Simulation und moderne Programmiersprachen: Modula-2, C, Ada

286 Pages·1988·18.26 MB·German

by  Prof. Dr. Bernd Page

Fachberichte Simulation
Herausgegeben von D. Moller und B. Schmidt
Band 8
B. Page, R. Bolckow, A. Heymann,
R. Kadler, H. Liebert
Simulation
undmodeme
Programmiersprachen
Modula-2, C,Ada
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo 1988
Wissenschaftlicher Beirat:
M. Birkle, J. Biethahn, P. Schmitz,
H. W. SchiiBler, A. Storr, M. Thoma
Herausgeber der Reihe
Dr. D. Moller Prof. Dr. B. Schmidt
Physiologisches Institut Informatik IV
Universitiit Mainz Universitiit Erlangen-Niirnberg
SaarstraBe 21 MartensstraBe 3
6500 Mainz 8520 Erlangen
Autoren
Prof. Dr. Bernd Page, Rolf Bolckow, Andreas Heymann,
Ralf Kadler, Hansjorg Liebert
Universitiit Hamburg
FB Informatik
SchliiterstraBe 70
2000 Hamburg 13
ISBN-13:978-3-540-18982-4 e-ISBN-13:978-3-642-83394-6
DOl: 10.1007/978-3-642-83394-6
CIP·Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Simulation und moderne Programmiersprachen: Modula·2, C. Ada/B. Page ...
Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo: Springer. 1988
(Fachberichte Simulation; Bd. 8)
ISBN-13:978-3-540-18982-4
NE: Page. Bernd [Mitverf.j; GT
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988
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jedermann benutzt werden diirften.
Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt aufGesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI,
VDE) Bezug genommern oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr flir
Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen, Es empfiehlt sich gegebenenfalls flir die
eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hin
zuzuziehen.
2160/3020-543210
Vorwort
Bei der Realisierung von Simulationssoftware wurden modeme Programmierkonzepte
aus dem Software Engineering (z. B. Modularisierung oder Portabilitat) hiiufig nur
unzureichend beriicksichtigt. Gerade derartige Konzepte waren ein entscheidendes
Entwurfsziel bei der Entwicklung modemer genereller Programmiersprachen wie
Modula-2, "c" oder Ada.
Ein weiterer Nachteil der Simulationssoftware stellt die oft mangelnde Effizienz
ihrer Programme dar - kein unwesentliches Handicap, wenn man an den zunehmenden
.Einsatz der Simulation auf Mikrocomputem denkt. AuBerdem werden bis heute trotz
des groBen Angebotes an geeigneter Simulations software nicht selten allgemeine hohere
Programmiersprachen - iiberwiegend sogar FORTRAN - fUr die Implementierung von
Simulationsmodellen verwendet, sei es aus mangelnder Kenntnis oder fehlenden
Zugriffsmoglichkeiten auf einen entsprechenden Compiler. Daher ist bis heute die
Frage nach geeigneten Programmiersprachen fUr die Simulation von hoher Aktualitat
geblieben.
Die vorliegende Arbeit ist hier als em Beitrag zu verstehen, dem Anwender
Entscheidungsgrundlagen zur Auswahl geeigneter (modemer) Implementationssprachen
filr die Simulation an die Hand zu geben.
Bei der Untersuchung steht die Frage im Mittelpunkt, wie die hier betrachteten
modernen Programmiersprachen Modula-2, "c" und Ada fUr die Implementierung
spezieller Simulations software, den sogenannten Simulatoren, mit deren Hilfe auf dem
Rechner Simulationsmodelle realisiert und betrieben werden konnen, einsetzbar sind.
Nach einer kurzen Darstellung der Anforderungen, die aus der Sicht der Simulation
an Programmiersprachen zu stellen sind, werden die in dieser Arbeit untersuchten
Sprachen und deren wesentliche Merkmale kurz eingefilhrt. AnschlieBend wird
dargestellt, wie simulationstypische Konzepte in allgemeinen Programmiersprachen in
modellunabhangiger Form implementiert werden konnen. Die Verwendung der so
entstehenden Simulatoren in den verschiedenen Sprachen wird anhand eines anschau
lichen Beispielmodells demonstriert. SchlieBlich werden die Ergebnisse des durch
gefUhrten Sprachvergleichs zusammenfassend bewertet. Die vollstandigen Programm
texte sind in den Anhangen zu finden.
