Kontrollstrukturen
Um die formalen Eigenschaften eines Algorithmus in die syntaktischen Eigenschaften eines Programmes zu überführen, ist es von nöten einzelne Anweisungen eines Algorithmus' miteinander zu verknüpfen.
In vielen Programmiersprachen, so auch im speziellen in Java, gibt es dafür eine kleine Grundmenge an sogenannten Kontrollstrukturen, die den Fluss eines Programmes steuern.
Diese sind im speziellen: Die sequenzielle Ausführung einzelner Programmanweisungen, das Zusammenfassen von Anweisungssequenzen in Blöcken, das Formulieren von alternativen Programmpfaden, das Formulieren von Fallunterscheidungen und das wiederholte Durchführen von Programmsequenzen.
Inhaltsverzeichnis
Anweisungssequenzen
Für die Anwendung in Java, siehe: Anweisungssequenzen
Eine imperative Programmiersprache notiert ihre Anweisungen hintereinander um die Intention auszudrücken, dass diese Anweisungen hintereinander durchgeführt werden sollen.
Dies ist in funktionalen Programmiersprachen z.B. anders, in denen meistens die Sequenz der Ausführung von Programmteilen durch die passende Verschachtelung in Funktionsaufrufen implementiert wird.
Beispiele
TODO: Verschieben in eigenen (Java-)Artikel
[...]
int x = 5;
x = x + 10;
System.out.println(x);
[...]
Dieses Codefragment besteht aus 3 einzelnen Anweisungen, die sequenziell ausgeführt werden. Zuerst wird eine Variable vom Typ int deklariert und mit 5 initialisiert. Die nächste Anweisung weist der Variablen x den Wert von x plus 10, also 15 zu. Die dritte Anweisung ruft die Methode println der Standardausgabe out der Klasse System mit dem Wert von x auf. Die Semantik, dass diese drei Anweisungen hintereinander ausgeführt werden sollen und Abhängig von der Ausführung der vorangehenden Anweisungen sind, ist zwar durch ihre hintereinander geschriebene Notation für den Programmierer deutlich, aber um diese Eigenschaft eindeutig zu definieren, muss das Semikolon nach jeder Programmzeile verwendet werden[1]. Die Ausgabe des Programmes ist "15".
[...]
float a = 10.0f; a = a + 5.0f; System.out.println(a);
[...]
Auch dieses Programmfragment besteht aus 3 einzelnen, hintereinander ausgeführten Anweisungen. Das starten einer neuen Zeile für eine neue Anweisung ist zwar der am weitesten verbreitete Codingstandard, ist jedoch nicht erforderlich. Das einzig wichtige ist die Trennung einzelner Anweisungen durch ein Semikolon. Die Ausgabe des Programmes ist "15.0".
[...]
int x = 5
x = x + 10
System.out.println(x)
[...]
Dies ist kein gültiger Code, da die einzelnen Anweisungen nicht durch Semikola getrennt werden und der Compiler daher versucht, die 3 einzelnen Anweisungen als eine zusammenhängende zu interpretieren.
[...]
int x
= 5;
x =
x + 5;
[...]
Entsprechend sind diese beiden Zeilen Code legitim, jedoch sehr ungerne gesehen. Beide Anweisungen sind syntaktisch korrekt (Leerzeichen, Zeilenumbrücke und Tabs werden vom Compiler ignoriert) und werden durch ein Semikolon voneinander getrennt.
Block
Für die Anwendung in Java, siehe: Block
Anweisungssequenzen, die in einem Block stehen, sollen dadurch als eine zusammenhängende Einheit gekennzeichnet werden. Meistens wird dadurch die Syntax einer Programmiersprache vereinfacht: Durch die Definition "Alles was in einem Block ist, gilt als eine Anweisung" muss somit nichtmehr zwischen mehreren Anweisungen oder einer einzelnen Anweisung unterscheiden werden. Dies sieht man häufig in Syntaxdiagrammen anderer Kontrollstrukturen wieder.
Beispiele
TODO: Verschieben.
[...]
int x = 5;
{ /* modify x and print */
x = x + 10;
System.out.println(x);
}
System.out.println(x);
[...]
Das obere Codefragment deklariert eine Variable x und fasst das Erhöhen dieser Variablen und ihre Ausgabe auf der Konsole in einem Block zusammen. In diesem Beispiel hat der Block keinen weiteren Nutzen als dem lesenden Programmierer die beiden Zeilen hervorzuheben. Die Ausgabe des Programmes ist daher zwei mal "15".
[...]
int x = 5;
{ /* shadow x and print */
int x = 10;
System.out.println(x);
}
System.out.println(x);
[...]
