JOHDATUS OHJELMOINTIIN MAURI HEINONEN 14.1.2008
Tiivistelmä Tässä oppaassa on käyty lävitse ohjelmoinnin perusteita, lähtien liikkeelle siitä, mitä ohjelmointi oikeastaan on ja mitä erilaiset termit ohjelmoinnissa tarkoittavat. Termeistä on selvitetty mitä ovat mm. muuttujat sekä algoritmit. Kaikenkaikkiaan oppaan tarkoitus on kuvata lukijoilleen se, mitä kaikkea ohjelman valmistus pitää sisällään. i
Sisältö 1 Johdanto 1 2 Mitä ohjelmointi on? 2 3 Kuinka ohjelmia tehdään? 3 4 Algoritmi 5 5 Ideasta algoritmiksi 7 5.1 Asteittainen tarkentaminen......................... 7 5.2 Kontrollirakenteet.............................. 8 5.3 Algoritmin testaaminen........................... 9 5.4 Algoritmista ohjelmaksi........................... 9 5.4.1 Yksinkertainen ohjelma...................... 10 6 Algoritmin kuvaus tavat 11 6.1 Puoliohjelma................................ 11 6.2 Vuokaavio.................................. 11 7 Tietokoneen sielunelämä 13 8 Mikä on ohjelmointikieli? 15 8.1 Tietokoneen kielet.............................. 15 8.1.1 Konekieli ja assembly-kieli..................... 16 8.1.2 Korkean tason kielet........................ 17 8.1.3 Monikieliset koneet......................... 17 8.2 Ohjelmointimenetelmiä........................... 18 8.2.1 Rakenteinen ohjelmointi...................... 19 8.2.2 Olio-ohjelmointi.......................... 19 8.3 Ohjelmointia kuvilla............................ 22 8.4 Kieliä käyttäjille............................... 22 8.4.1 Makrokielet............................. 23 8.4.2 Neljännen sukupolven kielet.................... 23 8.4.3 Ohjelmistokomponentit....................... 24 9 Ohjelmointiin liittyviä termejä 25 9.1 Funktiot ja aliohjelmat........................... 25 9.2 Muuttujat.................................. 25 9.2.1 Muuttujan nimeäminen....................... 25 9.2.2 Muuttujan nimeämissäännöt.................... 26 9.2.3 Muuttujan tietotyyppi....................... 26 9.2.4 Muuttujan alustaminen....................... 26 9.2.5 Tyyppimuunnokset......................... 27 10 Ohjelman suunnittelu 28 10.1 Ohjelmoinnin vaiheet............................ 28 ii
10.1.1 Tehtävän Määrittely........................ 28 10.1.2 Suunnittelu............................. 28 10.1.3 Toteutus............................... 29 10.1.4 Testaus............................... 29 11 Kootut säännöt 30 11.1 Tyyli..................................... 30 11.2 Liittymät.................................. 31 11.3 Vianhaku.................................. 31 11.4 Testaus................................... 32 11.5 Suorituskyky................................ 32 11.6 Siirrettävyys................................. 33 iii
1 Johdanto Moni ohjelmointia osaava sanoo, että ohjelmointi on helppoa, sillä eihän se ole muuta kuin ykkösten ja nollien pyörittelyä, vai mahtaakohan se olla myös jotain muutakin? Voidaankin sanoa, että ohjelmoinnin oppimiseen, eli maallisemmin sanottuna tehtävien ratkaisemiseen tietokoneella, liittyy paljon sellaisia yleisiä asioita ja käsitteitä, jotka ovat muuttumattomia käytimmepä sitten mitä tahansa ohjelmointikieltä tai ohjelmointiympäristöä, olipa tietokoneemme sitten kotitietokone tai suuri palvelin, vieläpä riippumatta siitä, mikä meidän ohjelmoitava ongelmamme on. Tästä voimmekin päätellä, että ohjelmointi on paljon muutkin kuin vain ykkösten ja nollien pyörittelyä. Tässä oppaassa tutustutaan näihin yleisiin asioihin, jotka ovat kaikkien tietokoneohjelmien takana. Oppaassa esitetyt esimerkit on toteutettu Javalla. Toivon mielekkäitä lukuhetkiä oppaan parissa ja toivon myös, että olen onnistunut kirjoittamaan oppaassa käsiteltävät asiat niin helposti ja ymmärrettävästi, että ne olisivat helppo sisäistää. Mauri Heinonen 1
