[Script] Grundbegriffe zu Programmiersprachen

Korunder · 26. August 2006

Grundbegriffe zu Programmiersprachen

Was ist eine höhere Programmiersprache? Wir wird der Quellcode in Maschinencode übersetzt? Hier erhalten Sie Antworten auf diese Fragen.

Programmiersprachen
Bei Programmiersprachen handelt es sich um künstliche Sprachen, die der Kommunikation mit einem Computer dienen. Ihre Syntax ist wesentlich restriktiver als die natürlicher Sprachen. Die Programmiersprachen werden in sogenannten höhere Programmiersprachen und maschinennahe Sprachen unterteilt.

Höhere Programmiersprache

Die Syntax (Sprachregeln) einer höheren Programmiersprache ist unabhängig von der Hardware, auf der das Programm ausgeführt werden soll. Die Syntax ist an die Bedürfnisse des Menschen angepasst, damit ihm das Programmieren möglichst leicht fällt. Die Übersetzung in eine Syntax, die zum Prozessor passt, wird von speziellen Programmen übernommen.

Maschinensprache

Als Maschinensprache wird die für den Prozessor erforderliche Darstellung von Befehlen im binären Zahlenformat bezeichnet. Maschinensprache ist schwer zu programmieren, da sie an der Hardware ausgerichtet ist und nicht wie die höheren Programmiersprachen am Benutzer.

Assembler

Die maschinennahen Sprachen werden auch als Assembler-Sprachen bezeichnet. Diese Sprachen sind im Gegensatz zu den höheren Programmiersprachen sehr stark an der Hardware; dem Prozessor; ausgerichtet. In Maschinensprache übersetzt wird der Quellcode von einem Assembler, der genaugenommen ein Compiler ist, der den Code eines "Assemblerprogramms" in Maschinensprache, d. h. Nullen und Einsen übersetzt. Anders als ein C-Compiler hat es der Assembler jedoch relativ einfach, da (fast immer) einer Assembleranweisung genau eine Maschinensprachenanweisung entspricht. Das Assemblerprogramm ist also nur eine für Menschen (etwas) komfortablere Darstellung des Maschinenprogramms. Statt 000001011110100000000011 schreiben zu müssen, kann der Programmierer die Assembleranweisung add ax,1000 verwenden.

Eine Programmierung in 'Assembler' kann dann sinnvoll sein, wenn es sich um besonders zeitkritische Anwendungen handelt.

Compiler

Der Quellcode einer höheren Programmiersprache ist nicht direkt ausführbar, sondern muss in Maschinensprache übersetzt werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Programm, das als Compiler bezeichnet wird. Dabei muss bekannt sein, auf welchem Prozessor bzw. auf welcher Prozessorfamilie das Programm ausgeführt werden soll. Daher gibt es für jede höhere Programmiersprache verschiedene Compiler.

Das von einem Computer ausführbare Programm wird im Englischen als 'executable' bezeichnet und erhält daher üblicherweise die 'Extension' .exe (an den Dateinamen wird die Endung .exe angefügt). Ein für einen Pentium IV-Prozessor übersetzes Programm kann durchaus auch von einem Pentium III-Prozessor ausgeführt werden, da beide zur gleichen Prozessorfamilie gehören und die Befehle kompatibel sind. Falls ein neuer Pentium-Prozessor gegenüber seinem Vorgängermodell neue Befehle kennt und das vom Compiler übersetzte Programm auf beiden Versionen funktionieren soll, müssen die Software-Entwickler beim Schreiben des Compilers darauf achten, dass diese neuen Maschinen-Befehle nicht verwendet werden.

Interpreter

Ein Interpreter ist genauso wie ein Compiler ein Programm, das Quellcode einer höheren Programmiersprache in Maschinensprache übersetzt. Jedoch ist dies beim Compiler ein einmaliger Vorgang: Das Programm wird komplett übersetzt und es wird eine ausführbare Datei erzeugt. Der Interpreter hingegen übersetzt kontinuierlich während der Ausführung eines Anwendungsprogramms. Der Interpreter arbeitet dabei den Quellcode zeilenweise ab, übersetzt die aktuelle Zeile in Maschinensprache und führt die daraus entstandenden Anweisungen aus. Höhere Programmiersprachen, die ausschließlich von einem Interpreter übersetzt werden, sind heute bedeutungslos. Jedoch gibt es einen Trend die Vorzüge von Compiler und Interpreter zu vereinen. Zum Beispiel wird bei der Programmiersprache Java der Quellcode zunächst von einem Compiler in einen sogenannten Byte-Code übersetzt, der dann zur Laufzeit des Programms von einem Interpreter, bei Java 'Virtual Machine' genannt, in Maschinensprache übersetzt wird.

