Kategorien von Modulen

Marcel Lüthi
Departement Mathematik und Informatik

Textuelle Modulbeschreibung


                            module X
                                uses Y, Z;
                            exports 
                                var A: INTEGER;
                                type B: array (1..10) of REAL;
                                procedure C(D: in out B; E: in INTEGER; F: in REAL);
                                function F(G : INTEGER) : INTEGER
                            implementation 
                                is composed of R, T
                            end X

Syntax soll keiner realen Programmiersprache entsprechen
Lässt uns idealisierte Konzepte ausdrücken

Damit wir präzise formulieren können was wir meinen, müssen wir eine Sprache finden, in der wir die Module beschreiben. Es wäre naheliegend, dafür direkt eine Programmiersprache zu verwenden. Wir wollen hier jedoch eine Formulierung wählen, die unabhängig von der Programmiersprache ist. Eine Programmiersprache macht immer kompromisse, weil sie zum beispiel für eine bestimmte Zielgruppe bestimmt ist, weil die umsetzung technisch schwierig ist, oder einfach weil es dem Zeitgeist entspricht. Unsere Textuelle Modulbeschreibung ist eine idealisierte Sprache, die uns auch Konzepte ausdrücken lässt, die in keiner Programmiersprache direkt so umgesetzt sind. Wir sehen hier eine Beispieldefinition von einem Modul X. Wir können via die uses Klausel direkt ausdrücken, dass es die Module Y und Z verwendet. Das Modul exportiert auch Funktionalität und Symbole. Beispielsweise den Integer A, eine Typdefinition B, eine Prozedur C und eine Funktion F. In unserer Sprache unterscheiden wir übrigens zwischen Prozedur und Funktion. Eine Prozedur ist etwas, was einen Seiteneffekt hat, also entweder Argumente oder im Modul definierte Variablen verändert. Eine Funktion entspricht einer mathematischen Funktion, die keine Seiteneffekte haben kann. Das heisst wenn ich zweimal dieselbe Funktion mit denselben Argumenten aufrufe, gibt mir die Funktion immer dasselbe Resultat zurück. Die Prozedur hingegen, kann jedesmal zu einem anderen Ergebenis führen. Diese Unterscheidung wurde früher in vielen Programmiersprachen gemacht und macht die definition klarer. Leider ist es heute aus den Mainstream sprachen wie Java oder Python verschwunden. Schlussendlich sehen wir noch, das das Modul X selbst aus zwei weiteren Modulen, nämlich R und T besteht.

Modul Spezifikation - Beispiel


                    module X
                        uses Y, Z;
                    exports 
                        var A: INTEGER;
                        type B: array (1..10) of REAL;
                        procedure C(D: in out B; E: in INTEGER; F: in REAL);
                    implementation
                        is composed of R, T
                    end X

Modul Spezifikation - Beispiel


                        module R
                            uses Y;
                        exports 
                            var A: INTEGER;
                            type B: array (1..10) of REAL;
                        implementation
                            ...
                        end R

Modul Spezifikation - Beispiel


                        module T
                        uses Y, Z, R;
                        exports 
                            procedure C(D: in out B; E: in INTEGER; F: in REAL);
                        implementation
                            ...
                        end T

Beispielmodul: Prozedur/Funktion

Kapselung eines einzelnen Algorithmus


                   function sort (a: array of REAL) : array of REAL

Beispielmodul: Funktionsbibliothek

Kapselung einer Klasse von Algorithmen


                        module MathLib
                        exports 
                            function square(value : REAL) : REAL;
                            function squareRoot(value : Real) : REAL;
                            ...
                           implementation
                            ...
                            function newtonsMethod(value : REAL) : REAL                            
             
                        end MathLib

Beispielmodul: Datenpool

Teilen von gmeinsam genutzten Daten


                    module Datapool
                        exports 
                            var maxNumberOfUsers : INTEGER;
                            var maxItemsPerUser : INTEGER;
                            ...
                            
                    end Datapool

Typische Anwendung: Konfigurationseinstellungen

Sollte in Praxis nicht verwendet werden!

Datenzugriff muss gekapselt sein.

