Softwaretechnik mit Ada 95: Entwicklung großer Systeme

512 Pages·1999·0.21 MB·German

by  Manfred Nagl (auth.)

Men chen wollen miceinander kommunizleren, Mir der Eric on Eurolab Deurschland GmbH
jederzeir und überall. Telekommunikadon spielc in Herzogenrarh gründere der Konzern 1990 sein
dabei eine enrscheidende Rolle. ie hilfc, Grenzen ersces Forschungs- und Entwicklungszenrrum in
und Disranzen zu überwinden. Mic innovaciven Deucschland. Derzeic beschäfcigen sich über 1.100
Technologien. Micarbeicer aus 29 acionen an den candorcen
Erics on i r der führende Anbierer in der neuen Herzogenrarh, Hildesheim und ürnberg mir der
Welc der Telekommunikarion. Das Unrernehmen Hard- und ofrwareenrwicklung für zukunfcs
scellc Lösungen für die prach- und Daren weisende Telekommunikacionslösungen.
kommunikacion bereir, die sich mir den Anfor
derungen von mobilen Anwendungen verbinden
lassen. Mir über 100.000 Micarbeirern vereinfachr Eric on Eurolab Deur chland GmbH
Ericsson die Kommunikarion seiner Kunden, zu Eric on Allee 1
denen erzberreiber, ervice Provider, Unrer 52134 Herzogenrath
nehmen und Verbraucher au( der ganzen Welc rdcareer@eric on.de
gehören. www.ericon.de
Make yourself heard.
ERICSSON
Manfred Nag)
Softwaretechnik mit Ada 95
Dle Reihe ~Professfonai Computing" des Verlags Vieweg riehtet sieh an
professionelle Anwender bzw. Entwiekler von IT-Produkten. Sle wIlI
praxisgerechte Wsungen ror konkrete Aufgabenstellungen anbieten, die
sieh dureh Efflzlenz und Kundenorientlerung auszeichnen.
Dnter anderem sind ersçhienen:
Die FeJnplanun, von DVooSystemen
von Goorg Liebetrau
Mlerocontr6II. .... PraxI.
von Norbert Beesel uud Wemet: Rfichstein
Die Kunst der obJektorientlerten Programmlenan, mlt C++
von Martin Aupperle
DB2 Common Server
von Heinz Axel Piirner und Beate Pürner
ObJektorlentlerte Programmierun, mlt.V lsualSmalitalk
von Sven Tiet jen und Edgar Voss
Soff;warequaUtit durch Me8tools
von Reiner Dumke, EIikFoltln u.a.
QMAVerfahrenaanwelsun,en ftir Softwareheraten.r
von Dieter Burgartz und Stefan Sehmitz
; Die CD-ROM zum Software-O.uaUtitsmanapment
von Dieter Burgartz und SteJan Sehmitz
Bus.nessorientlerte Pro,rammaerun, mlt Java
von Claudia Piemont
Methodik der Softwareentwleklun,
von Hermano Kaindl, Benedikt Lutz und Peter Tippold
JSP
von Klaus Kilberth
Erfolarelehe Datenbankanwendunpn mlt SOl
von JUrgen Marscb und Jörg Fritze
Softwareteehnlk mlt Ada 95
von Manfred Nagl
Manfred Na gl
Softwaretechn i k
mitAda 95
Entwicklung grofier Systeme
~
vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Nagl, Manfred:
Softwaretechnik mit Ada 95: Entwicklung groBer Systeme/ Manfred
Nag!. - Braunschweig; Wies baden : Vieweg, 1999
(Vieweg professional computing)
ISBN 978-3-528-05583-7 ISBN 978-3-663-01278-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-01278-8
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Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-05583-7
Vorwort
Ada 95 ist die zweite und aktuelle Version der Programmiersprache Ada 83. Wichtige Kon
strukte sind hinzugekommen, insbesondere für Objektorientierung und Nebenläufigkeit. Ada
entstand aus einer Initiative des Verteidigungsministeriums der USA (Department of Defense,
DoD). Neben dem speziellen Anwendungsbereich Realzeitsysteme/eingebettete Systeme wer
den verschiedene andere Anwendungsbereiche durch spezielIe Erweiterungen unterstützt. Im
Gegensatz zu früheren Jahren sind mittlerweile auch preiswerte, ja sogar kostenlose Compiler
verfügbar. In den USA findet derzeit ein merklicher Teil der Programmier-Grundausbildung in
Ada statt. Dies alles wird die Verbreitung der Sprache über die bereits vorhandene Ada
Gemeinde hinaus verstärken.
