Aleph (Programmiersprache)

Aleph ist eine objektorientierte, funktionale Programmiersprache. Sie stellt die herkömmliche Programmierung auf eine breitere Basis. So ist interaktive Entwicklung und Kompilierung vereint. Die Arbeit mit Aleph ist am Problem orientiert und erlaubt so den gemischten Einsatz grundlegender Techniken von Lisp, Forth und Java.

Auf Initiative des Vereins e-Vocation e. V. wurde Aleph 2005 begonnen. Mittlerweile haben sich Dialekte entwickelt, von denen Pagkalos (griech.: das Schöne) am weitesten fortgeschritten ist.

Entstehungsgeschichte

Aleph ist die Weiterführung eines evolutionären Prozesses. Dessen Grundlagen wurden 1969 von Charles Moore mit der Sprache Forth gelegt. Zum ersten Mal wurde eine Programmiersprache für eine rein virtuelle Maschine definiert. Alle Daten werden über einen Stack bearbeitet. Dadurch nähert sich eine Forth-Maschine dem Ideal Turingmaschine sehr viel mehr als herkömmliche Maschinen.

Durch die rasant fortschreitende Entwicklung neuer Prozessoren und des verfügbaren Speicherplatzes wurde der Einsatz von Parser- und Compilergenerator möglich. Sprachen wie Pascal, C, C++ usw. konnten nun einfach für den vorhandenen Prozessor erzeugt werden. Diese herkömmlichen Sprachen unterstützen die gängige Schreibweise bei einfachen Berechnungen. Forth galt nun als zu unleserlich und geriet ins Hintertreffen.

Beschleunigt durch sinkende Preise für Hardware und die immer höher werdenden Anforderungen an Software, wurden herkömmliche Sprachen immer komplizierter. Mehr und mehr syntaktische Elemente wurden erdacht. Die Einführung der komplexen Datentypen verlangte strenge Prüfungen. Die Entwicklung gipfelte in der objektorientierten Programmierung. Wie sich Aleph und Pagkalos aus den verzweigten Verwandtschaften der Programmiersprachen entwickelt haben, zeigt folgende Übersicht:

Java und Forth benutzen indirekt die physische Maschine. Entweder über C/C++ oder direkt über den Assembler. Es sind stets physikalische Adressen zu beachten. Aleph hat eine virtuelle Maschine aus reinem Java-Code. Deshalb sind physikalische Gegebenheiten zwar vorhanden, aber nicht nutzbar. Nicht einmal indirekt kann Aleph eine bestimmte Adresse ansprechen; stets ist Java davor und verbietet den physischen Kontakt.

Namensgebung

Der Name Aleph leitet sich aus den Fähigkeiten der Sprache ab. Aleph macht jedes erreichbare Java-Element sofort und ohne Kompilierung verfügbar. Weil Java auch als die Sprache des Internets bezeichnet wird, gibt es eine nicht zu überblickende Menge von Java-Programmen im Netz. So umfangreiche Mengen werden oft als unendlich bezeichnet. So falsch diese Ansicht in mathematischer Hinsicht ist, so zutreffend ist sie für den Namen. Mit ℵ₀ „Aleph-0“ bezeichnete Georg Cantor die erste Stufe der Hierarchie von Unendlichkeiten. Es ist die Kardinalzahl oder Mächtigkeit aller unendlichen aber abzählbaren Mengen. Zu Cantors Ehren und weil Aleph ebenfalls mit großen Mengen arbeiten kann trägt sie diesen Namen.

Das Sprachkonzept

Für Aleph gibt es sowohl einen Compiler als auch einen Interpreter.

Das Sprachkonzept von Aleph ist näher an dem einer natürlichen Sprache als einer Programmiersprache. Damit könnte Aleph als nicht kontextfrei angesehen werden. Tatsächlich ist Aleph kontextfrei wenn es verlangt wird. Auch diese Fähigkeit teilt Aleph mit Forth.

Diese Erweiterung ergibt sich aus der nicht vorhandenen Grammatik. Es gibt nicht einmal eine Syntax im eigentlichen Sinne. Die Regeln werden durch die Programmierung selbst festgelegt. Das macht Aleph zu einer wirklich objektorientierten Sprache.

Objektorientiert und funktional

Die Grundlage der objektorientierten Programmierung ist die Trennung von Daten und Programm. Eine Forderung, die zu einem Dilemma führt. Selbst Java kann diese Trennung nicht vollständig gewährleisten, denn wie sollte dann ein Programm eine Klasse laden und dann die (statischen) Methoden benutzen? Ist die Klasse ein Datum, darf es keine lauffähigen Sequenzen enthalten; es fand keine Trennung von Daten (Klasse) und Programm (Methode) statt.

Nicht konsequent ist dieser Zustand aus der Sicht von Aleph. Hier gibt es in den Programmen überhaupt keine Daten. Es gibt nur funktionale Objekte. Die minimale Funktion eines solchen Objekts ist die Bereitstellung eines Wertes als Argument für die Bearbeitung. Das bearbeitende Objekt kann den Wert wieder nur als funktionales Objekt benutzen. Der einzige Ort an dem Daten (Werte) existieren ist der Stack. Programme erhalten vom Stack die Elemente aber stets in Objekte verpackt. Es ist das Erbe von Lisp, das Aleph hier antritt.

Notation

Die natürliche Notation ist die aller Stackmaschinen – postfix. Diese Form gilt als schwierig zu lesen, und daher ist die Pflege derartiger Anwendungen aufwendig. Die Notation herkömmlicher Programmiersprachen ist prefix, in der Form y = sin(x), nur wenige Zeilen enthalten infix-Ausdrücke.