2 Mitä ohjelmointi on? Tähän kysymykseen ei oikeastaan pystytä vastaamaan. Tämä johtuu siitä, että ohjelmointi on laaja käsite, joka sisältää monia eri asioita. Mutta jos välttämättä halutaan vastata kysymykseen Mitä ohjelmointi on? yhdellä virkkeellä se kuuluisi seuraavasti: Ohjelmointi on ohjelmien tekemistä, eli jonkin tietyn ongelman muuttamista sellaiseen muotoon, jonka tietokone ymmärtää. Ohjelmointi ei ole tästä monimutkaisempaa. Meille annetaan ongelma (tehtävä), joka tulee muuttaa sellaiseen muotoon, jonka tietokone ymmärtää. Se miten pääsemme tavoiteltuun lopputulokseen vaatii useita vaiheita. Ongelmaa ei lähdetä ratkaisemaan suoraan kirjoittamalla ohjelmakoodia, vaan se vaatii useita tunteja suunnittelua ja mallintamista. On sanottu, että ohjelmointi on 1. Tiedettä (confidentiality), Ohjelmoinnin tutkimus on osa tietojenkäsittelytieteen tutkimusalaa. Sama tiede tutkii ohjelmointiin liittyviä ohjelmointikieliä, ohjelmistotekniikkoja sekä algoritmeja. Tietojenkäsittelytiede luo perustan sille, miten eri ongelmat ratkaistaan tietokoneella ja mitkä ongelmat yleensä on mahdollista ratkaista tietokoneella. 2. Taidetta, Ohjelmointi on luova prosessi. Innostunut ohjelmoija saattaa tuntea taiteilijan kaltaista inspiraatiota työhönsä, toisaalta hän saattaa tuntea masennusta tyhjällä ruudulla vilkkuvasta kohdistimesta silloin, kun työ ei ota edistyäkseen ( Kamalinta maalarille on valkea kangas, Pablo Picasso). 3. Käsityötä, Laajasta tutkimuksesta huolimatta ohjelmointia ei ole kyetty automatisoimaan, vaan se on käsityötä. Tätä käsityötä tukevia ja täydentäviä erilaisia menetelmiä ja lähestymistapoja on kuitenkin kehitetty. Ohjelmoitaessa luodaan toimintoja, jotka voivat yksinkertaisimmillaan esimerkiksi tulostaa käyttäjän näppäimen painalluksen tietokoneen näytölle tai laskea kaksi lukua yhteen. Jotta nuo toiminnot voidaan suorittaa, ohjelmoija kirjoittaa valitsemallaan ohjelmointikielellä koneelle sopivan käskyn (instruction) ja pyytää konetta toteuttamaan annetun käskyn. Ohjelmointikieli muodostuu täsmällisesti määritellystä joukosta käskyjä, jotka muodostavat käskykannan (instruction set). Käskyt yhdessä muodostavat ohjelman algoritmin (algorithm), jota käsitellään tarkemmin luvussa 4. Algoritmilla tarkoitetaan yleensä yksikäsitteisten lauseiden (expression) eli käskyjen muodostamaa järkevää kokonaisuutta, jolla ratkaistaan jokin ongelma. Algoritmia voidaan kuvata joko ohjelmointikielellä itsellään, vuokaavioilla (flowchart) tai pseudokielellä (pseudo code). Pseudokieli on luonnoskieli, joka on selväkielinen ja kuvaa samalla ongelman kulkua, tätä kutsutaan myöskin puoliohjelmaksi. 2
3 Kuinka ohjelmia tehdään? Useimmat tietokoneen käyttäjät turvautuvat ongelmanratkaisuvälineitä (tietokoneohjelmia) tarvitessaan ammattimaisesti tuotettuihin ohjelmiin, kuten taulukkolaskimiin, tietokantaohjelmiin, sivuntaitto-ohjelmiin jne. Joissakin tapauksissa on kuitenkin välttämätöntä tai ainakin suotavaa kirjoittaa oma ohjelma ennemmin kuin käyttää toisen valmiiksi tekemää ohjelmaa. Ohjelma (program, routine): Tietojenkäsittelytehtävän esitys tietokoneen toteuttavaksi tarkoitettuna määrittelynä tai käskysarjana. Ihmisen toimena tietokoneen ohjelmointi on varsin uutta puuhaa. Itse asiassa ohjelmointi onkin vain yksi erikoistapausjo iät ja ajat harjoitettua ongelmanratkaisua. Ohjelmointi (programming): Logo-guruP. Rosslähestyy kirjassaan "LOGO Programming" (Addison-WesleyPubl. Ltd, 1983)käsitettä ohjelmointi määritelmällä: Ohjelmointi on väline ideoiden tutkimiseen. Toinen Logo-persoona C. Leighmäärittelee ohjelmoinnin kirjassaan "Starting LOGO" (Sigma Press, 1984)seuraavasti: Ohjelmointi on tietokoneen opettamista asioiden tekemiseen. Ohjelmoitava (programmable): Järjestelmä onohjelmoitava,jos sillä on (vähintään!) kyky käsitellä muuttujiin talletettua dataa, ratkaista ehtoja perustuen em. dataanjasuorittaa toistorakenteita em.ehtojen perusteella. Tietokone onohjelmoitava järjestelmä ja ohjelmoitavuus ekee tietokoneesta työkalun,joka soveltuu lukuisiin tarkoituksiin. Edellisinehdoin ei taas esimerkiksi matkapuhelin, videonauhuri tai pyykinpesukoneole käyttäjän kannalta ohjelmoitavajärjestelmä. Tyypillisesti ongelmanratkaisuun kuuluu neljä vaihetta: 1. Ongelman ymmärtäminen. Ongelman tarkka määrittely on monesti kaikkein tärkein -ja kaikkein ylenkatsotuin -vaihe ongelmanratkaisuprosessissa. 