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Einführung in die Programmierung

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Präsentation zum Thema: "Einführung in die Programmierung"—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Programmierung
Basiert auf dem Bioinformatik-Vorlesung der TU-Braunschweig Institute für Genetik, Mikrobiologie und Software

2 Gliederung Rechneraufbau Algorithmen Programmiersprachen
Programmiersprache Perl Operatoren Variablen/Funktionen

3 Vorwort Ziel: Literatur:
Verständnis des Funktionsprinzips von Software Ausführen von Perl-Programmen Lesen, Verstehen von Perl-Programmen Umsetzung einfacher Perl-Programme Literatur: James D. Tisdall: Einführung in Perl für Bioinformatik Tom Christiansen, Nathan Torkington: Perl Kochbuch

4 Rechneraufbau

5 Quelle: Oliver Haase – Uni Konstanz

6 Quelle: Oliver Haase – Uni Konstanz

7 Quelle: Oliver Haase – Uni Konstanz

8 Quelle: Oliver Haase – Uni Konstanz

9 Steuerung eines Rechners
Software: nichtphysische Funktionsbestandteile Systemsoftware: Ablaufsteuerung der Hardware z. B. Betriebssysteme, Treiber, Interpreter Anwendungssoftware: Lösung von Problemen, die nicht ursächlich mit Rechnern zu tun haben z. B. Textverarbeitungsprogramme, Datenbanken, Web-Browser, Bioinformatiksoftware Softwarewerkzeuge: Erstellung von System- und Anwendungsprogrammen Daten z. B. Textdatei, Bild, AA-Sequenz

10 Algorithmen

11 Algorithmen Ein Algorithmus ist eine Berechnungsvorschrift
Die Berechnungen sind aus elementaren Operationen aufgebaut und besitzen Aus- und evtl. Eingabewerte Algorithmen sollen in der Regel terminieren Ausnahmen: z. B. Betriebssysteme oder sogenannte reaktive Systeme. Determiniert: bei gleichen Eingabedaten stets gleichen Ausgabedaten

12 Beispiel Algorithmus Kochrezept Plätzchen (Eingabe/Ausgabe)
Eingabedaten 200g Mehl 100g Butter 100g Zucker 1 Priese Salz 1 Ei Ausgabe Plätzchen

13 Beispiel Algorithmus Kochrezept Plätzchen (Ausführungsvorschrift)
Mehl auf Arbeitsplatte sieben Magarine in Flöckchen auf dem Rand verteilen Zucker und Salz darauf steuen Verrühertes Ei in Vertiefung giessen Verkneten 30 min kalt stellen Ausrollen, Ausstechen 20 min Backen

14 Programm Formulierung eines Algorithmus und seiner Datenbereiche in einer Programmiersprache Eine Programmiersprache erlaubt es, Algorithmen präzise zu beschreiben Festlegung elementarer Operationen Die grundlegenden Aspekte der Algorithmenentwicklung sind: Lösbarkeit: Gibt es zu meinem Problem einen Algorithmus? Korrektheit: Löst mein Algorithmus mein Problem? Komplexität: Welcher Aufwand (z. B. Rechenzeit, Speicherplatz)

15 Programmiersprachen

16 Programmiersprachen Einteilung u.a. nach Abstraktion von der Hardware
Maschinensprache: Satz von Zahlencodes (Operation Codes, kurz OpCodes), für CPU-Typen Assemblersprachen: Darstellung der Zahlencodes der Maschinensprache durch Buchstabenfolgen. Besser lesbar, aber für die CPU nicht mehr verständlich. Der Quellcode eines in einer Assemblersprache geschriebenen Programms muss von einem „Assembler“ in die jeweilige Maschinensprache übersetzt werden.

