0. Programmering och operativsystem

Aarne Ranta
Datorintroduktion 2008, D och DV, Chalmers & GU

Den här kursen

Introduktion till

datoranvändning
programmering
datavetenskap

Utformad för dem som vet och skall veta mest om datorer och programmering

D-linjen på Chalmers
DV-linjen på Göteborgs Universitet

Webbsidan

Hur hittar man den: från svårast till lättast

0. Navigera i Chalmers studieportal

    http://www.student.chalmers.se/

1. Anteckna URL (Uniform Resource Locator)

    http://www.cs.chalmers.se/~aarne/datorintro/

2. Googla med

    datorintroduktion D-linjen Chalmers

3. Googla med

    Aarne Ranta

tryck på "Datorintroduktion"

Kursens uppbygnad

Vi går snabbt genom kurswebbsidan, för att förklara

vad man ska lära sig under kursen
hur man ska göra för att klara kursen

Datavetenskap

Datavetenskap (Computer Science) har sina rötter på två håll:

matematik
elektronik

Datavetenskap kan därför se rätt så olika ut beroende på datavetare.

Hårdvara och mjukvara

hårdvara = maskinvara, mjukvara = programvara

    mjukvara
                användarprogram       -- Firefox, emacs, GHC
  
                operativsystemet      -- Windows, Unix, Symbian
  -------------------------------------------------------------
    hårdvara
                datorn                -- PC, Mac, iPhone, PSP

datavetenskap (men inte alla företag...) strävar efter att hålla isär nivåerna.

Operativsystemet Unix

Första versionen i 1970

Känns numera under namnen Linux, Mac OS X, SunOS, BSD...

Fungerar på alla sorters maskiner

Populärt bland professionella programmerare och datavetare

användaren kan lätt programmera systemet
relativt bra säkerhet
"känns rätt" p.g.a. enkelhet, tydlighet, modularitet, ortogonalitet, öppenhet

Huvuddelarna i Unix

Kärnan (Eng. kernel): närmast hårdvaran

Filsystemet: kataloger och filer

Kommandotolken (Eng. shell): närmast användaren

Därtill:

drivrutiner
fönstersystem
grafiska gränssnitt

Shellkommandon

När man matat in användar-ID och lösenord, kommer man oftast in i ett fönstersystem.

Man kan då öppna ett "shell", som kan heta "terminal", "konsole", "xterm", "cygwin", etc.

I shellet har man tillgång till (nästan) alla program.

De enklaste programmen är shellkommandon.

kommando	förklaring	engelska
`pwd`	ange arbetskatalogen	print working directory
`ls`	ge listan av filer	list
`cd`	navigera till en annan katalog	change directory
`whatis`	beskriv ett kommando med en rad	what is
`man`	ge full beskrivning av kommandot	manual

Arbetskatalogen = den katalog "där jag befinner mig just nu"

Argument och jokrar

Kommandon tar argument. Vi betecknar typer av argument med STORA bokstäver.

    ls DIR     -- ge listan av filer i katalogen DIR ("directory")
  
    ls FILE    -- ge listan av filen FILE (om den finns)
  
    ls         -- ge listan av filer i arbetskatalogen

Argument kan innehålla jokrar ("wildcards"), *. En joker betyder "vilka tecken som helst (eller inga)". Exempel:

    ls *.jpg   -- ge listan av alla filer vars namn slutar .jpg

Styrkan med shellkommandon

Man kan tro att det är bekvämast att se listor av filer i ett grafiskt program.

Men försök att få listan av enbart jpg-filer:

    ls *.jpg

Eller listan av alla jpg-filer som börjar med img i alla underkataloger av arbetskatalogen:

    ls */img*.jpg

Några till shellkommandon

Filhantering: FILE kan oftast vara DIR

kommando	argument	förklaring	engelska
cp	FILE FILE	kopiera filen	copy
mv	FILE FILE	flytta eller döpa om filen	move
rm	FILE	ta bort filen	remove
mkdir	DIR	skapa en katalog	make directory

Analys av strängar och tecken

kommando	argument	förklaring	engelska
cat	FILES	visa innehållet i FILES	catenate
grep	STRING FILE	ange rader med STRING	grep
wc	FILE	räkna rader, ord och tecken	word count

Unixfilosofin

Skriv och använda enkla program, som gör en sak i taget.

Pipe: kombinera program i sekvens. Symbol: | (läs: "pajp")

Exempel: visa hur många filer som finns i arbetskatalogen

    ls | wc

Exempel: visa på hur många rader ordet "funktion" förekommer i alla .txt-filer i katalogen lectures:

    grep "funktion" lectures/*.txt | wc

Programmering: praktiskt perspektiv

Använd Unix-program och andra tillgängliga program så länge de räcker.

Skriv egna program när det inte finns färdiga - för precis de bitar som saknas.

Lär dig att lösa vilket som helst programmeringsproblem.

Lär dig att känna igen när problemet inte bara är programmering.

