Die Grundideen des Programmierens

Ein Computer rechnet schneller als jeder Mensch und wird dabei nie müde, aber er versteht nichts von selbst: Er befolgt Anweisungen, und zwar genau die, die dastehen. Programmieren heißt deshalb, eine Aufgabe so genau zu beschreiben, dass jemand sie erledigen kann, der nicht mitdenkt und nicht nachfragt. Dafür gibt es eine Handvoll Grundideen, die in jeder Programmiersprache wiederkehren. Diese Lektion stellt sie ohne eine Zeile Code vor, mit Bildern aus dem Alltag, und die Lektionen danach zeigen dir, wie jede davon in Python aussieht.

Ein Programm ist ein Rezept

Ein Rezept ist eine Folge von Schritten in einer festen Reihenfolge: erst die Butter schmelzen, dann den Zucker einrühren, dann die Eier. Ein Programm ist genauso aufgebaut, nur dass der Koch ein Computer ist, der jeden Schritt wörtlich nimmt. Steht im Rezept „Butter aufs Brot“, legt er dir das ganze Päckchen darauf; „eine Prise Salz“ ist ihm zu ungenau, und ein vergessener Schritt fällt ihm nicht auf. Eine solche genaue Schrittfolge, die eine Aufgabe sicher löst, nennt man Algorithmus, und ein Programm ist ein Algorithmus, aufgeschrieben in einer Sprache, die der Computer lesen kann.

Daraus folgt die wichtigste Gewohnheit beim Programmieren: Wenn ein Programm etwas anderes macht, als du willst, hat der Computer fast nie einen Fehler gemacht. Er hat ausgeführt, was dasteht, und die Frage ist, was du anders aufschreiben musst.

Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe

Denk an einen Pfandautomaten im Supermarkt. Du steckst Flaschen hinein, das ist die Eingabe. Der Automat erkennt jede Flasche und zählt das Pfand zusammen, das ist die Verarbeitung. Am Ende druckt er einen Bon, das ist die Ausgabe. Fast jedes Programm folgt diesem Muster: Es bekommt etwas, etwa eine Zahl, die du eintippst, oder eine Datei, macht etwas damit und gibt ein Ergebnis zurück, auf dem Bildschirm, in einer Datei oder als Signal an ein Gerät.

Variablen: Behälter mit Aufkleber

Ein Programm muss sich Dinge merken: deinen Namen, einen Zwischenstand, die Anzahl der Flaschen. Dafür gibt es Variablen. Stell dir eine Variable als Behälter vor, auf dem ein Aufkleber mit einem Namen klebt. Im Behälter liegt ein Wert, und über den Namen auf dem Aufkleber findet das Programm ihn wieder, wann immer es ihn braucht.

Zu diesem Bild gehören drei Dinge. Ein Behälter enthält immer genau einen Wert: Legst du einen neuen hinein, ist der alte weg, ohne dass er irgendwo aufgehoben wird. Der neue Wert darf aus dem alten berechnet werden: Die Variable punkte funktioniert wie die Anzeigetafel im Stadion, die bei jedem Tor nachsieht, was sie gerade zeigt, und eins mehr anschreibt. Und der Name auf dem Aufkleber ist für Menschen gedacht: Dem Computer ist es gleich, ob ein Behälter alter oder x heißt, aber wer dein Programm liest, auch du selbst in drei Wochen, versteht alter sofort.

Was in einem Behälter liegt, kann von verschiedener Art sein: eine Zahl, ein Text oder eine Antwort wie ja oder nein. Die Art entscheidet, was man mit dem Wert anfangen kann. Zwei Zahlen kann man addieren, zwei Texte kann man nur aneinanderhängen, so wie man Mehl abwiegen, aber nicht zählen kann, während man Eier zählt.

Listen: ein Zug mit nummerierten Wagen

Manchmal ist es nicht ein Wert, sondern eine ganze Reihe: alle Einkäufe, alle Messwerte eines Tages, alle Namen einer Gruppe. Dafür gibt es Listen. Eine Liste ist wie ein Zug: Jeder Wagen trägt einen Wert, die Wagen stehen in fester Reihenfolge und sind durchnummeriert, und man kann hinten einen anhängen oder einen abkoppeln. Über die Nummer kommst du an einen bestimmten Wagen. Viele Sprachen, auch Python, fangen dabei mit 0 an zu zählen, so dass der erste Wagen die Nummer 0 trägt.

