19.09.12

Tekijät:Antti Virtanen, Timo Lehtonen, Matti Kujala, Kirsti Ala-Mutka, Petri M. Gerdt et al.

OHJ-1010 Tietotekniikan perusteet 4 opSyksy 2012

Luento 11:Ohjelmointi

19.09.12

Luennon aiheet

• Ohjelmoinnin historia

• Algoritmin käsite

• Algoritmin esittäminen

• Ohjelmointikielet

• Ohjelmien oikeellisuus

• Ohjelmistoprosessi

19.09.12

Ohjelmoinnin varhaishistoria

• Ensimmäisen ohjelmoitavan laitteen kehitteli muslimitutkija Al-Jazari vuonna 1206– Primitiivinen rumpukone soitti esiohjelmoitua musiikkia

• Joseph Marie Jacquard kehitti reikäkorteilla ohjelmoitavat kangaspuut 1801 (Jacquard Loom)– Reiät saivat kangaspuut kutomaan erilaisia kuvioita

• Englantilainen matemaatikko Charles Babbage suunnitteli ensimmäisen modernin tietokoneen, Analytical Enginen vuonna 1837 (->)– Analytical Engineä ei koskaan rakennettu

– Voimaa höyrykoneesta, koko 20 x 10 metriä

– Olisi ollut edellä 1940-luvun tietokoneita toteutuessaan

19.09.12

Ohjelmoinnin historiaa 1900-luvulla

• Alan Turing kehitti laskennan mallin, Turingin koneen vuosina 1936 - 1937– Kykenee suorittamaan joukon talletettuja käskyjä

• Matemaatikko von Neumann kehitti Turingin koneen perusteella modernin tietokonearkkitehtuurin– Puhutaan von Neumann -arkkitehtuurista

– Keskusmuisti, ohjausyksikkö, ALU...

• Tietokoneita alettiin käyttää 1940-luvulla– Todella kookkaita

– Hitaita ja primitiivisiä nykykoneisiin verrattuna

– Varhaiset tietokoneet ohjelmoitiin reikäkorteilla

19.09.12

Reikäkortti

19.09.12

Ohjelmointi 1900-luvun loppupuolella• Ensimmäinen varsinainen ohjelmointikieli oli Fortran

vuodelta 1954• Fortran = The IBM Mathematical Formula Translating

System• Fortranin ensimmäinen versio sisälsi 32 käskyä

– Käskykanta laajeni kielen myöhemmissä versioissa

• Fortran on edelleen käytössä– Uusin standardi on Fortran 2008

• Muita ohjelmointikieliä– 1960-luku: Simula, Lisp– 1970-luku: Prolog, Smalltalk, C, Pascal– 1980-luku: C++, Ada– 1990-luku: Java, Perl– 2000-luku: PHP, Python, C#

19.09.12

Algoritmi

• Äärellinen joukko hyvin määriteltyjä ohjeita jonkin tehtävän suorittamiseksi– Algoritmi alkaa jostakin tilasta

– Algoritmi päättyy, kun tehtävä on suoritettu

• Kakkuresepti on eräänlainen algoritmi– Alkutilana on tiettyjen aineiden olemassaolo

– Resepti kertoo vaihe vaiheelta kuinka kakun “osat” sekoitetaan, jne.

– Resepti päättyy siihen, kun kakku on valmis

19.09.12

Origami-algoritmi

19.09.12

Musiikkialgoritmi

19.09.12

Pikkujoulualgoritmi

19.09.12

Algoritmin esittäminen

• Algoritmin esitystavan on oltava yksikäsitteinen

• Sopiva esitystapa riippuu käyttötarkoituksesta, algoritmista ja tulkitsijasta

• Ihmisen tulkittavaksi tarkoitetut algoritmit voidaan esittää epätarkasti tai epämuodollisesti, monitulkintaisuus ole iso ongelma– ”pidä kakkua uunissa kunnes se on kypsä”

• Tietokone vaatii täsmällisen ja yksityiskohtaisen esitystavan, koska se ei tee mitään tulkintaa

• Ohjelmointikielet ovat keino ilmaista algoritmit yksiselitteisesti

19.09.12

Algoritmit ovat hankalia…

(kuva 020202 reittipalvelusta)

19.09.12

Algoritmit ovat hankalia muillekin..