Beispielmodul: Objekt


                module Stack
                    exports 
                        procedure push(VAL : in INTEGER);
                        procedure pop(VAL : out INTEGER);
                        ...
                        
                    implementation
                        var STACK : array of INTEGER;
                        var STACKPOINTER : INTEGER;
                end Stack

Entspricht einem (singleton) Objekt in objektorientierten Programmiersprachen

Achtung: Objekt != Klasse

Beispielmodul: Abstrakter Datentyp


                    module STACK_ADT                       
                        exports 
                            type STACK = ? // typ implementation ist abstrakt

                            procedure push(S : in out STACK ; VAL: in INTEGER);
                            procedure pop(S : in out STACK; VAL: out INTEGER);
                            function empty (S: in STACK) : BOOLEAN;
                            ...                             
                        implementation
                    end STACK_ADT
                    function create() : STACK

Beschreibt Eigenschaften von Datenstruktur via Funktionen / Prozeduren

Datenrepräsentation ist abstrakt
Datenstruktur wird gekapselt

Abstrakte Datentypen

Erlaubt Erweiterung der Sprache durch eigene Abstraktionen
Objekt kann aus ADT mit Konstruktor funktion gebaut werden


                    function create() : STACK

Liskov, B., & Zilles, S. (1974, March).
Programming with abstract data types.

Die Abstrakten Datentypen wurden 1974 von Barbara Liskov eingeführt. Sie wurden unter anderem dazu entwickelt, damit der Benutzer die möglichkeit hat, eigene Abstraktionen zur Programmiersprache hinzuzufügen. So muss Beispielsweise der Type Stack hier nicht von der Programmiersprache angeboten werden, sondern kann als Modul hinzugefügt werden. Um Praktisch mit den Abstrakten Datentypen zu arbeiten, braucht es aber nicht nur die Definition, sondern auch eine Möglichkeit einen solchen Datentypen überhaupt zu bauen. Man muss also noch einen Konstruktor, hier als Fukntion Create, definieren. Dieser Konstruktor kreiert dann ein Objekt, aus dem abstrakten Datentyp. Wir sehen schon hier, den engen Zusammenhang zwischen Abstrakten Datentypen und Objektorientierter Programmierung. Wir werden diesen Zusammenhang im nächsten Artikel noch genauer anschauen.

Generische Module

                              
                        module GENERIC_STACK(T)
                        exports 
                            procedure push(VAL : in T);
                            procedure pop(VAL : out T);
                            ...
                            
                        implementation
                            var STACK : array of T;
                            var STACKPOINTER : INTEGER;
                        end GENERIC_STACK

 
                            module INTEGER_STACK is GENERIC_STACK(INTEGER);

Anwendung des Prinzips Abstraktion

Details vom Typ T werden abstrahiert

Nun führen wir noch eine letzte Erweiterung ein. Im Vorigen Stack ADT konnten wir nur INTs speichern. Um einen Stack von Strings zu reprasentieren musste man einen neuen ADT definieren. Mit generischen Modulen können wir nur auch noch über diesen Datentypen abstrahieren. Wir sagen nicht mehr welche Typen von Werten gespeichert werden können, sondern sagen nur noch, dass der Step Werte vom Type T speichern kann. Wir erhalten erst ein Konkretes Modul, indem ich den generellen Typ T mit einem konkreten Type, hier zum Beispiel Integer, identifiziere. Wir haben gesehen, wie wir uns von sehr konkreten Beispiele von Modulen zu immeren Abstrakteren Modulkonzepten hinbewegt haben. Durch die Abstraktion haben wir bei der Implementation immer weniger konkrete Details zur Verfügung. Dadurch, dass wir nicht auf implementationsdetails von den Modulen zugreifen können, stellen wir sicher, dass die Module maximal entkoppelt sind, und dass wir ein wirklich modulares Design erreichen.

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Modul Spezifikation - Beispiel

Modul Spezifikation - Beispiel

Modul Spezifikation - Beispiel

Beispielmodul: Prozedur/Funktion

Beispielmodul: Funktionsbibliothek

Beispielmodul: Datenpool

Beispielmodul: Objekt

Beispielmodul: Abstrakter Datentyp

Abstrakte Datentypen

Generische Module

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