Wer sich ein Linux-System zulegt, dem stehen viele Möglichkeiten zum Programmieren offen. Ein Überblick hilft bei ersten Schritten durch den Dschungel der Sprachen und Konzepte.

Linux eignet sich ideal als Entwicklungsplattform. Das quelloffene System lädt geradezu dazu, eigene Versuche in Sachen Programmieren zu unternehmen. Aber wo anfangen und wie weitermachen? Dieser Artikel gibt einen Überblick über aktuell verbreitete Skriptsprachen und Programmiersprachen.

Ein blickt auf die Übersicht der Sprachen bei Github [1] zeigt, wie weit das Feld der Programmiersprachen derzeit ausfällt. Hier finden sich Youngster wie das Google-Projekt Go neben Oldtimern wie C und Perl. Für die meisten davon bieten die großen Distributionen in der einen oder anderen Form Unterstützung. Ein Auswahl tut daher zwangsläufig den Unerwähnten Unrecht.

Daher lautet der pragmatische Ansatz: Am Anfang mit dem Strom schwimmen, die Kür kommt später. Die hier vorgestellten Sprachen entsprechen dem, was Sie auf einem durchschnittlichen Linux-System beim Blick in den Quellcode von Skripten und Tools vorfinden. Die Auswahl dient der Orientierung, nicht als Lernziel: Schließlich liegt der Reiz freier Software ja gerade in der Auswahl. Und wer erst einmal seine eigenen Assembler-Programme schreibt, dem bereitet das Lernen einer neuen Sprache ohnehin kaum noch Probleme.

Shell-Skripting

Die meisten Benutzer machen die ersten Programmierschritte beim Shell-Skripting. Die Shell [2] blickt auf eine lange Geschichte als Interface zum Rechner zurück und bietet bereits umfangreiche Möglichkeiten zum Schreiben kleiner Programme. Meist handelt es sich dabei um Befehle, die in immer wiederkehrender Folge zum Einsatz kommen. Typischerweise entstehen solche Skripte also aus der Alltagsarbeit. Zu den bekannten Shells gehören die Bash (“Bourne Again Shell”), die Dash (“Debian-Almquist-Shell”) sowie die Zsh.

Der Charme von Shell-Skripten liegt im einfachen Erstellen und Verwenden: Mehr als einen Editor braucht der Programmierer nicht; beim Ausführen übernimmt die Shell das Interpretieren der Befehle. Sie haben die Möglichkeit, Unix-Kommandozeilenwerkzeuge einzubinden und so auch komplexe Aufgaben zu lösen.

Dieser einfache Ansatz hat seinen Preis: Gerade bei umfangreichen Prozessen benötigen Skripte mitunter sehr viel Zeit. Zum anderen laufen sie nur dann in einem anderen Shell-Interpreter, wenn Sie sich beim Schreiben an den kleinsten gemeinsamen Nenner in Bezug auf die Funktionen halten – was im Umkehrschluss bedeutet, auf einige nützliche Features zu verzichten.

Zudem nimmt meist mit dem Bedarf für komplexere Datenstrukturen auch die Komplexität der Programme rasend schnell zu. Shell-Skripte werten in der Regel Textzeilen aus, die sie als Rückgabewerte von anderen Kommandos erhalten. Ab einem gewissen Punkt lohnt es sich also, über eine echte Skriptsprache nachzudenken. Spätestens jetzt kommt der Zeitpunkt, an dem es zudem lohnt, einige typische Hilfsmittel beim Entwickeln zu nutzen. Einen Überblick verschafft Ihnen der Artikel zu Programmiertools in dieser Ausgabe.

Wer nicht gleich zu einer maschinennahen Programmiersprache wie C greifen will, der hält sich am besten an eine der Skriptsprachen, die ein Linux-System in der Regel schon mitbringt: Perl, Python, Tcl oder Basic. Zu letzterem finden Sie in dieser Ausgabe einen Artikel, der aktuelle Basic-Entwicklungsumgebungen vergleicht.

Old School

1988 entwickelte der Programmierer John Ousterhout aus Frustration über die Arbeit von Kollegen die “Tool Command Language” ([3], kurz Tcl, gesprochen “tickel”). Lange Zeit gehörte sie zur ersten Wahl, wenn es darum ging, auf die Schnelle grafische Oberflächen zu erstellen. Heute läuft vor allem Python im Zusammenspiel mit den beiden Toolkits GTK und Qt der Sprache den Rang ab.