19.09.12

Kielten ominaisuuksia

• Luonnollinen kieli on monitulkintaista

– Luonnolliset kielet ovat ihmisten käyttämiä kieliä

– Joskus monitulkintaisuus on itsetarkoitus

– Joskus monitulkintaisuutta pyritään välttämään, esimerkiksi lakitekstissä

• Kielillä on syntaksi ja semantiikka

– Kielen syntaksi kertoo missä järjestyksessä kielen sanoja voi yhdistellä

– Kielen semantiikka kertoo mitä sanat tarkoittavat

• Ihmiset tulkitsevat puhuttua ja kirjoitettua kieltä ymmärtääkseen mitä ne merkitsevät

19.09.12

19.09.12

Syntaksi SemantiikkaKäännä paperiks. esimerkki

Värillinen puolipaperista

Erottaa paperin eri puolet toisistaan,

ks. esimerkki

Esittää taitoksen sisäpuolta

esim. tarkoittaa

Esittää taitoksen ulkopuolta

Esim. tarkoittaa

Taita vastakkainniin että tuottaa

Paina sisään

niin että tuottaa

19.09.12

Algoritmistä ohjelmaksi• Miten tietokone saadaan toimimaan jonkin algoritmin

mukaisesti?– Algortimi on esitettävä tietokoneen ymmärtämässä muodossa

• Luonnollinen kieli soveltuu huonosti algoritmien esittämiseen tietokoneelle– Algoritmejä voi kyllä välittää toisille ihmisille luonnollisella

kielellä

• Ohjelmointikielet ovat keinotekoisia kieliä, joita “ymmärtävät” sekä ihmiset että tietokoneet

• Ohjelmointikielien syntaksi ja semantiikka on yksiselitteisesti määritelty– Tästä syystä ohjelmointi onkin hankalaa: eksakti ilmaus on

ihmiselle usein vierasta

19.09.12

Puolitushakualgoritmi ihmistä varten

1) Jos luetteloa on jäljellä,

1) niin avaa puhelinluettelo puolesta välistä. Lue nimi.

2) muuten homma lopetetaan ja todetaan että nimeä ei ole luettelossa

2) Jos nimi on se mitä etsitään, homma on valmis, mene soittamaan

3) Jos etsitty nimi on aakkosissa ennen tätä puolesta välistä löytynyttä nimeä,

1) niin poista luettelon loppuosa ja jatka kohdasta 1.

2) muuten poista luettelon alkuosa ja jatka kohdasta 1.

Tehtävä: etsi nimi puhelinluettelosta ja soita numeroon

19.09.12

Puolitushakualgoritmi tietokonetta varten

public int interpolationSearch(int[] sortedArray, int toFind){ // Returns index of toFind in sortedArray, or -1 if not found int low = 0; int high = sortedArray.length - 1; int mid; while (sortedArray[low] < toFind && sortedArray[high] >= toFind) { mid = low + ((toFind - sortedArray[low]) * (high - low)) / (sortedArray[high] - sortedArray[low]); if (sortedArray[mid] < toFind) low = mid + 1; else if (sortedArray[mid] > toFind) high = mid - 1; else return mid; } if (sortedArray[low] == toFind) return low; else return -1; // Not found }

Puolitushakualgoritmin toteutus Java-kielellä, noudettu Wikipediasta 3.9.2007

19.09.12

Korkean ja matalan tason ohjelmointikielet• Matalan tason ohjelmointikielet ovat lähempänä

tietokoneen bittiesitystä– Konekieli ilmaisee ohjelman bitteinä– Symbolinen konekieli korvaa osan biteistä symboleilla– Esimerkiksi muistiosoitteita kirjotetaan koodin sekaan– Konekielet ovat usein sidottu tiettyyn tietokonetoteutukseen

• Korkean tason ohjelmointikielet (lausekielet) ovat lähempänä luonnollisia kieliä– Ohjelma ilmaistaan varattujen sanojen kautta– Muistiosoitteiden sijaan käytetään muuttujia– Korkean tason kielet käännetään konekielelle kääntäjä-

ohjelmalla– Korkean tason ohjelmaa voi käyttää eri tietokoneissa, jos on

olemassa sopiva kääntäjä

19.09.12

Esimerkki matalan tason ohjelmoinnista

19.09.12

Esimerkki korkean tason ohjelmoinnista

(*1*) program NelionAla (input,output);(*2*) var s: real;(*3*) begin(*4*) repeat(*5*) write ('Anna neliön sivu: ');(*6*) readln (s)(*7*) until s > 0;(*8*) writeln('Neliön ala on ', s * s)(*9*) end.