2. Suunnitelman teko ongelman ratkaisemiseksi. Mitä resursseja on saatavilla? Ihmiset? Tieto? Tietokone? Ohjelmistot? Data?Kuinka resursseja käyttämällä ongelma saadaan ratkaistua? 3. Suunnitelma toteuttaminen. Tämä vaihe on osittain samanaikainen toisen vaiheen kanssa, koska monia ongelmanratkaisusuunnitelmiakehitetään toteutuksen aikana. 4. Ratkaisun arviointi. Onko ongelma ratkaistu oikein? Voiko ratkaisua soveltaa muihin ongelmiin? Myös ohjelmointi voidaan kuvata nelivaiheisena prosessina, joskin käytännössä nämä vaiheet menevät usein päällekkäin: 3
1. Ongelman määrittely 2. Algoritmin suunnittelu, tarkentaminenja testaaminen 3. Ohjelman kirjoittaminen 4. Ohjelman testaaminen ja virheiden etsintä Useimmat ohjelmointi ongelmat ovat liian monimutkaisia ratkaistaviksi yhdellä kertaa. Ohjelmointi vaiheessa ongelmaa tyypillisesti pilkotaan pienemmiksi ongelmiksi, jotka edelleen voidaan jakaa osaongelmiksi. Tämä asteittainen tarkentaminen on verrattavissa luonnoksen tekoon artikkelia tai kirjaa kirjoitettaessa. Ohjelmoijat kutsuvat joskus tätä suunnittelutapaa top-down -suunnitteluksi, koska suunnitteluprosessi alkaa huipulta tärkeimmistä ideoista ja tarkentuu vähitellen alaspäin mentäessä yksityiskohtaiseksi suunnitelmaksi. Asteittaisen tarkentamisen tuloksena syntyy algoritmi, joka tarkoittaa askel askeleelta läpikäytäviä ohjeita, joiden suorittaminen ratkaisee alkuperäisen ongelman. Ohjelmoija kirjoittaa algoritmin tavallisimmin pseudokoodina, joka on sekoitus ohjelmointikieltä ja jotain luonnollista kieltä, kuten englantia tai suomea. Kun algoritmin yksityiskohdat ovat kohdallaan, ohjelmoija voi muuttaa pseudokoodin tietokonekielelle eli kirjoittaa sen jollakin ohjelmointikielellä, sellaiseen muotoon, jonka tietokone sitten tulkkaamisen/kääntämisen jälkeen ymmärtää. ALGORITMI (ALGORITHM) ON ÄÄRELLINEN JOUKKO ASKEL ASKELEELTA SUO- RITETTAVIA TOIMIA TEHTÄVÄN SUORITTAMISEKSI. ESIMERKIKSI KAKKURESEP- TION ALGORITMI. 4
4 Algoritmi Algoritmilla arkoitetaan yksityiskohtaista kuvausta toimintaohjeista, joiden avulla useasta erillisestä työvaiheesta koostuva tehtävä saadaan suoritettua. Algoritminesitys on ohjelmointikielestä ja tietokoneesta riippumaton. Algoritmi voidaan esittää useillakin kuvaustavoilla, joita ovat erilaiset pseudokoodit ja (vuo)kaaviotekniikat. Tietyin varauksin algoritmin esittämiseen voidaan käyttää myös luonnollista kieltä. Algoritmilta edellytetään: Yleisyyttä: Algoritmin pitää soveltua kaikkiin saman ongelma-alueen ongelmiin. Deternrinistisyyttä: Jokaisessa työvaiheessa voidaan ratkaista yksiselitteisesti, mikä työvaihe suoritetaan seuraavaksi. Päättyvyyttä: Algoritmin suoritettavien työvaiheiden määrä on rajallinen ja suoritus päättyy kyseisen ongelman ratkaisuun. Algoritmin kolme perusohjausrakennetta ovat peräkkäisyys, toisto ja valinta. Nämä perusrakenteet ovat yksinkertaisia, mutta voidaan osoittaa, että monimutkaisemmat rakenteet voidaan aina palauttaa näihin kolmeen perusrakenteeseen. Näihin rakenteisiin perustuva algoritmi on helppo kirjoittaa ohjelmaksi rakenteista ohjelmointia tukevalla ohjelmointikielellä (kuten KAREL, Pascal, C,...). Monimutkaisuutta algoritmeihin tuo myös rakenteiden sisäkkäisyys, joka muodostuu seuraavaksi esitettävällä asteittain tarkentuvalla algoritmien muodostamistavalla. Esimerkki (tehtävä kuvataan luonnollisella kielellä): Tehdään kuppi lämmintä