Dieses Buch ist eine Einführung in die Sprache Ada 95. Es ist nicht für Ada-Compilerentwick
Ier gedacht. Hier steht die methodische Verwendung der Sprache im Vordergrund und nicht die
Abgrenzung erlaubter von nichterlaubten Konstruktionen. Trotzdem solI bei einer Unklarheit
bezüglich der Verwendung von Ada hier eine Antwort auffindbar sein. Dieses Buch ist auch nicht
als Einführung in das systematische Programmieren für Anfänger gedacht. Statt dessen wendet
es sich an Personen, die bereits Erfahrung im Programmieren mit mindestens einer höheren Pro
grammiersprache haben. Dies kann auch Fortran, Cobol oder Csein. Für diesen Personenkreis ist
dieses Buch sowohl als Grundlage und Begleittext sowohl für Vorlesungen oder Kurse, als auch
zum Selbststudium geeignet. Die Kenntnis einer neueren, höheren Ausbildungs-Programmier
sprache, wie etwa Modula-2 oder -3, ist zwar nicht Voraussetzung für das Lesen, erleichtert
jedoch den Einstieg.
Ada ist mit einer Fülle von Information verbunden, nämlich in Form dicker Bücher, CDs,
Dateien und vielen WWW-Seiten über Sprache, Werkzeuge, Methoden, Initiativen und Projekte.
Insoweit kommt einer Übersicht über das vorhandene Material eine besondere Bedeutung zu.
Für einen Einstieg mnE gefiltert und verdichtet werden, was Einordnung und Einschätzung vor
aussetzt. Lesehilfen (vgl. Abschnitt 1.9, 2.7, Anhänge) dienen zum Auffinden zusätzlicher Lite
ratur und zum effizienten Umgang mit vorhandener Literatur.
Ada 95 ist eine umfangreiche Sprache. Der Leser mnE überblicken, welche Sprachkonstrukte
es gibt und wofür sie gedacht sind. Diese sollten erklärt werden, einerseits was die dahinterste
henden Konzepte und ihr Ziel anbetrifft, und es muB andererseits eingeordnet werden, wofür und
wie sie genutzt werden sollten. Somit ist nicht die Vermittlung der Sprache allein, sondern die
M ethodik im Umgang von Wichtigkeit. SchlieBlich lassen sich Teilsprachen finden für verschie
dene Anwendungsbereiche, aber auch für die Lehre. Neben Sprachkonstrukten für beliebige
Softwaresysteme bietet Ada auch Spezifika, für Nebenläufigkeit, Ausnahmebehandlung usw.
Ada gibt den aktuellen Stand der Technik bezüglich moderner, compilerorientierter Sprachen
wieder. Es sind alle wünschenswerten Sprachkonstrukte für die Ablaufkontrolle, die Datenstruk
turierung, die Modularisierung etc. in sauberer Form vorhanden. Ada verfügt auch über eine
klare Sprachterminologie. Somit resultiert aus einer Beschäftigung mit Ada auch die Übersicht
über den aktuellen Stand des Programmiersprachenentwurfs. Diese Behauptung wird erhärtet,
wenn man sich vergleichende Darstellungen über Programmiersprachen (vgl. Literaturabschnitt
9) zur Hand nimmt: Deren Inhaltsangabe gleicht oft frappierend der des Ada-Sprachreports.