17 Höhere Programmiersprachen
Starke Abstraktion von Hardware/Hardwareunabhängigkeit Übersetzung vor Ausführung in Maschinencode: Das Übersetzer-Programm heißt hier Compiler Ausführbare/Übersetzte Programme (binaries) nicht plattformunabhängig Beispiele: C, JAVA Übersetzung während Ausführung: Spezielles Programm (Interpreter) übersetzt während der Programmausführung (zur Laufzeit) Schritt für Schritt etwas langsamere Ausführung Programme sind plattformunabhängig, Beispiele: Basic, Perl, UNIX/Windows-Shell-Scripte

18 Virtuelle Maschinen Mischformen: Beispiele: Java, Perl, ...
Erst übersetzt ein Compiler den Quellcode in einen kompakteren, Plattform unabhängigen Maschinencode Ausführung durch plattformspezischen Interpreter Beispiele: Java, Perl, ...

19 Programmiersprache Perl

20 Der Programminterpreter Perl
Perl (Practical Extraction and Report Language) 1987 von Larry Wall Weite Verbreitung in der Bioinformatik: Frei verfügbar und läuft auf allen Betriebssystemen Mächtige Textanalyse- und Manipulationsfähigkeiten direkt eingebaut; gut geeignet zum Extrahieren und Aufbereiten von Informationen aus strukturierten Textdateien (siehe Vorlesungsteil Datenbanken in der Bioinformatik) praktisch alle Bioinformatikdaten (Sequenzen, Strukturen, Expressionsprofile, biomolekulare Netzwerke...) in Form von Textdateien Zahlreiche Bibliotheken mit vorprogrammiertem Perl- Code (z. B. BioPerl)

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22 Perl-Einführungsbeispiel
Einführungsbeispiel print "Hello World!\n"; print "How are you\n"; print "I am fine!\n" Ausführung: perl hello.pl Ausgabe: Hello World! How are you

23 Literale Datentyp Literale: Basisdatentypen
Stehen für verschiedene Arten von Daten stehen können: 2 2.7 -10 "A " "ACGGGAGGACGGGAAAATTACTACGGCAATTAGC„ "2.7" Numerische Daten (Zahlenwerte): Angabe von Ziffern Einzelne Zeichen und Zeichenketten (Strings): in Anführungszeichen gesetzt Ausgabe am Bildschirm über die print-Anweisung am Bildschirm ausgegeben werden: print 2.7; print: auch mehrere durch Kommata getrennte Elemente auszugeben: print „Kreiskonstante PI: ", 3.141, "\n";

24 Operatoren

25 Operatoren Auf den Literalen definierte Funktionen
Numerische Operatoren: print , "\n"; # Addition print , "\n"; # Subtraktion print 3 * 2 , "\n"; # Multiplikation print 3 / 2 , "\n"; # Division print 3 ** 2 , "\n"; # Potenzierung print 16 % 7 , "\n" # Ganzzahliger Rest Ausgabe: 5 1 6 1.5 9 2

26 Zeichenketten Operatoren
Verkettung von Strings mittels Punkt-Operator: print "Hell" . "o world!" . "\n"; Ausgabe: Hello world! Kombination von Operatoren: Addition und Konkatenation print "17" + "4" , "\n"; print "17" . "4" , "\n"; 21 174 String-Operator ix: hintereinander hängen von Strings: print "Bioinformatik", " Hurra" x 2, "\n"; Bioinformatik Hurra Hurra

27 Variablen/Funktionen

28 Variablen Wiederverwendung und Speicherung von Daten
Veränderlicher „Platzhalter“ für Literale Beispiel DNA speichern und ausgeben: $DNA = "ACGGGAGGACGGGAAAATTACTACGGCATT"; print $DNA; Reserviert Platz im Arbeitsspeicher um: mit Daten zu füllen später wieder auszulesen Variablen werden durch $ gefolgt von eindeutige Namen identifiziert Literalzuweisungs-Operators = $Variablenname = 3.141; Kombination mit Operatoren: $x = $x + 1

29 Funktionen Rechenvorschrift, die einem oder mehreren Literalen ein Ergebnisliteral zuordnenunter Numerische Funktionen am Beispiel: print "Die Wurzel aus 64 ist ", sqrt (8**2), ".\n"; print "Der Kosinus von 0 Grad ist ", cos(0), ".\n"; print "Der ganzzahlige Wert von ist ", int( 3.141), ".\n"; Ausgabe: Die Wurzel aus 64 ist 8. Der Kosinus von 0 Grad ist 1. Der ganzzahlige Wert von ist 3.