Programmering: teoretiskt perspektiv

Alla datavetare sysslar med programmering. Vad är detta?

matematikerns svar: att skriva algoritmer i ett precist språk
elektrikerns svar: att få maskinen att göra önskade saker

Algoritm: en metod att göra något i välbestämda steg, t.ex. division

          6 6 6
       -----------
    3 | 1 9 9 8
        1 8
        ---
          1 9
          1 8
          --- 
            1 8
            1 8
            ===

Programspråk

Algoritmer måste uttryckas i ett precist språk för att en dator ska kunna utföra dem.

högnivåspråk: anpassade till människans sätt att tänka

lågnivåspråk: anpassade till maskinens sätt att fungera

    ------------------------------ människan
    högnivåspråk
                   matematisk text
  
                   Haskell
  
                   Java
  
                   C
  
                   Assembler
  
                   Maskinspråk
    lågnivåspråk
    ------------------------------ maskinen

Exempel på språknivåer

  summan av alla heltal från 1 till och med 100   -- matematisk text
    
  sum [1 .. 100]                                  -- Haskell
  
  int result = 0 ;                                -- Java, C
  for (int i = 1 ; i != 100 ; ++i) result += i ;
  
    iconst_1 ; dup ; istore_1 ; istore_2 ;        -- Assembler (Jasmin)
  TEST: bipush 100 ; iload_1 ; ifeq END
    iload_1 ; iload_2 ; iadd ; istore_2 ; 
    iinc 1 1 ; goto TEST 
  END
  
  0000 0011 0101 1001 0011 1011 0011 1100 ...     -- Maskin (JVM)

Val av nivå: för- och nackdelar

Högnivåspråk:

mindre att skriva
elegant, abstrakt
portabelt (kan fungera i olika maskiner)
lättare att få korrekt

Maskinspråk:

lättare att implementera på maskin
kan göras effektivare
kan nå all hårdvara utan kontroll

Obs: på förra sliden är Java/C och Assembler-exemplen fel!

Programspråk i vår utbildningar

Vi lär ut Haskell först

Senare lär vi Java, C, assembler

Och ännu lägre: datorarkitektur, kretselektronik...

Och ännu högre: matematiska modeller av beräkning

Och bryggan mellan nivåer: kompilatorer

Kompilatorn

Kompilatorn är ett program som automatiskt översätter högnivåspråk till maskinspråk.

Det är därför programmerarna (oftast) kan hålla sig till högnivåspråk.

Det är därför samma program kan köras på olika sorters datorer.

GHC(i)

GHC = Glasgow Haskell Compiler

GHCi = GHC Interactive

Vi kommer att

skriva Haskell-program
kompilera dem med GHCi
köra dem på datorn

GHC(i) finns för Linux, Mac, Windows... gratis från

www.haskell.org/ghc

Ett sätt att använda GHC(i)

Starta ett GHCi-shell i Unix-shellet och skriva program till prompten

    ubuntu$ ghci
    Prelude> 2+2
    4
  
    Prelude> sum [1 .. 100]
    5050

Snabbt och effektivt för mycket korta program.

Även för att testa längre program.

Ett annat sätt att använda GHC(i)

Skriv program i en fil, t.ex. MyProgram.hs, läs in i GHCi, och kör i GHCi

    Prelude> :l MyProgram.hs
  
    MyProgram> factorial 12
    479001600

Snabbt för program stora som små, men inte effektivast.

Det vi mest använder resten av kursen. Filen MyProgram.hs kan se ut så här:

    factorial n = product [1 .. n]

Ett till sätt att använda GHC(i)

Skriv program i en fil, t.ex. factorial.hs, kompilera med GHC, och kör i Unix-shell

    ubuntu$ ghc factorial.hs
  
    ubuntu$ factorial 12
    479001600

Det är så här man skapar program för användare: de behöver inte veta om GHC eller att programmet var skrivet i Haskell.

Programmen kan användas i Unix-pipes.

Frivilligt på den här kursen.

Emacs

En texteditor som är många programmerares favorit.

Speciellt lämpligt för att skriva programkod i.

Kan öppnas från shellet med kommandot emacs, eller eventuellt från en meny i "applications" eller motsvarande.

Övningar

Redovisning: visa kommandona, kör dem, och visa resultatet.

1. Testa vad som händer med kommandon ls, cp, cd och wc om de används utan argument.

2. Uppvisa vilka kataloger på din dator som är de närmaste underkatalogerna till rooten (/).

3. Hur många filer finns i /usr/bin/? Denna katalog innehåller de användarprogram som följer med operativsystemet. Uppvisa shellkommandot som utför räkningen.

4. Skapa en katalog pictures, och kopiera dit 25 jpg-bilder från webben eller någon annan källa. Vi ska använda denna katalog senare för att skapa ett fotoalbum likt detta.

5. Hitta den fullständiga texten till August Strindbergs roman "Röda rummet" på webben. Kopiera över den till din dator, och räkna hur många rader som innehåller ordet "cigarr". Obs. Även om texten är uppdelad i flera filer, kan du ändå göra detta utan större möda.

6. Skapa i emacs en fil jack.txt som består av 32768 rader med texten "All work and no play makes Jack a dull boy". Bonus. Hur många tangenttryck behövde du?

7. Starta ghci och skriv en formel som anger antalet dagar sedan du föddes.