Somit kann am Beispiel Ada eine Übersicht über klassische Sprachen gewonnen werden. Als
Folgerung ergibt sich, daB dieses Buch insbesondere für diejenigen wichtig ist, die in einer älte
ren Sprache groBe Programmsysteme entwickeln und die hierfür wünschenswerten Sprachkon
strukte nicht vorfinden.
Ada besitzt hingegen eine Fülle von Sprachkonstrukten, so daB Konstruktionsideen aus unter
schiedlichenAnsätzen (Modularisierung, Objektbasiertheit, Objektorientierung etc.) verwendet
VI Vorwort
werden können. Nach Meinung des Autors sollte sichjeder Fortran-, Cobol-, C-, aber insbeson
dere jeder C++-Softwareentwickler mit Ada 95 gründlich auseinandergesetzt haben. Diese
Übersicht über Programmiersprachen wird verstärkt durch die Einordnung von Ada in die Pro
grammiersprachen-Landschaft.
Ada ist rur den Einsatz in gr06en Projekten und rur die professionelle, arbeitsteilige Software
system-Erstellung gedacht. Insoweit kommt der Verbindung vonAda und Softwaretechnik eine
wichtige Bedeutung zu. Bereits in der ersten Auflage dieses Buches 1982 wurde diese Verbin
dung gesehen und dargestellt. Diese Verbindung ergibt sich in zwei Richtungen: Zum einen ist
Ada aus dem Softwaretechnik-Gedankengut entstanden und aus den Erfahrungen, die sich aus
dem Bau gr06er Softwaresysteme ergeben. Zum anderen ist die Sprache so gestaltet, daB sich bei
ihrer Anwendung Wartbarkeit, Erweiterbarkeit, Portabilität, Sicherheit und Effizienz von Pro
grammsystemen leichter realisieren lassen. Damit ist eine Erläuterung der Sprache ohne Soft
waretechnik-Hintergrund nicht möglich!
Ada ist nicht nur eine Programmiersprache. Wegen ihrer Möglichkeit, Bausteine sauber zu
definieren und deren Zusammenhang festzulegen, unter Nutzung verschiedener Softwareerstel
lungs-Paradigmen, eignet sich Ada auch zum Entwurf von Softwaresystemen (der Architektur
modellierung). Zwar sollten solche Architekturmodellierungssprachen unabhängig von der kon
kreten Programmiersprache sein, andererseits stammen alle Gedanken zur Strukturierung von
Softwaresystemen von konkreten Programmiersprachen ab. Dem Themenkreis der Software
Architekturmodellierung wird dieses Buch nur teilweise gerecht. Wir diskutieren hier die Ver
wendung der entsprechenden Ada-Sprachelemente. Für eine umfassende Darstellung zur Archi
tekturmodellierung mu6 auf andere Ausarbeitungen verwiesen werden (Literaturabschnitt 10).
Ada ist mehr als eine Programmiersprache: Bei der Definition wurden auch diverse Zusam
menhänge beachtet, die im angelsächsischen Sprachraum salopp mit "Ada Culture" bezeichnet
werden. Neben der oben bereits angesprochenen Verbindung mit der Softwaretechnik sind hier
folgende Punkte aufzuführen: Der öffentliche, wettbewerbsorientierte und weltweite Entste
hungsproze6 der Sprache, die Überlegungen zur Güte von Compilern, die detaillierte Betrach
tung von Anwendungsbereichen, die gründlichen Überlegungen zur Aufwärtskompatibilität
von Ada 83 zu 95, die mit Ada verbundene Initiative zur Werkzeugentwicklung bzw. zur Softwa
re-Wiederverwendung bis hin zur Schulung der Ada-Entwickler.
Fassen wir zunächst die Stärken der Sprache zusammen: Ein Ada-Programmsystem kann aus
klar definierten Bausteinen zusammengesetzt werden mit präzisen Beziehungen zwischen den
selben. Für die Ausgestaltung des Innenlebens dieser Bausteine gibt es saubere Konstrukte.