Das Verstandnis der Arbeit setzt Kenntnisse der zeitdiskreten Simulation und einer
modemen, blockorientierten Programmiersprache wie Pascal voraus. Obwohl es sich
bei der Vorstellung der untersuchten Sprachen in dieser Arbeit nur urn relativ knappe
EinfUhrungen handelt, diirften sie dem Leser doch eine wertvolle Hilfe beim
Neueinstieg in diese Programmiersprachen (auch unabhiingig yom Simulationsaspekt)
VI
sein. Dieses Buch bietet dem Leser durch eme sorgfaltige Zusammenstellung der
anwendungsrelevanten Aspekte der Sprachen einen "Leitfaden" fUr einen gezielten und
effizienten Einstieg in die zitierte erganzende Literatur. DarUberhinaus werden in den
(lauffahigen) Simulationsprogrammen im Anhang des Buches die meisten der
behandelten Sprachkonstrukte in ihrer praktischen Anwendung demonstriert.
Dieser Sprachvergleich ist im Rahmen meines regelmaBigen Simulationsprojektes im
Vertiefungsgebiet "Angewandte Informatik - Modellbildung und Simulation" am Fach
bereich Informatik der Universitat Hamburg begonnen und wahrend einer anschlies
senden einjlihrigen intensiven Projektphase von uns vollendet worden. Meinen
Koautoren gebiihrt mein ausdriicklicher Dank fUr ihre auBerordentlich engagierte und
selbstandige Mitarbeit.
Mein Dank gilt ebenfalls Herrn Prof. Schmidt, dem Herausgeber dieser Buchreihe,
fUr seine hilfreichen Verbesserungsvorschlage bei der ersten Fassung unseres Manu
skriptes, sowie Herrn Mohlmann fUr seine UnterstUtzung bei der Korrektur.
Auf zwei formale Konventionen solI noch hingewiesen werden:
Literaturverweise: Die zur ErstelIung dieser Arbeit verwendete Literatur ist am
Ende aufgefUhrt. Ein Verweis im Text hat z. B. folgende Form: [Ung84]. Dabei sind
die drei Buchstaben die ersten drei des Verfassernamens (bei mehreren Verfassern
die des Erstgenannten), und die Zahl danach steht fUr das Erscheinungsjahr des
zugrundeliegenden Werkes. Falls Mehrdeutigkeiten bei Verweisen auftreten sollten,
werden diese durch zusatzliche Kleinbuchstaben (a, b, ... ) hinter den lahreszahlen
beseitigt.
Kursivschrift: Urn einen (in manchen Abschnitten) exzessiven Gebrauch von
AnfUhrungszeichen zu vermeiden, werden aIle im normalen Text verwendeten
Bezeichner, die sich auf unsere Programme bzw. auf Programmbeispiele beziehen
oder aus den jeweiligen Sprachen selbst stammen, kursiv geschrieben. Die sonstige
Funktion der Kursivschrift fUr Hervorhebungen bleibt davon unberiihrt. Dariiber
hinaus werden Schliisselworte der Sprachen Modula-2 und Ada in GroBbuchstaben
geschrieben (in "C" klein, weil von der Sprachdefinition gefordert).
