mit Hilfe des Horn-Verfahrens herzuleiten (Siehe auch Horn-Klauseln). Bei anderen regelbasierten Sprachen wie OPS-5, XSLT oder Prolog werden Regeln gegen eine Datenmenge auf ihre Instanziierbarkeit geprüft. Aus allen Regelinstanziierungen wird eine (mehrere, alle) ausgewählt und die zur Regel gehörenden Anweisungen werden ausgeführt.

Constraintprogrammierung

Hauptartikel: Constraintprogrammierung

Bei der Constraintprogrammierung werden sog. Constraints (engl. Vorgaben) (math. Gleichungen) definiert. Sie wird als natürliche Weiterentwicklung der logischen Programmierung verstanden. Logische und Constraintprogrammierung werden typischerweise in Kombination eingesetzt.

Objektorientierte Programmierparadigmen

Hauptartikel: Objektorientierung

Klassen sind instanziierbare Module und Grundelemente in der objektorientierten Programmierung. Nach dem objektorientierten Programmierparadigma werden Objekte mit Daten und den darauf arbeitenden Routinen zu Einheiten zusammengefasst. Ein Computerprogramm ist realisiert als eine Menge interagierender Objekte. Im Unterschied dazu werden beim prozeduralen Paradigma die Daten von den darauf arbeitenden Routinen getrennt gehalten.

Komponentenorientierte Programmierparadigmen

Mithilfe der komponentenbasierten Entwicklung von Software mit abstrakten und generischen Komponentenmodellen können Softwarekomponenten mit streng definierten Schnittstellen erstellt werden.

Durch die Wiederverwendbarkeit von Software-Bausteinen kann der Entwicklungsaufwand und die Fehleranfälligkeit reduziert, sowie die Informationssicherheit erhöht werden. Durch die vollständige und strenge Datenkapselung wird ferner die Portabilität von Daten und Programmen erleichtert.

Agentenorientierte Programmierung

Bei der agentenorientierten Programmierung steht der Begriff des autonomen und planenden Agenten im Vordergrund, der selbstständig und in Kooperation mit anderen Agenten Probleme löst.

Aspektorientierte Programmierung

Bei der aspektorientierten Programmierung wird der objektorientierte Begriff der Klasse zum Aspekt erweitert und ermöglicht so orthogonale Programmierung.

Generative Programmierung

Hauptartikel: Generative Programmierung

Generative Programmierung ist ein Überbegriff für die programmatische Erzeugung von Sourcecode (Siehe Buch: Generative Programming, Krzysztof Czarnecki, W. Eisenecker)

Generische Programmierung

Hauptartikel: Generische Programmierung

In der generischen Programmierung wird versucht, die Algorithmen für mehrere Datentypen verwendbar zu gestalten.

Subjektorientierte Programmierung

Die Subjektorientierte Programmierung ist eine Erweiterung der objektorientierten Programmierung. Sie soll vor allem die Schwächen der objektorientierten Programmierung bei der Entwicklung großer Anwendungen und der Integration unabhängig entwickelter Anwendungen ausgleichen.

Datenstromorientierte Programmierung

Es wird von einem kontinuierlichen Datenfluss ausgegangen (meist Audio- oder Videodaten), der (oft in Echtzeit) verändert und ausgegeben wird.

Graphersetzung

Hauptartikel: Graphersetzungssystem

Bei der Graphersetzung werden die Daten in Form von Graphen modelliert und die Berechnungen durch Graphersetzungsregeln spezifiziert, durch deren gesteuerte Anwendung ein gegebener Arbeitsgraph Stück für Stück umgeformt wird.

Konkatenative Programmierung

Konkatenative Programmierung zeichnet sich dadurch aus, dass Programme durch die einfache Verkettung von (Programmier-)Wörtern gebildet werden. Diese operieren alle auf derselben Datenstruktur, welche weitergereicht wird, ohne dass dazu eine weitergehende komplexe Syntax nötig wäre. Das führt dazu, dass eine natürlichsprachliche Syntax wie A B C möglich ist, für die in anderen Sprachen beispielsweise C(B(A(x))) geschrieben werden müsste. Konkatenative Programmiersprachen sind daher meistens aus Implementierungsgründen auch stapelbasierte Sprachen, wie zum Beispiel Forth, Joy, Cat und PostScript. Im Gegensatz dazu sind applikative Programmiersprachen solche, die Funktionen auf Argumente anwenden. In diese Kategorie fallen die meisten imperativen und funktionalen Sprachen. [2][3]

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Bjarne Stroustrup: Conference on History of Programming Languages: Evolving a language in and for the real world: C++ 1991-2006. abgerufen am 20. September 2010 (PDF, englisch): „C++ supports several programming styles or, as they are sometimes somewhat pretentiously called, “programming paradigms”.“
  2. Concatenative language. Abgerufen am 20. September 2010 (englisch, auf http://concatenative.org).
  3. Dominikus Herzberg, Tim Reichert: CONCATENATIVE PROGRAMMING. Abgerufen am 20. September 2010 (PDF, englisch, auf http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de).

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