30 Zeichenkettenfunktionen
Gross- und Kleinbuchstaben print uc ("Dies ist gross geschrieben.\n"); Ausgabe: DIES IST GROSS GESCHRIEBEN. Länge einer Zeichenkette ermitteln, z. B.: print length("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"), "\n"; 26 Teilstringextraktion: $alphabet = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"; print substr ($alphabet, 0, 3)."\n"; abc Veränderung eines Teile einer Zeichenkette $text = "Hamoglobin"; substr($text, 1, 1) = "ae"; Ergebnis: $text zu Haemoglobin ändern.

31 Benutzereingaben Interaktion mit dem Programm
Operator <> zur Eingabe externer Daten Tastatur: <STDIN> print "Bitte eine Zeichenkette eingeben: "; $string1 = <STDIN>; print $string1; Datei: open (SEQUENZ, "data/ecoli.seq"); $zeile=<SEQUENZ>; print $zeile; close(SEQUENZ);

32 Einführung in die Programmierung - Teil II
Basiert auf dem Bioinformatik-Vorlesung der TU-Braunschweig Institute für Genetik, Mikrobiologie und Software

33 Gliederung Programmfluss Konditionalanweisung Schleifen Praxis

34 Programmfluss

35 Flusskontrolle Programm: feste Abarbeitungsreihenfolge von Anweisungen
Beispiel: Auswertung einer Nutzereingabe $x = 1; print $x,“ ist gerade\n“ $x = <STDIN>; print $x,“ ist gerade\n“; print $x,“ ist ungerade\n“; Problem: keine dynamische Auswahl der auszuführenden Anweisung möglich Beispiel: Berechnung des Logarithmus von 256 zur Basis 2 $x = 256; $x = $x/2; print „“1. Division:“, $x; print „“\n2. Division:“, $x; . . . print „“\n8. Division:“, $x; Problem: Keine dynamische Anzahl von Wiederholung gleicher Anweisungen

36 Flusskontrolle Möglichkeiten zur Steuerung
Konditionalanweisung (Bedingungsanweisung, Conditions Statements) Schleifen (loops) Konditionalanweisung: Bedingte Ausführung von Anweisungen Schleife: Wiederholung einer Gruppe von Anweisungen bis Bedingung fehlschlägt

37 Konditionalanweisung
Beispiel benötigte Konditionalanweisung: print ”Bitte 1. Zahl eingeben”; $x = <STDIN>; print ”Bitte 2. Zahl eingeben”; $z = <STDIN>; Print “x dividiert durch z ergibt; “, x/y; Falls Divisor 0 Warnmeldung Je nach Benutzereingabe verschiedene Programmanweisungen nötig Bedingte Ausführung verschiedene Programmabschnitte: bedingten Verzweigungen im Kontrollfluss

38 Bedingungsprüfung mit IF-Anweisung
Wichtigste Eigenschaft von Konditionalanweisungen: Testen einer Bedingung Überprüfung der Bedingung ergibt: entweder Wahr (true) oder Falsch (false) Wert Bedingung erfüllt (Wahr): nachfolgende Anweisungen werden ausgeführt Beispiel: Getestete Bedingung ist wahr $x=1; if($x==1) { print "x ist gleich 1\n"; }