In diesem Beispiel wird die Variable x außerhalb des Blockes von der neu deklarierten Variablen innerhalb des Blockes überdeckt. Anders, als wenn man eine Variable innerhalb des gleichen Blockes mehrfach deklariert, ist dies kein Fehler! Wird innerhalb des Blockes auf eine Variable mit dem Namen x zugegriffen, so wird zuerst nach einer Variablen gesucht, die innerhalb des Blockes deklariert wurde. Findet sich keine solche, so wird nach einer Variable außerhalb des Blockes mit diesem Namen gesucht. Da die Variable x innerhalb des Blockes mit dem Wert x deklariert und initialisiert wurde, ist die erste Ausgabe des Programmfragmentes "10". Die zweite Ausgabe des Programmfragmentes findet außerhalb des Blockes statt, wo die innere Variable des Blockes nicht mehr sichtbar[2] ist. Somit wird auf die Variable x mit dem Wert 5 zugegriffen und die 2. Ausgabe ist "5".
[...]
{ /* declare and print x */
int x = 10;
System.out.println(x);
}
System.out.println(x);
[...]
Dieses Codefragment würde nicht compilieren, da die Variable x außerhalb des Blockes nicht sichtbar ist. Sie müsste irgendwo außerhalb des Blockes, vor Aufruf der println()-Methode deklariert und initialisiert worden sein.
Alternativen
Für die Anwendung in Java, siehe: Alternativen
Durch Alternativen wird eine Gabelung im Programmpfad signalisiert. An dieser Stelle kann, in Abhängigkeit einer Aussage, das Programm in einen von zwei Pfaden abzweigen. Der alternative Pfad kann dabei meistens auch nicht vorhanden sein, um ein Überspringen des anderen Pfades zu signalisieren. Relevant ist, dass das Programm nach Durchführung der Alternative immer an der gleichen Programmzeile weiterarbeitet.
Fallunterscheidungen mit switch-case
Für die Anwendung in Java, siehe: Fallunterscheidung
Fallunterscheidungen sind im Grunde nur Alternativen mit verschiedenen Pfaden für jedes mögliche Ergebnis. Die meisten Fallunterscheidungen decken ebenso nicht alle möglichen Ergebnisse mit einem speziellen Programmpfad ab, sondern behandeln ein paar Spezialfälle und decken den Rest mit einem sogenannten default-Pfad ab. Ebenso ist meistens der Sprung zum Ende der Fallunterscheidung nach Abarbeitung eines Pfades nicht in der Syntax der Programmiersprache vorgesehen und muss deswegen mit einer besonderen Anweisung erzwungen werden. Dies hat seine Hintergründe in der Art und Weise, wie die meisten Compiler eine solche Kontrollstruktur in Maschinencode übersetzen.
Wiederholung mit Schleifen
Für die Anwendung in Java, siehe: Schleifen
Eine Schleife drückt die Intention aus, in Abhängigkeit einer Aussage, einen Teil des Programmes wiederholt ausführen zu wollen. Um die Häufigkeit der Wiederholung zu symbolisieren verwenden Programme in imperativen Programmiersprachen meistens sogenannte Zählvariablen um zu vermerken, wie häufig die Schleife schon durchlaufen wurde.
Unterschieden wird hierbei zwischen kopfgesteuerten, fußgesteuerten und elementgesteuerten Schleifen.
Kopfgesteuerte Schleifen werten ihre Schleifenbedingung zum Eintritt in die Schleife aus und entscheiden dann und vor dem Beginn jedes weiteren Durchlaufes, ob der Rumpf der Schleife wiederholt oder übersprungen werden soll.
Fußgesteuerte Schleifen werten ihre Schleifenbedingung zum Verlassen der Schleife aus und entscheiden dann, ob zurück zum Anfang der Schleife gesprungen werden soll. Dadurch wird eine fußgesteuerte Schleife immer mindestens einmal ausgeführt.
Elementgesteuerte Schleifen verwenden meistens komplexe Datenstrukturen als Argument und iterieren über jedes Element dieser Datenstruktur um eine Operation auf diesem Element auszuführen. Manche Programmiersprachen unterstützen ausschließlich diese Form von Schleife und implementieren kopf- und fußgesteuerte Schleifen mit Zählern über die Iteration über Listen von 1 bis zum Zielwert.
In funktionalen Programmiersprachen muss eine wiederholge Ausführung eines Teilprogrammes meistens über eine sogenannte Listenfaltung geführt werden und beinhaltet meist eine genauere Semantik hinter der verwendeten Syntax. Sie kommen hierbei den Elementgesteuerten Schleifen am nähesten.