kaakaota Ensimmäisen tason osatehtävät voisivat olla: N O U D A K U P P I L Ä M M I T Ä M A I T O K A A D A M A I T O K U P P I I N L I S Ä Ä K A A K A A J A U H E Ensimmäinen taso voisi tarkentua esimerkiksi seuraavasti (toinen taso): L Ä M M I T Ä M A I T O: H A E K A T T I L A L A I T A M A I T O K A T T I L A A N K Ä Ä N N Ä L E V Y P Ä Ä L L E Ylhäältä - alas -suunnittelun vastakohta on alhaalta - ylös eli bottom - up -suunnittelu, jossa valmiista osista kootaan asteittain suurempia kokonaisuuksia, jotka lopulta ratkaisevat asetetun tehtävän. Esimerkki: Seuraavat osatehtävät: 5
A V A A K A A K A O P U R K K I L A I T A K O L M E L U S I K A L L I S T A J A U H E T T A K U P P I I N L A I T A L U S I K K A K U P P I I N S U L J E K A A K A O P U R K K I voidaan koostaa vaiheeksi L I S Ä Ä K A A K A O J A U H E Ohjelmointi ja ongelmanratkaisu liittyvät siis kiinteästi toisiinsa, vaikka ovatkin itsenäisiä vaiheita. Usein syynä sille, että ongelmaan ei voida tuottaa ratkaisuksi ohjelmaa, ei ole ohjelmointitaidon vaan ongelmanratkaisutaidon puute! Harjoitus 1 (ongelmanratkaisu) Pöydällä on kaksitoista samannäköistä palloa, joista yksitoista kappaletta painaa N grammaa ja yksi pallo N/2grammaa. Käytössäsi on myös kaksikuppinenvaaka, joka ei pysty kertomaan painoa grammoina,vaan ainoastaan ilmoittamaan vasemman vaakakupin sisältö on oikeaa vaakakuppia painavampi, oikean vaakakupin sisältö on vasenta vaakakuppia painavampi tai kummankin vaakakupin sisältö on yhtä painava vaakakuppeihin asetetun kuorman mukaan. Kumpaankin kuppiin voi näitä palloja lastata hyvin suuren määrän. Laadi nyt selvitys eri ratkaisutavoista löytää punnitsemalla tuo yksi eripainoinen pallo. (Lisäharjoitusta kaipaavat voivat kotiläksynä pohtia ratkaisuja tapaukselle, jossa kaksi palloa kahdestatoista on eripainoista!) 6
5 Ideasta algoritmiksi Kehitetään yksinkertainen algoritmi prosessin havainnollistamiseksi. Aloitetaan ongelman määrittelyllä: Opettaja haluaa ohjelmoida luvun arvaamiseen pelin, jonka avulla oppilaat opettelevat loogisia strategioita ja harjoittelevat aritmetiikkaa. Pelissä tietokone valitsee luvun yhden (1) ja sadan (100) väliltä ja antaa pelaajalle seitsemän mahdollisuutta arvata valittu luku. Jokaisen väärän vastauksen jälkeen tietokone kertoo pelaajalle, oliko arvaus suurempi vai pienempi kuin sen arpoma luku. Lyhyesti sanottuna ongelmana on kirjoittaa ohjelma, joka pelaa arvauspeliä. 5.1 Asteittainen tarkentaminen Ensimmäisessä jaossa ongelma jakautuu kolmeen osaan: alkuun, keskiosaan ja loppuun. Jokainen näistä on oma, alkuperäistä ongelmaa pienempi ongelma. ALOITA ArvaaLukuPeli TOISTA Y R I T Y S KUNNES ( L U K U O N A R V A T T U TAI S E I T S E M Ä N A R V A U S T A O N K Ä Y T E T T Y ) LOPETA ArvaaLukuPeli Nämä kolme osaa muodostavat algoritmin rungon. Valmiissa algoritmissa ne suoritetaan peräkkäin. Seuraava tarkennus lisää joitakin yksityiskohtia kaikkiin osiin: ALOITA ArvaaLukuPeli N Ä Y T Ä O H J E E T V A L I T S E L U K U 1-100 TOISTA Y R I T Y S KUNNES ( L U K U O N A R V A T T U TAI S E I T S E M Ä N A R V A U S T A O N K Ä Y T E T T Y ) LUE P E L A A J A N A R V A U S ANNA P A L A U T E A R V A U K S E E N TOISTON LOPPU N Ä Y T Ä L O P P U I L M O I T U S LOPETA ArvaaLukuPeli Keskimmäisessä osassa ohjeina on joukko käskyjä, joita toistetaan joka yrityksellä: kaikki mitä löytyy käskyjen TOISTA ja TOISTON LOPPU välistä. Ohjeista puuttuu edelleen välttämättömiä yksityiskohtia. Esimerkiksi kuinka tietokone antaa palautetta arvaukseen? Voimme korvata ANNA palaute arvaukseen ohjeilla, jotka vaihtelevat arvauksesta riippuen: 7