39 Bedingungsprüfung mit IF-Anweisung
Beispiel: Getestete Bedingung ist falsch $x=1; if($x==0) { print "x ist gleich 0\n"; } Der Test lautet 1 == 0 oder „Ist 1 gleich 0?“ Nicht wahr: Anweisungen werden nicht ausgeführt

40 Vergleichsoperationen
Numerische Vergleiche: == ist gleich < kleiner als > größer als <= kleiner oder gleich >= größer oder gleich != ungleich

41 Vergleichsoperationen
Vergleiche von Zeichenketten ($string1 eq $string2) Gleichheit (equal) ($string1 ne $string2) Ungleichheit (not equal) ($string1 gt $string2) grösser (greater than) ($string1 ge $string2) grösser oder gleich (greater or equal) ($string1 lt $string2) kleiner als (less than) ($string1 le $string2) kleiner oder gleich (less or equal) lexikalische Ordnung: "drei“ gt "zwölf" ist erfüllt

42 IF-ELSE Anweisung else-Anweisung: Beispiel: if-else ist wahr
Ausführung bei nicht erfolgreicher Bedingungsprüfung Beispiel: if-else ist wahr $x=1; if ($x==1) { print "x ist gleich 1\n"; }else { print "x ist nicht gleich 1\n"; } Beispiel: if-else ist falsch $x=7; if ($x==0) { print "x ist gleich 0\n"; print "x ist nicht gleich 0\n";

43 unless Anweisung unless-Anweisung („nur wenn nicht“)
verneinte if-Anweisung: if (not <Bedingung>) unless (<Bedingung>) Beispiel: unless $x=1; unless ($x==0) { print "x ist nicht gleich 0\n"; }

44 Verschachtelte IF-Aneisung
verschachtelte if-Anweisung $x=3; if ($x>1) { print "x ist größer als 1\n"; if ($x<10) print "x ist kleiner als 10\n"; }else { print "x ist kleiner als 1\n"; } Schwierige Lesbarkeit: Welcher Anweisungsblock bzw. Welche else- Anweisung gehört zu welchem if-Anweisung Lösung: gute Perl Programmierumgebung

45 Schleifen Lösung zahlreiche Problemstellungen durch einen iterativen Algorithmus: Annährung an die Lösung durch schrittweise Wiederholung Jeder neue Berechnung nutzt Ergebnis der vorherigen Berechnung Beispiele: Zählen von Zeichen in einer Zeichenkette: $anzahl = $anzahl +1 Aufsummieren: $summe=$summe+$wert Potenzieren: $potenz=$potenz*$basis Beispiel 23 : $basis=2; $potenz = basis; $potenz = $potenz*$basis; 4 $potenz = $potenz*$basis; 8

46 Schleifen Schleife: wiederholte Ausführung eines Anweisungsblocks
Begrenzt durch geschweiften Klammern: { Anweisung1; Anweisung2; } Programmiererer muss nicht wissen, wie oft der Anweissungsblock durchgeführt werden muss Perl kennt verschiedene Arten von Schleifen: while, until-, for-, foreach und noch mehr

47 while-Schleife Anweisung while: Beispiel: while-Schleife Ausgabe :
Wiederhole solange Bedingung erfüllt Beispiel: while-Schleife $sequence = "GGGCGGCTTCGAGTGTCGTCGAAGTGA"; $position=0; while( substr($sequence,$position,1) ne "A") { $position=$position+1; } print "Erstes A an Position ",$position+1,"\n"; Ausgabe : Erstes A an Position 12

48 for-Schleife Komplexe Anweisung for: Beispiel: for-Schleife Ausgabe :
Zählvariable, Abbruchbedingung, Zählanweisung Beispiel: for-Schleife for ($i=0; $i<100; $i = $i +1){ print "\n $i"; } Ausgabe : 99 Weitere Anweisungen zur Kontrolle einer Schleife last: Abbruch der Schleife next: Abbruch des aktuellen Schleifendurchlaufs

49 PRAXIS - Installation, Ausführung, Beispiele (Übung!)

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