Aleph gestattet auch die Verwendung der prefix-Notation. Der polnische Mathematiker Jan Łukasiewicz erdachte die unterschiedlichen Notationen. Ihm ist die Erkenntnis zu verdanken, dass die Notationen

1. /(sin(x) cos(y))
2. sin(x)/cos(y)
3. y cos x sin /

gleichbedeutend sind. Die Klammerung von Termen ist bei der postfix-Notation nicht mehr erforderlich. Die Übersetzung eines prefix-Ausdrucks (1.) in einen postfix-Ausdruck (3.) besteht einfach darin, den ersten Ausdruck umzudrehen und die Klammern wegzulassen.

Programmbeispiele

Es ist immer schwierig, in einem kurzen Artikel sinnvolle Beispiele für Programme anzuführen. Deshalb ist hier kein Hallo-Welt-Programm vorhanden, sondern es wird ein Vergleich vorgenommen.

Fakultät berechnen

Die Berechnung von „5 Fakultät“, oder 5! erfolgt über 5 × 4 × 3 × 2 × 1. Allgemein ist der Algorithmus für n!:

$n\in \mathbb {N} ;\;n!=\mathrm {fak} (n)=1\cdot 2\cdot 3\cdot \ldots \cdot \left(n-1\right)\cdot n$

$0!\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ 1$

Die Umsetzung in klassische Programmiersprachen ist mit

int fak(int n) {
    if (n == 0)
        return 1;
    else
        return n * fak(n - 1);
}

schnell gemacht.

Aleph hat zwar Variablen, jedoch sind sie viel weiter gefasst als solche in herkömmlichen Programmiersprachen. Das Konzept von Aleph basiert auf der Vermeidung von Variablen. Die Umsetzung in Aleph kann auch mit Variablen erfolgen. Weil keine Argumentlisten existieren, muss eine Variable lokal deklariert werden. Das ist in Aleph nur indirekt möglich und führt zu folgendem Quelltext:

: fak
   "x" variable "x" is            // Variable "lokal" deklarieren
   "x" find if execute endif
   0 =
   if   1
   else "x" find if execute endif // Variable suchen "ausführen"
        1 - fak
        "x" find if execute endif
        *
   endif
   "x" find if forget endif       // Variable "vergessen"
  ;

Aleph-Variablen können auch ganze Programme „enthalten“. Sie können Werte enthalten, aber auch den gesamten kompilierten Code, der den Wert liefert. Deshalb muss in diesem Beispiel die Variable ausgeführt werden.

Der Weg über Variablen führt bei diesem Ansatz zu unübersichtlichem Code. Aleph kann ohne Variablen seine Stärken besser ausspielen:

: fak
   dup 0 =
   if   drop 1
   else dup  1 - fak *
   endif
  ;

Ein Test mit

5 (long) fak .

ergibt denn auch das Ergebnis 120. Das Casting mit (long) ist erforderlich, weil Aleph stets den kleinstmächtigen Datentyp der untergeordneten Maschine (Java) wählt. Bei 5 ist das eben „byte“ und nicht „long“. Einfacher wäre

5.0 fak .

Das würde zwar dem Ansatz widersprechen (natürliche Zahlen), aber Aleph behandelt unterschiedliche Datentypen solange es möglich ist automatisch.

Schleifen

Aleph behandelt seine Commands wortgetreu. Deshalb gibt es keine „while“-, „for“- oder „do … while“-Konstruktionen. Sie können natürlich definiert werden, aber Grundlage ist der „loop“. Verlassen wird eine Schleife mit dem Command „leave“. Ist die Bedingung „wahr“, wird die Schleife verlassen.

Das folgende Beispiel zeigt eine Schleife die von 1 bis 10 zählt, jeden Schritt ausgibt und am Ende die Werte für die Abbruchbedingung auf dem Stack behält.

: count
   0              // Anfangszähler
   loop
    1 ndup 1 ndup
    = leave       // Schleife verlassen, wenn Endwert erreicht?
    1 +           // Zähler erhöhen
    dup . " " .   // Zähler ausgeben
   endloop
   "fertig " .    // Hinweis auf "Ende erreicht" ausgeben
 ;

// Bis 10 zählen und danach mit .S den Stackinhalt anzeigen

10 count .S

Die Anzeige ist

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 fertig Stack = [ 10 10 ]

Es ist sehr leicht, aus der Kombination von Bedingung und dem „leave“-Command alle etablierten Konstruktionen von Schleifen zu erzeugen.

Einsatzgebiete und Verbreitung

Laut Auskunft des Initiators ist Aleph für Ausbildungszwecke gedacht. Ob für Anfänger oder Fortgeschrittene in der Programmierung wird allerdings nicht gesagt. Das breit angelegte Konzept der Sprache dürfte es wohl mehr für Fortgeschrittene interessant machen.

Aleph eignet sich für schnelle Entwürfe von Anwendungen. Das Zusammenspiel der oft sehr umfangreichen Klassenbibliotheken kann mit Aleph einfach und auch intensiv überprüft werden. Ob die endgültig getestete Komposition dann in einer neuen Klasse zusammengefasst wird, ist nebensächlich.

Weil in Aleph jedes Java-Element zur Verfügung steht, können sogar in C/C++ formulierte Programme in Aleph über die nativeCode-Schnittstelle von Java benutzt werden. Damit werden auch rechenintensive Anwendungen in Aleph sinnvoll.

In den großen IDEs wie Eclipse und NetBeans ist Aleph nicht anzutreffen.

Weblinks

Wikiversity: Programmieren in Aleph – Kursmaterialien

• exmpl.de (Betreuer des Aleph-Projekts)
• e-Vocation e. V. (Initiator von Aleph)
• Pagkalos, ein Aleph-Dialekt