Lähde:http://www.cs.joensuu.fi/~saja/var_roles/stud_vers/stud_Pascal_fin_v2.html (9.3.2007)

19.09.12

Pelkistys tietokoneen toiminnasta ohjelmien kannalta

• Syöteaineisto

• Ohjelma

• Tulosaineisto

• Kun ohjelmaa muutetaan tai se korvataan täysin eri ohjelmalla, muuttuu myös samasta syöteaineistosta saatava tulosaineisto

19.09.12

Miten (korkean tason kielillä) ohjelmoidaan?• Aluksi tehdään suunnitelma siitä, mitä ohjelman tulee

tehdä

– Mitä syötteitä ohjelmalle annetaan ja miten

– Mitä ohjelma tulostaa milläkin syötteellä

• Suunnitelma muotoillaan algoritmiksi– Algoritmin voi ajatella suunnitelman täsmälliseksi esitykseksi

• Ohjelma kirjoitetaan tekstitiedostoon jollakin tekstieditorilla

• Ohjelma syötetään kääntäjä-ohjelmalle, joka muodostaa tekstitiedostosta tietokoneen ymmärtämän bittiesityksen

– Suorituskelpoisen tiedoston, ohjelman konekieliesityksen

• ... sitten tutkitaan toimiiko ohjelma niinkuin suunniteltiin

19.09.12

Termistö

• Ohjelmointikieli

• Kääntäjä

• Konekieli

• Entäs sitten tulkki?

19.09.12

Aliohjelmat

• Aliohjelmat ovat korkeamman tason ohjelmointikielten tapa jakaa ohjelma järkevän kokoisiin palasiin– Itsenäinen osa ohjelmakoodia, joka suorittaa tietyn tehtävän

• Aliohjelmia kutsutaan myös, funktioksi, proseduureiksi ja metodeiksi– Edellä mainituilla on pieniä toiminnallisia eroja eri kielissä

• Ohjelmoija voi käyttää aliohjelmia tarvisematta tietää niiden tarkkaa toimintaa – Miten taskulaskin laskee sin(50)?

• Aliohjelmalla on nimi, parametrit ja lopputulos– Vertaa: konekäskyt ja komentotulkille annettavat käskyt

• Valmiita aliohjelmia löytyy esimerkiksi aliohjelmakirjastoista ja käyttöjärjestelmästä

19.09.12

Aliohjelmaesimerkki C++ -kielellä

#include <iostream>

double KeskiArvo(double luku1, double luku2){ double tulos = 0; tulos = (luku1 + luku2) / 2; return tulos;}

int main(){ std::cout << KeskiArvo(3, 5) << std::endl; return 0;}

19.09.12

Aliohjelmaesimerkki C++ -kielellä

#include<iostream>

double KeskiArvo(double luku1, double luku2){ double tulos = 0; tulos = (luku1 + luku2) / 2; return tulos;}

void main(){ cout << KeskiArvo(3, 5);}

Lähde: http://www.nic.funet.fi/c++opas/funktiot.html (3.9.2007)

Aliohjelma, C++:ssa funktio

19.09.12

Aliohjelmaesimerkki C++ -kielellä

#include<iostream>

double KeskiArvo(double luku1, double luku2){ double tulos = 0; tulos = (luku1 + luku2) / 2; return tulos;}

void main(){ cout << KeskiArvo(3, 5);}

Lähde: http://www.nic.funet.fi/c++opas/funktiot.html (3.9.2007)

Aliohjelman nimi Aliohjelman parametrit

Aliohjelman palautusarvo

19.09.12

Aliohjelmaesimerkki C++ -kielellä

#include<iostream>

double KeskiArvo(double luku1, double luku2){ double tulos = 0; tulos = (luku1 + luku2) / 2; return tulos;}

void main(){ cout << KeskiArvo(3, 5);}

Lähde: http://www.nic.funet.fi/c++opas/funktiot.html (3.9.2007)

Pääohjelma

19.09.12

Aliohjelmaesimerkki C++ -kielellä

#include<iostream.h>

double KeskiArvo(double luku1, double luku2){ double tulos = 0; tulos = (luku1 + luku2) / 2; return tulos;}

void main(){ cout << KeskiArvo(3, 5);}

Lähde: http://www.nic.funet.fi/c++opas/funktiot.html (3.9.2007)

Aliohjelman kutsu

Pääohjelma

19.09.12

Algoritmin (ohjelman) oikeellisuus (1/2)

• Algoritmia on yleisesti ottaen mahdotonta todistaa oikeaksi– Rajoitetussa tapauksessakin se on hyvin vaativaa

• Esimerkiksi nettikasinot julkaisevat yleensä algoritmin, jolla virtuaalinen korttipakka sekoitetaan– Kolmas osapuoli tarkistaa algoritmin oikeellisuuden ja oikean

toteutuksen

– Sekoitusalgoritmin toiminnasta saa empiiristä aineistoa pelaamalla tai seuraamalla pelejä

– Silti vuodesta toiseen osa pelaajista epäilee algoritmin toimintaa?