Neben einer Kernsprache ist Unterstützung rur spezielle Anwendungsbereiche vorgesehen. Die
saubere Gestaltung von Programmsystemen, insbesondere die Verwendbarkeit für den Entwurf,
erleichtert indirekt auch andere Aufgabenbereiche, wie die Qualitätssicherung, Dokumentation
und Projektorganiation. Die vielfältigen Überprüfungen des Ada-Codes sowie die Auswahl
abgesicherter Sprachkonstrukte sorgen für Sicherheit und Effizienz des Codes.
Jede Programmiersprache ist stark rekursiv, insbesondere eine so umfangreiche wie Ada 95.
Man weill nicht, wo mit der Erläuterung begonnen werden soll, da die einzelnen Konstrukte
direkt oder indirekt voneinander abhängen. Dadurch wird in vielen Fällen Wiederholung
erzwungen und/oder es ergeben sich viele Vorwärtsverweise. Dieses Rekursionsgeflecht mu6 in
einer Einruhrung "aufgelöst" werden. Dieses Problem wird hier dadurch angegangen, da6 kom
pliziertere Sprachelemente zuerst in einfacher Form erläutert werden, die allgemeine Verwen
dung und das dahinterstehende Konzept werden später nachgetragen. Unverständliche Vor
wärtsverweise werden so vermieden. Der Leser kann die Mühe eines Ada-Autors sofort aus der
Struktur der Inhaltsangabe ablesen. Ein Buch, das sich in seinem Autbau am Sprachreport orien
tiert, ist als Einführung ungeeignet. Ebenso sollte der Leser skeptisch sein bei Büchern, die den
Vorwort VII
Eindruck erwecken, als sei Ada eine Sprache für Anfänger und im Handumdrehen zu vermitteln.
Dies mag aus Werbewirksamkeitsgründen für einen Autor vorteilhaft sein, der Leser wird mit
Sicherheit enttäuscht. .
In diesem Buch wird die neue Sprachversion Ada 95 vorgestellt. Die Sprachentwerfer haben
technisch sehr saubere Arbeit geleistet. Die resultierte Sprache ist nahezu aufwandskompatibel.
Es sind wenig neue Konstrukte hinzugekommen, die aber vielseitig verwendbar sind. Die Ver
fügbarkeit von Ada 95-Compilern ist allein dadurch garantiert, daB die Zertifizierung der alten
Compiler abgelaufen ist.
Die Erläuterung ist dadurch nicht einfacher geworden. Zum einen müssen die Unterschiede
zwischen Ada 83 und Ada 95 erörtert werden, da ein Entwickler ein Ada 83-Programm von
einem Ada 95-Programm unterscheiden können und in der Lage sein muS, Ada 83-Programme
zu pflegen. Zum zweiten kann für die Lösung eines konkreten Entwurfs-oder Codierungspro
blems zum einen Ada 83 oder Ada 95 genommen werden. Es muS erläutert werden, ob und wo
sich die neuen Konstrukte besser eignen. Zum dritten sind die hinzugefügten neuen Konstrukte
für verschiedene Zwecke verwendbar (z.B. Bibliotheks-Kindeinheiten), was bei einer Einfüh
rung einer klaren Unterscheidung bedarf.
Dieses Buch ist kein Platz für eine detaillierte Sprachkritik. Mit der Öffentlichkeit des Ada
Entstehungsprozesses wurde auch eine Streitkultur über zu verwendende Programmierspra
chen-Konstrukte eingeführt (vgl. Literaturabschnitt 6). So waren der Umfang der Sprache, die
Orthogonalität ihrer Konstrukte als auch deren Effizienz Gegenstand vieler und heftiger Diskus
sionen. Wenn sich der Autor auch der einen oder anderen Kritik anschlie.Bt, so sei dennoch fest
gestellt: Ada ist die beste Definition einer imperativen und prozeduralen Programmiersprache
mit neuen Konzepten, wie Objektorientierung, die derzeit verfügbar und standardisiert ist.