Eine Reihe von Erweiterungen sorgten für einen schnellen Siegeszug von Tcl: So ermöglichte es das Paket Tk (sprich “ti-kei”), mit wenigen Zeilen Code besagte Frontends zu programmieren. Noch viel interessanter, wenngleich nicht unbedingt ebenso bekannt, ist aber die Erweiterung Expect: Sie bietet die Möglichkeit, eigentlich interaktive Abläufe, wie zum Beispiel Telnet- oder SSH-Sessions, zu skripten und so Aufgaben auf entfernten Rechnern komplett zu automatisieren.

Für den angehenden Programmiernovizen lohnt es sich auf jeden Fall, die Sprache einmal anzusehen. Im Linux-System treffen Sie immer wieder auf entsprechende Skripte. Als erste Wahl empfiehlt sie sich aber nicht. Zum Vergleich: Die populäre Projektseite Sourceforge [4] listete Ende April 2010 rund 8900 auf Perl basierende Projekte im Gegensatz zu 1300 Projekten, die Tcl als Grundlage verwenden.

Schlangen und Spaghettis

Perl [5] entstammt der Feder des Amerikaners Larry Wall, der im Rahmen eines Projekts für die National Security Agency (NSA) nach einem Weg suchte, um Daten aus verteilten Logfiles zu extrahieren und aufzubereiten. Er kombinierte dazu die Funktionen einer Reihe von Unix-Tools mit etwas C-Code. Heraus kam das, was je nach Lesart “Practical Extraction and Reporting Language” (Zweckmäßige Auswertungs- und Berichtssprache) oder “Pathologically Eclectic Rubbish Lister” (krankhaft stilmischender Blödsinnsauflister) bedeutet [6].

Die augenzwinkernde zweite Definition als Backronym auf den Namen Perl, der sich eigentlich aus einem Bibelvers ableitet (Mt 13,46 EU), spielt auf die Eigenschaft der Sprache an, durch die Vielzahl an Möglichkeiten mitunter unlesbaren Code zu forcieren. Da Perl in großer Zahl Schlüsselwörter mit zum Teil überschneidender Bedeutung mitbringt und darüber hinaus sehr kurze, kryptische Statements erlaubt, erlangte entsprechend undurchsichtiger Quellcode schnell das Attribut “Spaghetti-Code”.

Andererseits macht Perl es leicht, getreu dem Motto “There’s more than one way to do it” (Es gibt mehr als einen Weg, etwas zu tun) eine Lösung für ein Problem entsprechend der eigenen Intuition zu schreiben. Als gelernter Linguistiker achtete Larry Wall darauf, dass sich die Sprache, die ursprünglich “Pearl” heißen sollte, an den menschlichen Sprechgewohnheiten orientierte.

Aktuell findet sich auf vielen Systemen die Perl-Version 5.8 in einem Bugfix-Release, also beispielsweise 5.8.8. Mit der kommenden Major-Version 6 – die Entwickler diskutieren sie derzeit auf einer Mailingliste – ändert sich einiges an der Sprache, sodass Sie damit rechnen müssen, dass Skripte dann eventuell nicht mehr wie erwartet laufen. Hier gilt es ein Auge auf die Entwicklung zu haben.

Anders als bei Perl gehört die Klarheit des Quelltextes zu den Designzielen von Python. Die von Guido van Rossum im Dezember 1989 aus der Taufe gehobene und im Jahr 1991 erstmals erschienene Skriptsprache [7] hat sich in den letzten Jahren weit verbreitet. Zahlreiche Unternehmen wie Google, Yahoo oder auch die NASA entwickeln damit Projekte. Über die Konvention, dass die Tiefe der Einrückung mittels Leertaste oder Tabulator dazu dient, Konstrukte wie Schleifen oder Funktionen voneinander abzugrenzen, haben sich Newsgroups und Fan-Gemeinden allerdings bereits ausgiebig in die Haare bekommen.

Aufgrund der wenigen Schlüsselwörter fällt es leicht, erste Python-Programme zu schreiben. Eine umfangreiche Standardbibliothek hilft getreu dem Motto “Batteries are included” (Batterien inklusive) auch komplexe Aufgaben mit Python-typischen Methoden ohne großen Aufwand zu lösen. Im Zusammenspiel mit den Toolkits GTK [8] und Qt [9] (siehe Kasten “Oberflächen”) finden sich viele Programme mit Python-Unterbau. So setzt beispielsweise Ubuntu stark auf Python-Tools, die das Projekt wegen des Standard-Desktops Gnome mit einer GTK-Oberfläche versieht.