Verzweigungen: der Türsteher

Ein Programm muss oft entscheiden, was als Nächstes geschieht. Denk an einen Türsteher vor einem Club: Er stellt bei jedem Gast dieselbe Frage, nämlich ob er mindestens 18 ist, und je nach Antwort lässt er ihn hinein oder schickt ihn nach Hause. Eine solche Verzweigung besteht immer aus einer Frage, die sich mit ja oder nein beantworten lässt, der Bedingung, und aus zwei Wegen, von denen genau einer gegangen wird.

Im Alltag triffst du solche Entscheidungen ständig, ohne darüber nachzudenken: Wenn es regnet, nimmst du den Schirm mit, sonst die Sonnenbrille. Im Programm musst du sie ausdrücklich hinschreiben, und auch den zweiten Weg, denn wer ihn vergisst, hat ein Programm, das bei Sonnenschein einfach nichts macht. Gibt es mehr als zwei Möglichkeiten, reiht man mehrere Fragen hintereinander, so wie eine Ampel erst fragt, ob sie rot zeigt, dann, ob gelb, und sonst grün.

Schleifen: dasselbe noch einmal

Viele Aufgaben bestehen darin, denselben Schritt immer wieder zu machen. Für einen Salat schälst du jede Zwiebel im Netz, eine nach der anderen, und hörst auf, wenn das Netz leer ist. Eine Schleife schreibt einen solchen Schritt nur einmal auf und sagt dazu, wie oft oder wie lange er wiederholt wird.

Es gibt zwei Arten, eine Schleife zu beenden. Die erste ist die aus dem Bild: für jedes Stück einer Liste einmal, also so oft, wie die Liste lang ist. Die zweite läuft, solange eine Bedingung gilt, wie beim Rühren eines Teigs, das erst aufhört, wenn keine Klümpchen mehr da sind; wie viele Runden das dauert, weiß vorher niemand.

Bei der zweiten Art lauert eine Falle, die schon auf mancher Shampooflasche steht: „Auftragen, ausspülen, wiederholen.“ Wer das wörtlich nimmt, steht bis in alle Ewigkeit unter der Dusche, weil nirgends steht, wann Schluss ist. Eine Schleife, deren Bedingung nie falsch wird, heißt Endlosschleife, und sie ist einer der häufigsten Fehler am Anfang.

Funktionen: die Kaffeemaschine

Eine Kaffeemaschine kann einen Cappuccino machen, und du musst dafür nicht wissen, wie heiß das Wasser sein muss oder wie lange die Milch schäumt. Du drückst eine Taste, sagst vielleicht noch, ob die Tasse groß oder klein sein soll, und bekommst einen Cappuccino. Eine Funktion ist so eine Maschine im Programm: eine Folge von Schritten, die einen Namen bekommt, etwa make_cappuccino, damit man sie mit einem Wort aufrufen kann, statt die Schritte jedes Mal neu hinzuschreiben.

Was du der Funktion beim Aufruf mitgibst, heißt Parameter, und was sie dir zurückgibt, Rückgabewert. Eine Funktion ist also ein kleines Programm mit eigener Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe. Das hat zwei Vorteile: Du schreibst die Schritte nur einmal auf und kannst sie beliebig oft benutzen, und wer die Funktion benutzt, muss ihr Inneres nicht kennen, genau wie bei der Kaffeemaschine. Mit Funktionen zerlegst du außerdem eine große Aufgabe in kleine, die du einzeln lösen und prüfen kannst; wie man dabei vorgeht, zeigt Probleme zerlegen.

Wenn es nicht klappt

Kein Programm läuft beim ersten Versuch. Fehler zu finden, auf Englisch Debugging, ist deshalb kein Zeichen, dass du etwas falsch machst, sondern der größte Teil der Arbeit. Man geht dabei vor wie bei einem Kuchen, der nicht aufgegangen ist: nicht alles neu backen, sondern Schritt für Schritt prüfen, wo das Ergebnis zum ersten Mal anders ist als erwartet. Damit das leichter fällt, schreibt man Kommentare in den Code, Notizen für Menschen, die der Computer überspringt, so wie die Bleistiftnotiz am Rand eines Rezepts.

Wie es weitergeht

Behalte die Bilder im Kopf, wenn du gleich mit Python anfängst. Die Sprache ist neu, aber die Ideen dahinter kennst du jetzt.