Halten wir die Ziele fest, die wir mit demLeser nach Durcharbeit dieses Buches erreichen wol
len: (1) Neben dem Kennenlernen von Ada und der Anwendung dieses Wissens durch die Erstel
lung von Programmbeispielen solI dem Leser (2) der selbständige Umgang mit der Ada-Litera
tur vermittelt werden. Nach dem Lesen dieses Buches ergibt sich ferner (3) eine Übersicht über
den Stand derzeitiger klassischer und gleichzeitig moderner Programmiersprachen am Beispiel
von Ada. Dies führt (4) zu einer Verbreiterung des Kenntnisstands über Programmiersprachen
Konzepte sowie deren Anwendung. (5) Dies ist für den Nutzer älterer Sprachen von besonderer
Bedeutung. Sie denken dann in anderen Konzepten, die sich unter Zuhilfenahme von Disziplin
und Kommentierung durchaus auch auf ältere Sprachen anwenden lassen.
Eine Bemerkung zum didaktischen Konzept dieses Buches: Die Struktur dieses Buches folgt
aus den oben bereits skizzierten Gründen nicht dem Sprachreport. Es folgt auch nicht dem
Ansatz vieler anderer Ada-Einführungen, die in einem ersten Teil einen Überblick geben und
dann nacheinander die einzelnen Gruppen von Sprachkonstrukten erläutern. Statt dessen erfolgt
die Darstellung "in einem Zug". Die Inhaltsangabe orientiert sich an dem Verwendungszweck
von Programmiersprachenkonstrukten und erlaubt so eine einfache Teilsprachenbildung für die
Ausbildung. Wie oben bereits angedeutet, ist die Zielsetzung des Buches nicht nur die Vermitt
lung von Ada-Programmierfertigkeit, sondern die Diskussion über Programmiersprachenkon
zepte anhand einer sauberen Terminologie. Das Lernziel jedes Kapitels ist explizit im Vorspann
angegeben, diverse Anhänge des Buches erleichtern die Übersicht und das Auffinden im FalIe
spezifischer Fragestellungen. Jedes Kapitel endet mit Übungsaufgaben, die der Leser zur Vertie
fung seiner Ada-Kenntnisse lösen sollte. Unterschiede zwischen Ada 83 und Ada 95 werden
erläutert. Die wesentlichen Ideen jedes Kapitels werden zusammengefaBt.
VIII Vorwort
Nun eine Übersicht:
Kapitel 1 führt in einige Grundbegriffe der Softwaretechnik ein, erläutert die Softwaretech
nik- Verflechtung sowie die "Ada Culture".
In Kapitel2 werden Programmiersprachen-Grundbegriffe eingeführt. Darüber hinaus werden
die lexikalischen Elemente von Ada erläutert.
Kapitel3 ist den Elementen des Programmierens im Kleinen gewidmet und dabei hauptsäch
lich den Strukturen zur Ablaufkontrolle (Kontrollstrukturen). Zur Programmstrukturierung im
Kleinen dienen auch Funktionen und Prozeduren. Nicht klassisch ist hier lediglich die Ausnah
mebehandlung. Die Textein-/ausgabe wird bereits hier abgehandelt. Ab Kapitel 3 können Ada
Programme formuliert werden.
Kapitel4 erläutert die Datenstrukturierung, die in heutigen Programmiersprachen umfangrei
cher ist als die Ablaufstrukturierung. Hier erfolgt eine detaillierte Abhandlung der Datentypkon
struktoren (Felder, Verbunde etc.) und des Typkonzepts von Ada. Kapitel 3 und 4 sind somit der
Pascal-oder C-Teil von Ada.
Kapitel5 bietet die Sprachkonstrukte für den Entwurf, d.h. für die Festlegung von Bausteinen
und die Festlegung ihrer Beziehungen an. Diese sind nicht nur für die Neuerstellung, sondem
insbesondere für die Wartung und Wiederverwendung von grol3er Bedeutung.
Kapitel6 dient der Handhabung nebenläufiger Programmierung, nämlich der Einführung von
Prozessen, ihrer Synchronisation und ihrem Zusammenspiel.