JOS ( A R V A U S == L U K U ) NIIN K E R R O S E J A L O P E T A MUUTEN JOS ( A R V A U S < L U K U ) NIIN K E R R O, E T T Ä A R V A U S O N L I I A N P I E N I MUUTEN K E R R O, E T T Ä A R V A U S O N L I I A N S U U R I JOS LOPPU JOS LOPPU Lopuksi meidän pitää antaa tietokoneelle mahdollisuus tietää, milloin seitsemän arvausta on käytetty. Voimme asettaa aluksi laskurin arvoksi nollan ja kasvattaa sitä yhdellä joka arvauksella. Kun laskurin arvo tulee seitsemään, TOISTO-toisto lopetetaan ja tietokone antaa viestin. Näiden tarkennusten jälkeen algoritmi näyttää seuraavalta: ALOITA ArvaaLukuPeli N Ä Y T Ä O H J E E T V A L I T S E L U K U 1-100 A S E T A L A S K U R I N A R V O K S I 0 TOISTA Y R I T Y S KUNNES ( L U K U O N A R V A T T U TAI L A S K U R I == 7 ) LUE P E L A A J A N A R V A U S JOS ( A R V A U S == L U K U ) NIIN K E R R O S E J A L O P E T A MUUTEN JOS ( A R V A U S < L U K U ) NIIN K E R R O, E T T Ä A R V A U S O N L I I A N P I E N I MUUTEN K E R R O, E T T Ä A R V A U S O N L I I A N S U U R I JOS LOPPU JOS LOPPU lisää laskurin arvoa yhdellä TOISTON LOPPU N Ä Y T Ä L O P P U I L M O I T U S LOPETA ArvaaLukuPeli 5.2 Kontrollirakenteet Tietokone ei ymmärrä tätä algoritmia, mutta pseudokoodi on selvä sellaiselle, joka tuntee kontrollirakenteet. Kontrollirakenteet, ohjausrakenteet(control structures): Loogiset rakenteet, jotka ohjaavat käskyjen suoritusjärjestystä. Tässä algoritmissa on käytetty kolmea peruskontrollirakennetta: peräkkäisyys, valinta ja toisto. Peräkkäisyyskontrollirakenne muodostuu ryhmästä käskyjä, jotka suoritetaan peräkkäin ensimmäisestä viimeiseen. Esimerkissämme, kuten useimmissa tietokonekielissä, peräkkäisyysonoletusrakenrre, ts. sitä noudatetaan ellei toisin ole käsketty: 8
N Ä Y T Ä O H J E E T V A L I T S E L U K U 1-100 A S E T A L A S K U R I N A R V O K S I 0 Valintakontrollirakennetta käytetään loogisten valintojen tekemiseen, jolla tarkoitetaan sitä, että valitaan jokin vaihtoehtoisista toimista tiettyjen ehtojen mukaan. Tyypillinen valintarakenne on muotoa IF (jokin ehto on tosi) THEN (tee jotain) ELSE (tee jotain muuta) eli JOS ( jokin ehto on tosi) NIIN (tee jotain) MUUTOIN (tee jotain muuta): IF (A R V A U S < L U K U) THEN K E R R O, E T T Ä A R V A U S O N L I I A N P I E N I ELSE K E R R O, E T T Ä A R V A U S O N L I I A N S U U R I Toistokontrollirakenne on sama asia kuin silmukkarakenne. Sen avulla voidaan käskyjoukkoa toistaa useita kertoja, kunnes (useimmiten) jokin ehto täyttyy. Algoritmissamme TOISTA ja TOISTON LOPPU -rakenteen väliin jääviä lauseita toistetaan, kunnes luku on arvattu oikein tai laskurin arvoksi tulee seitsemän: TOISTA Y R I T Y S KUNNES L U K U O N A R V A T I U TAI L A S K U R I= 7 L U E P E L A A J A N A R V A U S L I S Ä Ä L A S K U R I N A R V O A Y H D E L L Ä TOISTON LOPPU Kuten esimerkkimme osoittaa, yksinkertaisia kontrollirakenteita voidaan yhdistää monimutkaisemmiksi algoritmeiksi. Itse asiassa mikä tahansa tietokoneohjelma saadaan rakennettua näillä kolmella kontrollirakenteella. 5.3 Algoritmin testaaminen Seuraavana on vuorossa algoritmin testaaminen. Tässä vaiheessa on tarkoituksena testata algoritmin logiikkaa. Testauksen teemme suorittamalla käskyjä eri lukuarvoilla. Voimme esimerkiksi tähdätä numeroon 35 ja arvata lukuja 15, 72, 52 ja 35. Näillä numeroilla tulee testattua kaikki kolme IF-THEN-ELSE -rakenteen vaihtoehtoa (pienempi, suurempi ja yhtäsuuri) ja ne osoittavat, mitä tapahtuu, kun pelaaja valitsee oikean luvun. Meidän pitäisi myös testata algoritmia seitsemällä väärällä arvauksella, jotta varmistumme, että algoritmi päättyy oikein pelaajan hävitessä pelin. 5.4 Algoritmista ohjelmaksi Kun testaus on ehty, on algoritmi valmis ohjelmoitavaksi. Koska algoritmilla on ohjelman looginen rakenne, koodaus on yksinkertainen ja suoraviivainen. 9