Fachbereich Informatik der Universitat Hamburg,
im Friihjahr 1988
Bernd Page
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung 1
2 Anforderungen an die Programmiersprachen aus Sieht der
Simulation .••........••. .• 7
3 Kurze Einfiihrung in die untcrsuchten Sprachcn 11
3.1 Modula-2 11
3.1.1 Geschichtlicher Uberblick 11
3.1.2 Erweiterungen und Unterschiede gegeniiber Pascal 12
3.1.2.1 Das Modulkonzept 12
3.1.2.2 Sichtbarkeit, Giiltigkeit und Lebensdauer 15
3.1.2.3 Maschinennahe Programmierung und Koroutinen 17
3.1.2.4 Datenstrukturen und strenge Typbindung 19
3.1.2.5 Syntaktische und semantische Anderungen 20
3.1.3 Zum Sprachumfang 22
3.2 "c" 24
3.2.1 Datentypen und Deklarationen 24
3.2.1.1 Elementare Datentypen 24
3.2.1.2 Zeigertypen 25
3.2.1.3 Strukturierte Datentypen 25
3.2.1.4 Deklarationen 26
3.2.1.5 Typpriifung 28
3.2.2 Ausdriicke und Anweisungen 29
3.2.2.1 Operanden 29
3.2.2.2 Operatoren und Ausdriicke 30
3.2.2.3 Anweisungen und Kontrollstrukturen 32
3.2.3 Programmstruktur 33
3.2.3.1 Funktionen 34
3.2.3.2 BlOcke 35
3.2.3.3 Getrennte Ubersetzung und Speicherungsklassen 35
3.2.3.4 Typdefinitionen 37
3.2.4 Besonderheiten 37
3.2.4.1 Bezeichner 37
3.2.4.2 ~prozessor 38
3.2.4.3 Laufzeitbibliothek 40
3.2.5 Zusammenfassung 41
VIII
3.3 Ada 43
3.3.1 Geschichtlicher Uberblick 43
3.3.2 Datenstrukturierung 44
3.3.2.1 Datentypen 44
3.3.2.2 Typenkonzepte und Objekt-Vereinbarungen 46
3.3.2.3 Strukturierte Datentypen 49
3.3.3 llnterprogramme 52
3.3.3.1 Parameter 53
3.3.3.2 Uberladen (overloading) 54
3.3.4 Modulkonzepte 55
3.3.4.1 Bibliothekseinheiten 55
3.3.4.2 llntereinheiten (subunits) 56
3.3.4.3 Synonyme 57
3.3.4.4 Private Typen 57
3.3.5 Ausnahmen (exceptions) 59
3.3.5.1 Deklaration und Aus16sung 59
3.3.5.2 Behandlung und Ubertragung 60
3.3.5.3 Anwendung 61
3.3.6 Prozesse 62
3.3.6.1 Deklaration 62
3.3.6.2 Ablaufsteuerung (scheduling) 64
3.3.6.3 Synchronisation und Kommunikation 64
3.3.6.4 Alternative Eingangs-Bearbeitung 65
3.3.6.5 Alternative Eingangs-Aufrufe 67
3.3.6.6 Beendigung von Prozessen 68
3.3.7 Generische Progrannnneinheiten 69
3.3.7.1 Generische Vereinbarung 70
3.3.7.2 Generische Inkarnation 70
3.3~7.3 Generische Parameter 71
4 Die Simulationsumgebung und deren Implementation 73
4.1 Allgemeine Betrachtungen 73
4.1.1 Modularisierung 73
4.1.2 Zugriffsschutz 74
4.1.3 Freispeicherverwaltung 75
4.1.4 Simulationsstatistik 75
IX
4.2 Ereignisorientierte Implementationen .... 75
4.2.1 Ereignislistenverwaltung ("EventChain") 77
4.2.2 Warteschlangenverwaltung ("Queue") 78
4.2.3 Verteilungsfunktionen ("Distributions") 80
4.2.4 Anmerkungen zu den Implementationen 82
4.2.4.1 ~odula 82
4.2.4.2 "c" 83
4.2.4.3 Ada 84
4.3 ProzeBorientierte Implementation 86
4.3.1 Das Paket "Adaset" 86
4.3.2 Das Paket "Simulation" . 88
4.3.2.1 Die Anwendersicht 89
4.3.2.2 Datenstrukturen 92
4.3.2.3 Die Ereignislistenverwaltung 93
4.3.2.4 Die Ablaufsteuerung von Prozessen 95
4.3.2.5 ProzeBalgorithmen ..... . 97