Linker

Ein Software-Produkt besteht oft aus mehrere Übersetzungseinheiten, die getrennt (also jeweils einzeln) kompiliert (übersetzt) werden. Der Übersetzungsvorgang einer einzelnen Übersetzungseinheit erzeugt dann noch nicht das Endprodukt, sondern ein Zwischenprodukt (eine Zwischendatei), die manchmal auch als Objektdatei bezeichnet wird. Diese Zwischenprodukte werden dann schließlich durch ein weiteres Programm, den Linker (Verbinder) zu einem ausführbaren Programm verbunden.

Eine Zwischendatei ist schon weitgehend in die ausführbare Zielsprache übersetzt, ist aber alleine noch nicht ausführbar, da ihr noch Programmteile fehlen, die an anderen Stellen definiert wurden, und auch ihr Format noch nicht den Vorgaben des Zielsystems für ausführbare Dateien entsprechen muß.

Header-Dateien

Als Header-Datei bezeichnet man eine Datei, die allgemeinen Deklarationen zur Nutzung einer Bibliothek enthält. Zum Beispiel sind die Funktionen 'cin' und 'cout' nicht Teil der Programmiersprache C++, wie z.B. die Schlüsselwörter 'if' und 'else'. Mit '#include stdio.h' wird die Header-Datei 'stdio.h' eingebunden. Das bedeutet, dass vor der Übersetzung des Quellcodes durch den Compiler ein anderes Programm - der Praeprozessor - den gesamten Quellcode nach Zeilen durchsucht, die mit '#' beginnen. Der Praeprozessor ersetzt dann diese Zeile durch den gesamten Inhalt der entsprechenden Header-Datei. In der Header-Datei 'stdio.h' werden dann die Funktionen 'cin' und 'cout' bekannt gemacht. In der vom Compiler erzeugten Objekt-Datei sind diese Funktionen aber noch nicht enthalten. Erst der Linker sucht nach diesen Funktionen in den entsprechenden Bibliotheksdateien und fügt sie dem ausführbaren Programm hinzu. Hinweis: dies gilt für statische Bibliotheken.

Libraries

Als 'Library' (deutsch: Bibliothek) bezeichnet man eine Sammlung von Programmfunktionalitäten für zusammengehörende Aufgaben. Bibliotheken sind im Unterschied zu Programmen keine eigenständige Einheiten sondern Hilfsmodule, die Programmen zur Verfügung stehen.

Beispielsweise enthält die C++-Bibliothek 'stdio.lib' die Funktionen 'cin' und 'cout' zur Ein- und Ausgabe von Text und Daten über den Bildschirm.

Static Libraries

Der Linker sucht aus den Bibliotheksdateien Funktionen heraus, für die es im Quellcode keine Implementierungen gibt. Diese werden dann an den Programmcode angefügt. Dadurch werden Umfang und Speicherbedarf der ausführbaren Datei vergrößert. In diesem Fall spricht man von statische Bibliotheken.

Dynamic Libraries

Angenommen in einem Multitasking-System laufen dutzende Prozesse gleichzeit, die alle die gleiche Funktion verwenden. Im Falle einer statische Bibliothek ist der Code dieser Funktion ein paar dutzend mal im Arbeitsspeicher vorhanden, für jeden Prozess einmal, obwohl der Code immer identisch ist. Hier schaffen dynamische Bibliotheken Abhilfe. Jetzt ist der Code dieser Funktion nicht mehr ein Teil der ausführbaren exe-Datei. Wenn bei der Ausführung des Programms - also zur Laufzeit - diese Funktion benötigt wird, sucht der 'Loader' nach dieser Funktion im Arbeitsspeicher. Findet er sie dort nicht, lädt er sie in den Arbeitsspeicher. Wenn dann ein weiterer Prozess diese Funktion benötigt, ist sie bereits im Arbeitsspeicher und das Programm verzweigt an die entsprechende Stelle. Auch wenn nun viele Prozesse diese Funktion benötigen, ist ihr Code nur einmal im Arbeitsspeicher vorhanden.

Die Ausführungszeit, insbesondere die Startzeit eines Programms, ist hier geringfügig erhöht. Dies wird in Kauf genommen, da der Programmcode der Bibliotheksfunktionen von allen Prozessen geteilt wird. Der gesamte Speicherbedarf aller Programme zusammen ist daher in der Regel kleiner als beim statischen Linken.
Unter Windows wird eine dynamische Bibliothek als 'dynamic link library' ( extension: 'dll') bezeichnet und unter Unix /Linux wird sie als 'shared library' (extension: 'so' ; shared object) bezeichnet.

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