12 Programmierung und Design

»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.«
Andrée Beaulieu-Green (1925–2005),
kanadische Computerwissenschaftlerin

Was Sie in diesem Kapitel erwartet

Wer sich schon immer einmal näher mit dem Thema Programmierung beschäftigen wollte, der findet in diesem Kapitel eine Sammlung der beliebtesten Entwicklerwerkzeuge unter Linux. Die vorgestellten Beispiele können aber ein vollwertiges Fachbuch über Programmierung nicht ersetzen. Ich möchte dem Einsteiger hiermit lediglich ein wenig die Berührungsängste vor diesem Thema nehmen und dem fortgeschrittenen User die grundlegenden Werkzeuge vorstellen.

Im vorliegenden Kapitel möchte ich Ihnen einen Überblick geben, wie Sie die wichtigsten Programmiersprachen und Entwicklerwerkzeuge installieren. Anhand eines durchgängigen Beispiels wird die Funktion der Werkzeuge demonstriert. Auch Webentwickler und Layouter kommen nicht zu kurz: Ich stelle einige Werkzeuge zur Erstellung von Internet-Content und typografisch hochwertigen Dokumenten vor.

Die Programmiersprache gibt es nicht, je nach Zweck gibt es besonders geeignete Programmiersprachen, die sich in zwei Untergruppen einteilen lassen: Interpretersprachen und Compiler-Sprachen. Einige Vertreter dieser Untergruppen stelle ich Ihnen in den folgenden Abschnitten vor.

Benötigtes Vorwissen

Kenntnisse über das Terminal sind hilfreich (siehe Abschnitt »Das Terminal – sinnvoll oder überflüssig?«).

12.1 Interpretersprachen

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

12.1.1 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 zum Beispiel im Verzeichnis /etc/init.d/.

Rechnen

Als Beispiel wollen wir selbst ein 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-Shell-Skripten 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 4 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 wird als fakultaet.sh abgespeichert und durch bash fakultaet.sh 5 ausgeführt.

i=0
let "i=i+1"
echo $i
# Oder auch so:
echo $((i+2))

Dash statt Bash

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

for file in 'find .'; do ... geht leider nicht!
find . | while read file
do
bsp_command "$file"
done

Rechte ändern

Alternativ hätten Sie das Skript auch nur fakultaet nennen und mittels chmod +x fakultaet ausführbar machen können. Dies erspart Ihnen den expliziten Aufruf des Interpreters.

Abläufe automatisieren

Shell-Skripte sind insbesondere dann recht nützlich, wenn Sie komplizierte Programmaufrufe nicht mehrfach eingeben möchten, zum Beispiel beim Mastern von bootfähigen CDs oder beim Transcodieren von Videomaterial.

#!/bin/bash
ed $1 <<EOF
16,20d
5,10d
w
q
EOF

12.1.2 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 vom 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 Taschenmesser unter UNIX/Linux dar.

Möchten Sie Perl unter Ubuntu verwenden, so sollten die Pakete perl und perl-base installiert sein. Unser 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 (dem Verschlüsseln von Programmen bis zur Unkenntlichkeit des Sinns) und Golf (mit dem Ziel, ein Programm für einen bestimmten Zweck in möglichst wenigen Codezeilen zu erstellen).

perl -i -p -e 's/<REGEX>/<TEXT>/g;' <DATEIEN> ...

12.1.3 Python

Programmiersprachen gibt es wie Sand am Meer. Kaum eine ist dabei aber so intuitiv zu erlernen und einfach zu verstehen wie die Interpretersprache Python. Dabei ist Python in seiner Architektur grundsätzlich plattformunabhängig, so dass sich alle mit dieser Sprache erstellten Programme ohne großen Aufwand auf sehr viele Plattformen portieren lassen.