4.3.2.6 Bewiiltigung technischer Randprobleme 98
5 Realisierung eines Beispielmodells .•.•.••• 101
5.1 ~odell einer Fertigungsanlage (Jobshop-~odell) 101
5.1.1 Zur Wahl des ~odells ...... . 101
5.1.2 ~odellspeziflkation 101
5.1.3 Erweiterungen fUr die prozeBorientierte Version 103
5.2 Ereignisorientierte Version ......... . 104
5.2.1 Bestimmung der Ereignisarten ..... . 104
5.2.2 Umsetzung in Datenstrukturen und Prozeduren 106
5.2.2.1 Datenstrukturen 106
5.2.2.2 Prozeduren 110
5.2.3 Anmerkungen zur Statistik 115
5.2.4 Besonderheiten der einzelnen Implementationen 116
5.2.4.1 Anmerkungen zur ~odula-Version 116
5.2.4.2 Anmerkungen zur "C"-Version 117
5.2.4.3 Anmerkungen zur Ada-Version 118
5.2.5 Diskussion der Ergebnisse . . . . . . 119
x
5.3 ProzeBorientierte Version ("Jobshop_Process") 122
5.3.1 Der Proze8 im Jobshop-Modell . . . . 122
5.3.2 Modularisierungskonzepte . . . . . . 122
5.3.3 Anbindung an die Simulationsumgebung 124
5.3.4 Probleme bei der Implementation . . 124
5.3.5 Module innerhalb "Jobshop_Process" 125
5.3.5.1 "Common" 125
5.3.5.2 "MachineGroup" 127
5.3.5.3 "Main" 131
5.3.6 Statistikflihrung . . . . 133
6 Bewertung der untersuchten Sprachen 134
6.1 Modularisierung ...... . 135
6.1.1 Vergleich der Konzepte . . 136
6.1.2 Das Problem der strengen Typbindung 137
6.2 ProzeBorientierte Simulation 138
6.3 Temporare Objekte 139
6.4 Ein-/ Ausgabeformatierung 139
6.5 Verstandlichkeit von Quelltexten 141
6.6 Verfligbarkeit von Ubersetzern 142
6.7 Programmierumgebung 143
6.8 Zusammenfassung 144
7 Ausblick •••••• 146
7.1 Allgemeine Aspekte 146
7.1.1 Tracing 146
7.1.2 Automatische Statistik 147
7.1.3 Praprozessoren 147
7.2 Ereignisorientierter Ansatz 149
7.2.1 Das Modul "EventChain" 149
7.2.2 Das Modul "Queue" 149
7.2.3 Das Modul "Distributions" 150
7.3 ProzeBorientierter Ansatz . . . 151
7.3.1 Modula-2: Die Prozeduren "NEWPROCESS" und
''TRANSFER'' ........... . 151
7.3.2 "C": Die Funktionen "setjmp" und "longjmp" 152
7.3.3 Ada: Die Pakete "Simulation" und "Samoa" . 153
XI
Anhinge: Programmtexte 155
. . . . .
A Ereignisorientierte Version 155
A.l Modula 155
A. 1.1 Die Simulationsumgebung 155
A. 1. 1.1 EventChain 155
A.1.1.2 Queue 159
A.1.1.3 Distributions 166
A. 1. 1.4 FloatInOut 169
A. 1.2 Das Job-Shop-Modell 172
A.2 "CIf 182
A.2.1 Die Simulationsumgebung 182
A.2.1.1 Spezifikationen 182
A.2.1.2 EventChain 187
A.2.1.3 Queue 190
A.2.1.4 Distributions 194
A.2.2 Das Job-Shop-Modcll 196
A.3 Ada 204
A.3.1 Die Simulations umgebung 204
A.3.1.1 Global 204
A.3.1.2 EventChain 205
A.3.1.3 Queue 208
A.3.1.4 Distributions 213
A.3.2 Das Job-Shop-Modell 216
A.4 Ausgaben zum Job-Shop-Modell 223
.
B Proze8orientierle Version 227
B.l Adaset 227
B.1.1 Spezifikationsteil 227
R1.2 Implementationsteil 229
B.2 Simulation 232
B.2.1 Spezifikationsteil 232
B.2.2 Implementationsteil 235
B.3 Das priorisierte Job-Shop-Modell 245
B.4 Ausgaben zum priorisierten Job-Shop-Modell 261
. . . . . . . . .
Literaturverzeichnis 265
Sachwortverzeichnis 270