19.09.12

Algoritmin (ohjelman) oikeellisuus (2/2)

• Yleensä käytetään erilaisia ”heuristisia” menetelmiä ja luotetaan siihen, ettei vakavia virheitä testaamisen jälkeen oli

– Heuristinen tarkoittaa epäformaalia, esimerkiksi niin sanottu akateeminen veikkaus

• Käytännössä kaikissa monimutkaisissa algoritmeissa on virheitä– Aina tämä ei kuitenkaan haittaa

19.09.12

Ohjelman (algoritmin) testaus ja debuggaus• Ohjelman oikeellisesta toiminnasta varmistutaan

testaamalla ohjelman toimintaa– Annetaan ohjelmalle mahdollisimman kattavasti erilaisia

mahdollisia syötteitä– Tarkistetaan tuottaako ohjelma oikeanlaisen tulosteen

syötteisiin nähden– Jos ohjelma antaa väärän tulosteen tietyllä syötteellä, niin

silloin on löydetty virhe

• Testausta tulisi jatkaa niin pitkään, että virheitä ei enää löydy– Testaus lopetetaan käytännössä silloin, kun aika ja/tai rahat

loppuvat...

• Ohjelmavirheiden korjaamista nimitetään debuggaukseksi– Bug = ötökkä englanniksi, debuggaus = “ötököiden poistoa”

19.09.12

Esimerkki bugista ohjelmassa

Ensimmäinen dokumentoitu bugi, havaittu 9.9.1947.

Lähde: http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_bug (3.9.2007)

19.09.12

Kuva: Labview-ohjelma, Antti Siiskonen

Visuaalista ohjelmointia

• Visuaalista ohjelmointia käytetään esimerkiksi teollisuusautomaatiossa ja reaktiivisissa järjestelmissä

• Visuaalinen paradigma ei ole (toistaiseksi) saavuttanut kovin suurta suosiota

19.09.12

Eräajo

• Eräajossa (batch processing) ohjelmille laaditaan syöte etukäteen ja kone raksuttelee tuloksen käyttäjän ollessa kahvilla– Ajastetusti toimivat ohjelmat (varmuuskopiointi)

– Raskas laskenta (sääennuste) tai muuten suuren tietomäärän käsittely (10000 jpeg-kuvan pakkaussuhteen muuttaminen)

Työjono Suoritus

Työ (ohjelma) Tulokset

Käyttäjä

19.09.12

Interaktiiviset ohjelmat

• Interaktiivinen = vuorovaikutteinen

• Interaktiivisissa ohjelmissa ihminen ja ohjelma “keskustelevat” keskenään

Suoritus

Ohjelma B

KäyttäjäOhjelma A

Suoritus

19.09.12

Kuinka algoritmejä kehitellään?

• Esimerkkiongelma: Suunnittele algoritmi, joka järjestää aakkosjärjestykseen nimet David, Alice, Carol, Gail, Bob

– Miten teksti esitettiin tietokoneen muistissa?– Millainen olisi yleinen ratkaisu?– Entä millainen olisi kätevä manuaalinen järjestysalgoritmi

tenttipapereiden lajitteluun opiskelijanumeron perusteella?

• Usein lähestymistapana käytetään ongelman jakamista osaongelmiin

– Ohjelmistojen suunnittelussa suuri ongelma itsessään onkin, kuinka alkuperäinen tehtävä saadaan parhaiten jaettua osatehtäviin

19.09.12

• Eri tyyppisten ratkaisujen tehokkuus voi vaihdella

suuresti erilaisilla syöteaineistoilla, esimerkiksi

– suuri vs. pieni aineisto

– järjestyksessä oleva vs. järjestämätön aineisto

– “keskimääräinen” tehokkuus, “pahin tapaus” ja “paras tapaus” voivat erota paljonkin. Yleensä arvioidaan pahinta tapausta

– vrt. selaushakua ja puolitushakua 1000 nimen puhelinluettelossa

Kuinka algoritmejä kehitellään?

19.09.12

Kuinka algoritmejä kehitellään?

• Algoritmin suunnittelun jälkeen tulisi aina arvioida ratkaisun oikeellisuutta ja soveltuvuutta alkuperäiseen ongelmaan– valitettavasti tietokoneiden parissa ohjelmien 100%

oikeellisuuskaan ei välttämättä riitä

– virheitä voi tulla myös laitteiston taholta suoritusvaiheessa

19.09.12

Tehokkuus suhteessa aineiston kokoon