Kapitel 7 dient der Erläuterung der Ein-/Ausgabe, bei der starker Wert aufPortabilitätsüberle
gungen gelegt wurde. Dieses Kapitel gibt die auch die vielfältigen Möglichkeiten zur Angabe
von Darstellungen auf der Basismaschine an. Letzteres dient nicht nur der Handhabung hard
warenaher Programmierung und der dabei geforderten EfflZienz, sondem ist auch ein Schlüssel
für die Portabilität.
leh möchte dieses Vorwort mit einer Danksagung an alle diejenigen abschliel3en, die zur
Gestaltung dieser bzw. der vier vorherigen Auflagen beigetragen haben. Dabei möchte ich mich
auf wenige Personen beschränken. Es sind dies: Dr. H. Hummel, M. Tonndorf, Prof. Schürr,
München, Prof. Ploedereder, Stuttgart, Prof. Ebert, Dr. Jackel, Koblenz, Profs. Engels und Schä
fer, Paderbom, Prof. Lewerentz, Cottbus sowie R. Baumann, Dr. Westfechtel und P. Klein,
Aachen. Für die vielen Anregungen dieser und anderer Personen bin ich dankbar. Schliel3lich gilt
mein Dank auch Frau A. Fleck sowie Frau G. Volkova für die grol3e Geduld und Sorgfalt bei der
Erstellung dieses Manuskripts sowie dem Vieweg-Verlag für die langjährige und fruchtbare
Zusammenarbeit.
Aachen, im März 1999 ManfredNagl
Inhalt
1 Softwaretechnik und Ada ..••.•.•••••••.•...•.•.•••..••••.•.•..•.••.•... 1
1.1 Geschichte der Ada-Sprachentwicklung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1
1.2 Ziele der Ada-Initiative und Softwaretechnik-Verbindung ................... 5
1.3 Softwaretechnik: Phasen, Arbeitsbereiche und Zusammenhang .............. 8
1.4 Ada im EntwicklungsprozeB groBer Softwaresysteme ..................... 15
1.5 Gütekriterien für Programmsysteme, Fehler und Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6 Wiederverwendung ................................................ 26
1.7 Ada-Programmiersysteme, Validierung ................................ 30
1.8 "Umgebungen" für die Entwicklung in Ada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.9 Informationsrulle, Übersicht und Lesehilfen ............................ 42
1.10 Zusammenfassung ................................................. 47
Aufgaben zu Kapitel 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2 Programmiersprachen-Grundbegriffe und lexikalische Einheiten 51
2.1 Syntaxnotation rur den Programmaufbau .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2 Alphabet, Trennzeichen und lexikalische Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3 Bezeichner, Zahlen und Zeichenkettenliterale ........................... 56
2.4 Quellprogramm-Darstellung, Lesbarkeit und Pragmas ..................... 59
2.5 Programme und Maschinen, Semiotik, Fehler ........................... 61
2.6 Spracherweiterung, Aufwärtskompatibilität und Konformität ............... 67
2.7 Ada in der Programmiersprachen-Landschaft ............................ 71
2.8 Zusammenfassung und Änderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Aufgaben zu Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3 Objekte für das Programmieren im Kleinen ........••••.••.••.••.••...••.• 81
3.1 Vorschau: Einfache Objekt-und Typdeklarationen ........................ 82
3.2 Ausdrücke, Wertzuweisungen und Anweisungsfolgen ..................... 85
3.3 Fallunterscheidungen (if-und case-Anweisung) .......................... 88
3.4 Schleifen (for- und while-Anweisung) ................................. 92
3.5 Geschachtelte Kontrollstrukturen und Sprünge .......................... 95
3.6 Blockstruktur, Gültigkeit, Sichtbarkeit ................................ 101
3.7 Funktionen und Operatoren ......................................... 105
3.8 Prozeduren und Aligemeines über Unterprogramme ..................... 113
3.9 Ausnahmebehandlung bei Blöcken und Unterprogrammen ................ 122
3.10 Text-Ein-/Ausgabe ................................................ 131
3.11 Zusammenfassung und Änderungen .................................. 141
Aufgaben zu Kapitel 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143