Rechen-Anforderungen beim Programmieren – so geht’s ohne holpern

Um effiziente und zuverlässige Programme zu schreiben, ist es wichtig, die Rechenanforderungen der zu lösenden Aufgaben genau zu kennen. Das bedeutet, dass man wissen muss, wie viele Operationen zur Lösung des Problems erforderlich sind, welche Art von Datenstrukturen am effektivsten sind und mit welchen Laufzeiten bei einem Algorithmus zu rechnen ist.

Rechen-Anforderungen richtig einschätzen lernen

Das Erlernen einer Programmiersprache ist hier einmal mehr mit dem Erlernen einer Fremdsprache vergleichbar: Wer Grammatik, Rechtschreibung und Vokabeln beherrscht, kann zwar Sätze bilden und „rüberbringen“, was gemeint ist. Bis man ein Level erreicht, um Zeitungsartikel, Rezepte, wissenschaftliche Artikel, Romane oder Gedichte zu schreiben, braucht es allerdings mehr als das reine Erlernen der Sprache. Um, wieder in der Welt der Informatik, effiziente und performante Algorithmen zu schreiben, braucht es ebenfalls mehr als das Lernen der Programmiersprache – ganz zu schweigen, wenn es um die Architektur von Software geht.

Es gibt verschiedene Wege, dieses Wissen zu erlangen. Durch Erfahrung beispielsweise, durch Lernen der Theorie oder auch ad-hoc im Praxiseinsatz durch Ausprobieren und Messen der Laufzeit:

Algorithmen theoretisch analysieren

Eine Möglichkeit, dieses Verständnis zu erlangen, ist die Analyse von Algorithmen. Algorithmen sind das Herzstück eines jeden Computerprogramms, und ihre Effizienz kann über Erfolg oder Misserfolg eines Programms entscheiden. Aus diesem Grund wurde viel über Algorithmen geforscht, und es gibt inzwischen viele Bücher und Artikel, die sie im Detail behandeln. Neben der theoretischen Analyse bevorzugen Programmierer, vor allem im Arbeitsalltag, die praktische Analyse – sie dient letztlich auch zum Beweis eventuell vorher berechneter theoretischer Laufzeiten.

Erfahrungswerte durch Praxis erlangen

Eine weitere Möglichkeit, ein Verständnis für Rechenanforderungen zu erlangen, ist die Erfahrung. Durch die Arbeit an einer Vielzahl von Programmierprojekten werden Sie allmählich ein Gefühl dafür entwickeln, welche Art von Berechnungen für die Lösung verschiedener Problemtypen erforderlich sind. Diese Erfahrung kann für das Schreiben effizienter Programme von unschätzbarem Wert sein.

Kombination aus Praxis und Theorie sowie Softwaretools

Ideal ist eine Kombination aus beiden Ansätzen. Ein praxisnahes Informatik-Studium, eine Weiterbildungen oder Informatik Kurse bringen diese Kombination. Neben diesen beiden allgemeinen Ansätzen gibt es auch eine Reihe spezifischer Techniken, die zur Ermittlung des Rechenaufwands eines Programms verwendet werden können. Diese Techniken können eingesetzt werden, um die „Engpässe“ in einem Programm zu finden, d.h. die Teile des Programms, die die meiste Zeit zur Ausführung benötigen. Sobald diese Engpässe identifiziert sind, können sie optimiert werden, um die Effizienz des Programms als Ganzes zu verbessern. Bestimmte Softwaremetriken eignen sich beispielsweise zur Bestimmung der Qualität des Codes und auch zur Messung der Laufzeit von Algorithmen. Es gibt eigens programmierte Anwendungen, die ausschließlich der Analyse von Software bzw. Quellcode dienen.

Das sind häufige konkrete Rechen-Anforderungen

Als Programmierer begegnet man verschiedenen Rechen-Anforderungen. Denn „performanter“ Code kann unterschiedlich gedeutet werden: Viele verstehen darunter Code bzw. Algorithmen mit besonders geringer Laufzeit. Andere wiederum setzen eine bessere Performance mit einem niedrigeren Speicherverbrauch gleich. Und dann wären da noch Lesbarkeit, Portierbarkeit bzw. Wiederverwendbarkeit und weitere Kriterien, die ebenfalls der Performance, diesmal nicht zur Laufzeit, aber im Projektmanagement, zugeschrieben werden können.