Koodaus (coding): Ohjelman kirjoittaminen algoritmin pohjalta. Algoritmin lauseet kääntyvät suoraan koodiriveiksi ohjelmoijalle sopivimmalle ohjelmointikielelle. 5.4.1 Yksinkertainen ohjelma Katsotaan ohjelmaa, joka on kirjoitettu Java-kielellä. Kuten monet muutkin tietokoneohjelmat, koostuu ohjelma kolmesta osasta (vrt. keittokirja): 1. Ohjelman otsikko sisältää ohjelman nimen ja standarditiedostot (vrt. ruokaohjeen nimi ja kuvaus ruuasta). 2. Määrittelyosa sisältää muuttujien ja muiden tarvittavien asioiden esittelyn (vrt. ruokaohjeen tarveainelista). 3. Lauseosa koostuu käskyistä, jotka on koottu { ja } -lohkosulkujen sisään (vrt. ruuanvalmistusvaiheet). class ArvaaLukuPeli { import java.io.*; import java.util.*; // MA U R I HE I N O N E N, 6.8.2004 public static void main( String args[] ) throws java.io.ioexception { // Alustetaan tarvittavat kokonaislukumuuttujat int luku = (int) (100 * Math.random()); int arvaus = -1; int laskuri = 1; System.out.println( Tervetuloa arvauspeliin. Valitsen luvun 1-100 väliltä ja ); System.out.println( sinun pitää arvata, mikä se on. Sinulla on 7 yritystä. ); } do { System.out.print( Mikä on arvauksesi? ); arvaus = Integer.parseInt(new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)).readLine()); if ( arvaus == luku ) { System.out.println( Sinä arvasit oikein! ); } else { if ( arvaus < luku ) { System.out.println( Liian pieni luku, arvaa uudelleen! ); } else { System.out.println( Liian suuri luku, arvaa uudelleen! ); } } laskuri++; } while (( arvaus == luku ) ( laskuri <= 7 )); if ( arvaus!= luku ) { System.out.println( Narrasin sinua 7 kertaa, luku oli + luku +! ); } } Kuten huomaat, niin tämä ohjelmalistaus näyttää täysin erilaiselta kuin alkuperäinen yksityiskohtainen algoritmimme. Yksi tärkeä ero niillä on, koska nyt kyseessä on tietokoneohjelma, jolloin jokaisella sanalla, symbolilla ja välimerkillä on täsmällinen, yksiselitteinen merkitys siinä vaiheessa, kun tämä lähdekoodi tulkataan/käännetään tietokoneen ymmärtämään muotoon. 10
6 Algoritmin kuvaus tavat 6.1 Puoliohjelma Tavallisin sanallinen kuvauskieli on puoliohjelma (pseudokoodi). Se on eräänlainen välivaihe suomen kielellä (tai englannin kielellä) esitetyn toiminta ohjeen ja tietokoneohjelman välillä. Puoliohjelma on ohjelma, jonka kirjoitat oman kielesi ja tiettyjen ohjelmointikielistä riippumattomien määrämuotoisten ilmaisujen avulla. Puoliohjelmassa käytetään useimmiten englanninkielisiä sanoja, kuten IF, THEN, EL- SE, WHILE, UNTIL, jne. tai vastaavia suomenkielisiä sanoja JOS, NIIN, MUUTEN, TOISTA, KUNNES jne. 6.2 Vuokaavio Kaavion muotoisista kuvauskielistä ovat tavallisimpia ns. vuokaaviot ja rakenteiset lohkokaaviot. Vuokaaviossa käytetään ohjelman (tai sen osan) etenemisen kuvaamiseen erilaisia kaaviosymboleita. Tavallisimmat symbolit on koottu seuraavaan taulukkoon: Katsotaan seuraavaksi pientä yksinkertaista esimerkkiä vuokaavion käyttämisestä. Oletetaan, että olemme saaneet seuraavan yksinkertaisen tehtävän: Kauppias antaa yli 250mk:n ostoksista 5%:n alennuksen ja yli 500mk:n ostoksista 8%:n alennuksen. Laadi ohjelma, joka tulostaa alennetun hinnan, kun syöttötietona annetaan ostosten hinta. Jokainen tietokone ohjelma voidaan toteuttaa kolmen perusrakenteen avulla. Näiden perusrakenteiden avulla määrätään ohjelman suorituksen etenemisjärjestys. Nämä perusrakenteet ovat: 11
Peräkkäisrakenne. Tämä rakenne koostuu useasta peräkkäin suoritettavasta toiminnosta, jotka suoritetaan kirjoitusjärjestyksessä, ellei toisin määrätä. Toistorakenne. Toimintosarjaa toistetaan, kunnes ehto tulee voimaan. Valintarakenne. Tässä rakenteessa suoritetaan jompikumpi kahdesta toiminnosta (toimintasarjasta) sen mukaan, onko ennalta annettu ehto tosi vai epätosi. 12