Grundsätze

Die Sprache wurde von Guido van Rossum 1991 als Nachfolger der Programmier-Lehrsprache ABC veröffentlicht. Der Name geht auf die englische Komikergruppe Monty Python zurück. Als Beleg dafür gelten zahlreiche Verweise in der offiziellen Dokumentation. Dennoch setzte sich die Assoziation zur Schlangengattung durch. Dies zeigt sich unter anderem in der Programmiersprache Cobra sowie im Python-Toolkit Boa. Seit Beginn seiner Entwicklung folgt Python zwei grundlegenden Grundsätzen:

• Einfachheit
  Die Syntax von Python ist sehr einfach und verständlich, so dass sich auch Ein- und Umsteiger schnell zurechtfinden. Um die Übersichtlichkeit zu erhöhen, erfolgt die Strukturierung von Anweisungsblöcken nicht durch besondere Zeichen (; oder { }), sondern durch Einrücken.
• Freiheit
  Python ist eine Multiparadigmensprache und unterstützt verschiedene Programmierstile, etwa objektorientiertes, funktionelles oder aspektorientiertes Programmieren.

Neben den Standardfunktionen und -objekten gibt es eine sehr große Bibliothek mit Paketen zu verschiedensten Problemstellungen. Sie reichen von einfachen Aufgaben wie der XML- oder HTML-Verarbeitung bis hin zu Funktionen, die im universitären oder wissenschaftlichen Umfeld benötigt werden. Durch die riesige Bibliothek wird die Erstellung von Quellcode teilweise erheblich vereinfacht und beschleunigt.

Konsole, Editor oder IDE

Sie haben grundsätzlich drei verschiedene Möglichkeiten, Programme zu erstellen:

• Die erste Möglichkeit nutzt die interaktive Python-Konsole, die bei der Installation von Python integriert ist. Die Arbeitsweise dieser Konsole ist ähnlich der Shell unter Linux. Sie ist gleichermaßen bei Einsteigern und Profis beliebt. Gerade zum Testen von kleineren Abschnitten des Quelltextes ist sie nützlich, da die eingegebenen Befehle sofort ausgeführt werden. Für Einsteiger gibt es zusätzlich eine besonders benutzerfreundliche Variante namens bpython.
• Selbstverständlich können Sie auch normale Texteditoren zur Code-Erstellung verwenden und in Kombination mit der Konsole zur Ausführung bringen. Selbst professionelle Texteditoren für Programmierer wie Vim oder Emacs lassen sich für Python anpassen.
• Darüber hinaus existieren für Python zahlreiche Entwicklungsumgebungen. Diese erfüllen teilweise spezielle Aufgaben wie beispielsweise Eric Python IDE. Es existieren allerdings auch Python-Plug-ins für größere IDEs wie Eclipse und Netbeans.

Python ist kostenlos von der Seite www.python.org zu beziehen; den meisten Linux-Distributionen liegt es standardmäßig bei oder ist in den Paketarchiven vorhanden. Es ist eine der drei Sprachen, die meistens in einer LAMP-Umgebung eingesetzt werden.

Einsatz

Python ist in der Praxis weit verbreitet. So nutzen viele Web-Application-Frameworks Python, zum Beispiel Django oder Zope. Es existiert sogar ein Python-Interpreter für das Symbian-Betriebssystem, so dass Python selbst auf Mobiltelefonen Verbreitung gefunden hat.

Python hat sogar Einfluss auf das 100-Dollar-Laptop (http://laptop.org): So dient es als Standardsprache für die Benutzeroberfläche. Um seinen Benutzern einen Einblick hinter die Kulissen zu gewähren, kann während der Benutzung der grafischen Benutzeroberfläche auf Knopfdruck der aktuelle Python-Quellcode angezeigt werden.

Python 3

Seit Anfang 2009 ist parallel zu der 2.x-Reihe ebenfalls Python 3 verfügbar. In Python 3 hat es zwar keine fundamentalen Veränderungen der Sprache gegeben, aber die Veränderungen waren dennoch zu stark, um die Kompatibilität mit der 2.x-Reihe sicherzustellen. So wurden viele kleine Unzulänglichkeiten von Python 2.x beseitigt. Um den Übergang von Python 2 auf 3 so sanft wie möglich zu gestalten, wird die 2.x-Reihe weiterhin unterstützt und gepflegt. Mit dem Kommandozeilenparameter -3 können Sie sich alle Konstrukte in Ihrem Code anzeigen lassen, die es in Python 3.0 nicht mehr gibt.

