Programmieren: Variablen, Kontrollstrukturen, Unterprogramme

In einem Programm steht dreimal fast derselbe Abschnitt: einmal für die Deutschnote, einmal für Mathe, einmal für Englisch. Nur die Zahlen unterscheiden sich.

Dann ändert sich der Notenschlüssel. Jetzt muss man drei Stellen ändern, findet zwei davon und übersieht die dritte. Das Programm läuft weiter und rechnet in einem Fach falsch, ohne dass irgendetwas gemeldet wird.

Dagegen gibt es ein Werkzeug, und es ist das wichtigste des ganzen Kapitels: das Unterprogramm. Man schreibt den Ablauf einmal, gibt ihm einen Namen und ruft ihn dreimal auf. Ändert sich der Notenschlüssel, ändert man eine Stelle.

Vorausgesetzt werden Variablen, Wertzuweisung und die drei Grundbausteine aus Klasse 9. Bei Unsicherheit lies Variablen, Datentypen und Wertzuweisung.

Neu ist hier der vierte Baustein, mit dem Programme über zwanzig Zeilen hinaus überhaupt erst beherrschbar werden.

punkteD := 38
prozentD := punkteD / 50 * 100
WENN prozentD >= 87 DANN noteD := 1
SONST WENN prozentD >= 73 DANN noteD := 2
SONST noteD := 3

punkteM := 41
prozentM := punkteM / 50 * 100
WENN prozentM >= 87 DANN noteM := 1
SONST WENN prozentM >= 73 DANN noteM := 2
SONST noteM := 3

Drei Nachteile, die alle drei ins Gewicht fallen:

Änderungsaufwand. Eine neue Grenze bedeutet drei Änderungen. Wer eine übersieht, hat zwei verschiedene Notenschlüssel im selben Programm.

Fehleranfälligkeit. Beim Kopieren vergisst man leicht, alle Variablennamen anzupassen. Steht im zweiten Abschnitt noch $\texttt{prozentD}$, rechnet er mit den Deutschwerten weiter, und zwar völlig geräuschlos.

Unlesbarkeit. Zwanzig Zeilen sagen nur „hier werden Noten berechnet“, und dieser eine Satz geht in den Einzelheiten unter.

Ein Unterprogramm ist ein benannter, abgeschlossener Ablauf, der von außen aufgerufen wird.

UNTERPROGRAMM note(punkte, maximum)
  prozent := punkte / maximum * 100
  WENN prozent >= 87 DANN GIB ZURÜCK 1
  WENN prozent >= 73 DANN GIB ZURÜCK 2
  GIB ZURÜCK 3
ENDE UNTERPROGRAMM

Aufgerufen wird es so:

noteD := note(38, 50)
noteM := note(41, 50)
noteE := note(29, 40)

Aus zwanzig Zeilen sind sechs plus drei geworden, und der Notenschlüssel steht genau einmal da.

Der Name sagt, was das Unterprogramm tut. Er sollte eine Tätigkeit oder das Ergebnis benennen: $\texttt{note}$, $\texttt{istPrim}$, $\texttt{zeichneKreis}$.

Die Parameter sind die Angaben, die es von außen bekommt. Sie stehen in Klammern hinter dem Namen. Beim Aufruf werden sie durch konkrete Werte ersetzt.

🔴 Genau hier liegt der Unterschied zwischen einer Abkürzung und einem Werkzeug: Ohne Parameter könnte $\texttt{note}$ immer nur eine Punktzahl umrechnen. Mit Parametern rechnet dasselbe Unterprogramm jede Punktzahl bei jeder Höchstpunktzahl um. Es löst eine ganze Klasse von Aufgaben, und das ist dieselbe Allgemeingültigkeit, die einen Algorithmus vom Einzelfall unterscheidet.

Der Rückgabewert ist das Ergebnis, das an die Aufrufstelle zurückgegeben wird. Nicht jedes Unterprogramm hat einen: $\texttt{zeichneKreis}$ tut etwas, ohne etwas zurückzugeben.

Eine Variable, die innerhalb eines Unterprogramms angelegt wird, ist lokal: Sie existiert nur während des Aufrufs und ist von außen unsichtbar.

UNTERPROGRAMM note(punkte, maximum)
  prozent := punkte / maximum * 100     // lokal
  ...
ENDE UNTERPROGRAMM

SCHREIBE prozent      // FEHLER: hier gibt es kein prozent

Das wirkt zunächst wie eine Einschränkung und ist in Wirklichkeit der eigentliche Gewinn. Drei Folgen:

Keine Namenskollisionen. Zwei Unterprogramme dürfen beide eine Variable $\texttt{i}$ benutzen, ohne sich zu stören. Ohne lokale Variablen müsste man in einem großen Programm jeden Namen weltweit einmalig vergeben.

Nachvollziehbarkeit. Wer wissen will, warum $\texttt{prozent}$ einen bestimmten Wert hat, muss nur das Unterprogramm lesen, nicht das ganze Programm. Bei einer globalen Variablen kann jede beliebige Stelle sie verändert haben.

Wiederverwendbarkeit. Ein Unterprogramm, das nur über seine Parameter mit der Außenwelt spricht, lässt sich in ein anderes Programm übernehmen, ohne dass man dessen Variablen kennt.

Eine globale Variable ist außerhalb aller Unterprogramme angelegt und überall sichtbar. Sie ist sparsam einzusetzen, denn sie hebt genau diese drei Vorteile auf. Als Faustregel gilt: Was ein Unterprogramm braucht, bekommt es als Parameter, und was es liefert, gibt es zurück.

Nicht jede Zeilenfolge sollte ein Unterprogramm werden. Drei Anhaltspunkte helfen bei der Entscheidung:

Wiederholung. Steht derselbe Ablauf mehr als einmal da, gehört er heraus. Das ist der klarste Fall.

Benennbarkeit. Kann man dem Abschnitt einen kurzen, treffenden Namen geben? Wenn ja, ist er eine eigenständige Aufgabe. Wenn man nur „macht Dinge mit Zahlen“ sagen kann, ist der Schnitt schlecht gewählt.

Eine Aufgabe. Ein Unterprogramm sollte eine Sache tun. Ein Name mit „und“ darin ($\texttt{leseEinUndBerechne}$) ist ein zuverlässiges Zeichen dafür, dass man zwei daraus machen sollte.

Der letzte Punkt hat einen praktischen Grund: Wer später nur einlesen will, ohne zu rechnen, kann ein zusammengeschriebenes Unterprogramm nicht benutzen.

Der eigentliche Gewinn ist nicht die Ersparnis an Zeilen, sondern etwas anderes: Ein Programm mit gut geschnittenen Unterprogrammen lässt sich stückweise verstehen und prüfen.

Man kann $\texttt{note}$ einzeln testen, mit 0 Punkten, mit voller Punktzahl, mit genau 87 Prozent. Ist es richtig, muss man es beim Lesen des Hauptprogramms nicht mehr aufklappen; der Name genügt.

Damit ist das Unterprogramm die praktische Umsetzung der Abstraktion aus dem Modellkapitel: Es verbirgt Einzelheiten, damit man auf der nächsten Ebene arbeiten kann.