7 Tietokoneen sielunelämä Kuten me kaikki tiedämme tietokone on perusolemukseltaan vain joukko sähköisiä laitteita ja laitteisiin kytkettyjä komponentteja. Ja kuten tiedämme se koostuu pääasiassa erilaisista väylistä, muistipiireistä, johtimista, piirilevyistä yms. Jotta tietokone alkaisi toimia käyttäjän haluamalla tavalla, tulee koneen toiminnalle määritellä ohjeita. Näitä ohjeita noudattaen tietokone toteuttaa käyttäjän haluamia tehtäviä. Ohjeet, joita kutsutaan ohjelmiksi (program), on tallennettu tietokoneen pysyvään muistiin (yleensä kiintolevylle), josta ne noudetaan aina tarvittaessa. Näin ohjelmoijan kannalta tietokone on periaatteessa vain joukko peräkkäisiä muistipaikkoja, joihin voidaan tallentaa jokin tieto. Yleisesti, kun ohjelmoija puhuu muistista, hän tarkoittaa sillä keskusmuistia eli RAM -muistia (Random Access Memory). Tämän jälkeen, kun data on syötetty muistiin varsinaisen työn hoitaa suoritin, jotta voidaan muuttaa näiden muistipaikkojen sisältöä tietokoneohjelman mukaan, eli siten kuin mitä me, ohjelmoijat, haluamme. Kun ohjelmoija laatii ohjelmia, sitä kutsutaan ohjelmoinniksi (programming) ja ohjelmien koodaajaa ohjelmoijaksi (programmer). Ohjelman tekemiseen tarvitaan väline, jota kutsutaan ohjelmointikieleksi, kuten Visual Basic, C, C++, C#, PHP, Java tai Perl, (programming language). Ohjelmointikieli on joukko tarkkaan määriteltyjä ohjeita, joita yhdistelemällä voi toteuttaa hyvinkin vaativia tehtäviä, koulussamme on mahdollista opiskella joko Perl?kieltä tai C++ -kieltä. Erilaiset suorittimet, ja näin siis erilaiset tietokoneet, ymmärtämät erilaisia käskyjä. Kuitenkin käskyt ovat aina hyvin yksinkertaisia, esimerkiksi 1. nollaa muistipaikka 100 2. nollaa muistipaikka 1 3. lisää muistipaikkaan 100 luku, jonka saat muistipaikasta 200+muistipaikan 1 sisältö 4. lisää muistipaikan 1 sisältöä yhdellä 5. jos muistipaikan 1 sisältö ei ole viisi, palaa kohtaan 3 Tällainen ohjelma laskisi muistipaikkaan 100 muistipaikkojen 200..204 sisältöjen summan. Tätä kutsutaan konekieleksi. Tietokoneen ohjelmointi konekielellä on aivan mahdollista. Kuitenkaan se ei ole kovinkaan nopeaa, ja ohjelman toiminnan ymmärtäminen on hankalaa. Siksi on kehitetty erilaisia korkeamman tason ohjelmointikieliä, joissa ohjeet voidaan antaa joidenkin englanninkielisten sanojen ja itse nimettyjen tunnusten avulla. Tällainen korkeamman tason ohjelmointikielellä toteutettu ohjelma täytyy ennen käyttöä kääntää ylempänä kuvattuun muotoon (eli kokekielelle), jotta se voidaan suorittaa tietokoneessa. Käännös voidaan joko tehdä kerralla koko ohjelmalle (tällöin käytetään kääntäjää) tai kääntää ja suorittaa rivi kerrallaan (jolloin käytetään tehtävään tulkkia). Ensin mainitussa tapauksessa puhutaan kääntämisestä, viimeksi mainittua kutsutaan tulkkaukseksi - yhteys vieraan kielen 13
kääntämiseen ja tulkkaamiseen on ilmeinen. Jokaisella prosessorityypillä on oma konekielensä. 14
8 Mikä on ohjelmointikieli? Kaikki tietokoneohjelmat ovat ohjelmoitu jollakin tietyllä ohjelmointikielellä, jonka avulla määritellään ohjeet, kuinka ohjelman tulee toimia. Jopa kaikkien tuntemamme ja varmastikin myös joka päivä käyttämämme Internet Explorer on joukon ohjelmoija jollakin, todennäköisesti C++, ohjelmointikielellä väsäämä ratkaisu johonkin ongelmaa, tässä tapauksessa Internettiin pääsyyn. Näin päästäänkin kysymyksen: Mikä on ohjelmointikieli?. Sillä emmehän me pysty luomaan ohjelmaa ilman kieltä, jonka avulla sen tekisimme. Oikeastaan ohjelmointikieli on juuri ohjelmointiin suunniteltu ilmaisukieli, jolla ohjelmoijat työskentelevät. Nämä ohjelmointi kielet lajitellaan keskenään eri kategorioihin, joihin tutustumme myöhemmin. Kuitenkin kaikissa ohjelmointikielissä on joukko komentoja ja rakenteita, joiden avulla ohjelmoija laatii toimintaohjeet. Toimintaohjeet ovat kuin ajo-ohjeet tai kakkuresepti, niiden tulee olla täsmälliset, jotta ohjelma (tietokone) osaa suoriutua kaikista tilanteista. Toisin kuin autoilija/leipoja, niin tietokone ei voi kysyä apua miten sen tulisi toimia suoriutuakseen sille määrätyistä tehtävistä. Voidaankin todeta, että tietokone on juuri niin viisas kuin mitä käyttämäsi