Ein Programm erstellen

Der Standardweg, ein Python-Programm zu erstellen, geht normalerweise über einen Editor. Durch die einfache Struktur ist eine Entwicklungsumgebung nicht zwingend nötig. Editoren bieten viele Hilfen wie Syntaxhervorhebung oder automatische Einrückung. Die Vorgehensweise ist sehr einfach. Zuerst erstellen Sie den Quelltext und speichern diesen als *.py ab. Das klassische Beispiel Hello World würde dann so aussehen:

#!/usr/bin/python
#mein Hallo-Welt-Programm
print 'Hello World!'

und unter ~/helloworld.py abgespeichert. In einem zweiten Schritt öffnen Sie ein Terminal und wechseln in das Verzeichnis der Quelldatei. In diesem Ordner können Sie durch den Befehlpython helloworld.py den Code ausführen. Sie können übrigens problemlos Unicode verwenden.

Bibliothek

Eine der größten Stärken von Python ist die riesige Bibliothek, die dem Anwender eine überaus große Flexibilität an die Hand gibt. Hier finden sich Standards, um sich die Arbeit als Programmierer deutlich zu vereinfachen. Die allermeisten Funktionen sind plattformunabhängig, so dass selbst große Python-Projekte ohne aufwendige Änderungen leicht auf UNIX, Windows, Mac OS X oder andere Plattformen portiert werden können. Besonders praktisch ist die Möglichkeit der Kombination der Module mit in C oder Python selbst geschriebenen Modulen.

Grafische Oberflächen

Selbst das Erstellen von grafischen Oberflächen gelingt zumeist auf Anhieb. Durch das mitgelieferte Modul Tkinter können Sie in Python besonders schnell eine grafische Oberfläche erzeugen. Dies ist ähnlich einfach wie unter Perl oder TCL. Aber auch die Anbindung an GUI-Bibliotheken anderer Programmiersprachen wie beispielsweise PyGTK oder PyQt ist kein Problem.

Programme ausführen

Die Vorgehensweise bei der Ausführung von Python-Programmen folgt einem einfachen Schema: Der Text eines Python-Programms wird transparent in einen Zwischencode übersetzt. Letzterer wird dann von einem Interpreter ausgeführt. Eine besonders hohe Flexibilität erreichen Sie durch die Möglichkeit, Programme anderer Sprachen als Modul einzubetten. Ihre Programme können dann das Beste aus verschiedenen Welten in einem Python-Rahmen kombinieren. Python kann aber auch als Skriptsprache eines anderen Programms dienen, wie dies beispielsweise bei LibreOffice der Fall ist.

Datentypen werden dynamisch verwaltet. Somit existiert keine statische Typprüfung, wie es beispielsweise bei C++ üblich ist. Eine weitere nützliche Eigenschaft ist die automatische Speicherbereinigung, die nicht mehr benutzte Speicherbereiche freigibt. 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.

Schwächen

Python hat selbstverständlich auch einige Schwächen:

• So sind einige in anderen Sprachen gebräuchliche Kontrollstrukturen (zum Beispiel do/while) in Python nicht vorhanden. Diese müssen durch ein äquivalentes while True: ... break substituiert werden.
• Die Unterstützung von Multiprozessor-Systemen ist mangelhaft. Der sogenannte Global Interpreter Lock (GIL) senkt die Effizienz von Python-Anwendungen bei Verwendung von Multi-Threading.
• Dieses Problem betrifft allerdings nur CPython und tritt beispielsweise unter JPython nicht auf. Eine Lösung wäre, statt Threads mehrere miteinander kommunizierende Prozesse zu verwenden.

find . | grep -E '.txt$|\.html$'

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