Laufzeit eines Programms bzw. eines Algorithmus

Die Laufzeit eines Programms oder eines Algorithmus ist die Zeit, die für die Ausführung des Programms oder des Algorithmus benötigt wird. Sie ist das häufigste Performance-Kriterium: Die Laufzeit kann durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst werden, z. B. durch den Computertyp, auf dem das Programm ausgeführt wird, die Art und Weise, wie die Daten gespeichert und auf sie zugegriffen wird, und die verwendeten Algorithmen. Generell gilt jedoch, dass die Laufzeit wird durch die Anzahl der Operationen bestimmt, die von dem Programm oder Algorithmus ausgeführt werden.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Laufzeit eines Programms oder Algorithmus zu messen. Eine Messung ist wohlgemerkt ein Unterschied zur Analyse, wobei die Laufzeit theoretisch berechnet wird. Dies überwiegt meist in Lehre, Forschung und Softwarearchitektur. Die gebräuchlichste Methode für das Messen der Laufzeit besteht darin, die Anzahl der elementaren Operationen zu zählen, die von dem Programm oder Algorithmus ausgeführt werden. Dies kann manuell geschehen, doch ist es in der Regel bequemer, ein Werkzeug zu verwenden, das automatisch die Anzahl der Operationen zählt. Eine andere gängige Methode ist die Messung der Ausführungszeit des Programms oder Algorithmus, d. h. der Zeit vom Beginn der Ausführung bis zur Beendigung des Programms.

Speicherverbrauch

Der Speicherverbrauch ist ein weiteres gängiges Leistungskriterium. Oft ist es wichtig zu wissen, wie viel Speicher ein Programm oder ein Algorithmus verbraucht, um festzustellen, ob es auf einem bestimmten Computer ausgeführt werden kann. Die Speichernutzung kann auch als ein Maß für die Effizienz des Programms oder Algorithmus: ein Programm, das weniger Speicherplatz benötigt, ist in der Regel effizienter als eines, dass mehr Speicherplatz benötigt.

Es gibt zwei Hauptmethoden, um den Speicherverbrauch eines Programms oder Algorithmus zu messen. Die erste besteht darin, die Anzahl der vom Programm oder Algorithmus verwendeten Bytes zu zählen. Dies kann manuell erfolgen, ist aber in der Regel ist es bequemer, ein Tool zu verwenden, das automatisch die Anzahl der verwendeten Bytes zählt. Die zweite Methode besteht darin, die Ausführungszeit des Programms oder Algorithmus zu messen und gleichzeitig den vom Programm oder Algorithmus verwendeten Speicherplatz zu überwachen. Dies kann mit speziellen Tools geschehen, die sowohl die Ausführungszeit als auch den Speicherverbrauch eines Programms oder Algorithmus überwachen.

Software-Metriken

Softwaremetriken sind quantitative Maße für die Eigenschaften eines Softwaresystems. Sie können verwendet werden, um die Leistung eines Softwaresystems zu messen oder um die zukünftige Leistung vorherzusagen. Auch die Verwendung zur Einschätzung der Lesbarkeit ist möglich – oder auch einfach zur Größe des Projekts. In diesem Sinne ist die Zahl der Zeilen des Quellcodes (SLOC – Single Lines of Code) bereits eine rudimentäre Softwaremetrik, welche zu einem quantitativen Eindruck über die Projektgröße führt.

Es gibt sehr viele verschiedene Arten von Softwaremetriken. Hier sind einige gängige Beispiele:

• Funktionspunktanalyse
• Zyklomatische Komplexität
• Halstead-Komplexitätsmaße
• Software-Tests
• Index der Wartbarkeit
• Wartungskosten als Prozentsatz der Entwicklungskosten
• Codezeilen

Zusammenfassung

Der Rechenaufwand bei der Programmierung wird durch die Anzahl der vom Programm oder Algorithmus durchgeführten Operationen bestimmt. Die gebräuchlichste Methode zur Messung der Laufzeit ist das Zählen der vom Programm oder Algorithmus durchgeführten Elementaroperationen. Eine andere gängige Methode ist die Messung der Ausführungszeit des Programms oder Algorithmus. Der Speicherverbrauch ist ein weiteres gängiges Leistungskriterium. Software-Metriken sind quantitative Messungen der Eigenschaften eines Softwaresystems. Durch das sich schnell verändernde Umfeld in der IT besteht ständiger Weiterbildungsbedarf: Know-How zur Softwarearchitektur, zu Datenstrukturen und Algorithmen sowie deren Analyse lässt sich theoretisch oder praktisch erlangen, beispielsweise über eine Weiterbildung, ein Studium oder den Arbeitsalltag.