ohjelman tekijä on. Tietokone ei pysty ajattelemaan tai arvailemaan mitä ohjelmoija nyt sitten seuraavaksi mahtanee haluta, vaan sinun tulee ohjelmoijana määritellä tarkat toimintaohjeet tietokoneelle, ennen kuin voit levittää ohjelmaa. Java on yksi sadoista maailmalla käytössä olevista tietokonekielistä. Joitakin niistä käyttävät ammattiohjelmoijat kirjoittaessaan ohjelmistoja meille muille. Jotkut kielet on tarkoitettu auttamaan opiskelijoita oppimaan ohjelmoinnin perusteet. Jotkut kielet taas on tarkoitettu tietokoneen käyttäjien avuksi automatisoimaan toistuvia tehtäviä ja räätälöimään ohjelmistosovelluksia käyttäjille sopiviksi. Tietokoneiden alkuajoista lähtien on ohjelmointikielien tavoitteena ollut helpottaa ihmisen ja tietokoneen välistä kommunikointia. Ohjelmointikieli (programming language): Ohjelmien (laskentaprosessien) systemaattinen kuvaustekniikka. Ohjelmointikieli on liittymä/väline ohjelmistotuotantoa varten ja tämän liittymän kautta ohjelmoija kommunikoi tietokoneen kanssa kirjoittaessaan I. koodatessaan tietokoneohjelmaa. Ohjelman kirjoittaminen on siis kielenkäytlöprosessi. 8.1 Tietokoneen kielet Tietokoneohjelma toimii laitteiston, ohjelmiston ja käyttävien ihmisten luoman maailmankuvan asettamissa rajoissa. Ohjelmointikielen yksi tärkeimpiä ominaisuuksia on sen yksikäsitteisyys, eli sillä kirjoitetut ilmaukset voidaan tulkita vain yhdellä tavalla. Ohjelmointikielellä on kielioppi (syntaksi), joka määrittelee, millaisia ohjelmia saa kirjoittaa. Ohjelmointikielen semantiikka antaa ohjelman osille merkityksen. Ohjelmointikielet ovat niin kutsuttuja formaaleja kieliä. 15
8.1.1 Konekieli ja assembly-kieli Jokaisella tietokoneella on oma äidinkieli eli ns. konekieli. Konekieli (machine language): Tietokoneen peruskieli, joka koostuu nollista ja ykkösistä. Eri konekielien välillä on yhtäläisyyksiä. Kaikista löytyy käskyt mm. seuraaviin tehtäviin: neljän pemslaskutoimituksen suorittaminen lukuparien vertailu käskyjen toisto Konekielet ovat kuitenkin eri kieliä, kuten ranska ja englanti. Näin ollen yhteen konekieleen perustuvat koneet eivät ymmärrä toisella konekielellä kirjoitettuja ohjelmia. Koneen näkökulmasta katsottuna konekieli on pelkkää binäärikoodia. Käskyt, muistipaikat, luvut ja merkit esitetään nollista ja ykkösistä muodostuvina merkkijonoina. Koska binäärilukujen tulkitseminen on ihmiselle hankalaa, on konekieliset ohjelmat yleensä käännetty joko kymmenjärjestelmään, heksadesimaalijärjestelmään (kantaluku 16) tai johonkin muuhun lukujärjestelmään. Tästä huolimatta konekielisten ohjelmien kirjoittaminen, lukeminen ja korjaaminen on aina ollut vaikeaa. Ohjelmointi muuttui helpommaksi, kun keksittiin assembly-kieli. Assembly-kieli (assembly language): Vastaa toiminnaltaan konekieltä. Ihmisten on kuitenkin helpompi lukea, kirjoittaa sekä ymmärtää assembly a kuin konekieltä. Assembly ssa ohjelmoija käyttää aakkoskoodeja, jotka vastaavat konekielen käskyjä. Esimerkiksi assembly-kielinen käsky vähennyslaskulle voisi olla SUB (subtraction). Luonnollisesti SUB ei merkitse mitään tietokoneelle, joka reagoi vain sellaisiin komentoihin kuin 10110111. Sillaksi ohjelmoijan ja tietokoneen välisen kommunikointikuilun yli on kehitetty ohjelma nimeltään assembler, joka kääntää jokaisen assemble-kielisen käskyn konekieliseksi käskyksi. Paremmasta tietämättä tietokone toimii kielenkääntäjänä itselleen. Vain erittäin harvat ohjelmoija käyttävät enää konekieltä, koska assembly-kieli on selvästi sitä parempi. Siitä huolimatta assembly-kieltä pidetään matalan tason ohjelmointikielenä. Tämä tarkoittaa sitä, että ohjelmoijan täytyy ajatella konekielen tasolla kaikkia toimiaan ja sisällyttää valtava määrä yksityiskohtaista tietoa jokaiseen kirjoittamaansa ohjelmaan. Assembly-ohjelmointi on kertautuvaa, aikaa vievää ja virhealtista puuhaa. Asiaa 16