Wie bei Perl steht auch bei Python mit der aktuellen Version 3.0 ein Bruch mit einigen Funktionen aus früheren Version an. Skripte wie 2to3 helfen Ihnen, Ihren Quellcode entsprechend anzupassen. Welche Version Sie einsetzen, verrät Ihnen die Paketverwaltung Ihres Systems. Entsprechend lohnt sich ein Blick in die passende Dokumentation zur Standardbibliothek auf der Homepage.

Python erlaubt unterschiedliche Programmierparadigmen: funktional, objektorientiert oder prozedural. Außerdem verfügt der Interpreter über einen Mechanismus zum Bereinigen des Speichers, die sogenannte Garbage Collection. Das bedeutet, dass Sie sich anders als beispielsweise bei C nicht darum kümmern müssen, nicht mehr genutzten Arbeitsspeicher explizit freizugeben. Dieser Punkt gilt im Wesentlichen auch für Perl sowie einen Newcomer, der in den letzten Jahren stetig an Popularität gewann: Ruby.

Edelstein

Die Sprache Ruby [10] stammt aus der Feder des Japaner Yukihiro Matsumoto. Sie verhält sich wie Perl und Python multiparadigmatisch: Sie haben die Möglichkeit, funktionale, objektorientierte oder prozedurale Software zu schreiben. Darüber hinaus erlaubt Ruby es Programmierern, neue Paradigmen einzuführen. Der Name lehnt sich an Perl an, das – wie erwähnt – in einem frühen Stadium vor dem ersten Release auch mal den Arbeitstitel “Pearl” hatte, und bedeutet im Deutschen “Rubin”.

Daran angelehnt nennen die Entwickler die das Ruby-eigene Paketsystem RubyGems [11] oder einfach nur Gems (engl. “Edelsteine”). Über dieses System installieren Sie bei Bedarf verschiedene Versionen eine Moduls in einer Installation. Ein System mit Meta-Informationen sorgt dafür, dass der Interpreter das richtige Modul für eine Software verwendet. Als Grundlage für das Web-Framework Ruby on Rails [12] erlangte die Sprache sehr schnell Bekanntheit.

Alle Skriptsprachen bieten Ihnen die Möglichkeit, Werte einfach und komfortabel zu handhaben – sei es als Objekte, komplexere Datentypen oder in Form von Hashes oder Arrays. So ersparen Sie sich oft viel Arbeit beim Extrahieren und Konvertieren von Ergebnissen. Viele Module erleichtern beispielsweise den Zugriff auf Netzwerkressourcen, abstrahieren den Zugriff auf Hardware oder vereinfachen die Datenanalyse.

Spielt allerdings der Faktor Geschwindigkeit eine Rolle oder benötigen Sie direkten Zugriff auf die Hardware, kommen Sie an einer maschinennahen Sprache kaum vorbei. So ist der Linux Kernel in weiten Teilen in C programmiert; einige essenzielle Bestandteile haben die Entwickler sogar in Assembler geschrieben, um noch präziser auf der Funktionen der modernen CPUs zu zugreifen.

Kernighan und Ritchie

Die Geschichte von C ist eng mit der Entwicklung des Ur-Unix verknüpft, das in den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts an den Bell Laboratories entstand [13]. Dennis Ritchie entwarf die Sprache zum Programmieren des damals neuen Unix-Systems. Dabei stützte er sich auf die Arbeit on Brian W. Kernighan, der die Sprache B entworfen und implementiert hatte. Zusammen veröffentlichten Sie 1978 das Buch “Programmieren in C” (siehe Kasten “Buchtipps C”), das auch heute noch als Standardwerk zu diesem Thema gilt und lange Zeit den Charakter einer informellen Referenz für die Sprache hatte.

C bringt nur einen sehr kleinen Satz an Schlüsselwörtern mit. Schon einfache Aufgaben, wie die Ein- und Ausgabe von Daten, erledigen Sie mit Hilfe von Funktionen aus einer Bibliothek. Die Basisdatentypen umfassen im wesentlichen Zahlenwerte aus dem Bereich der Ganz- oder Fließkommazahlen. Erst in den abgeleiteten Datentypen finden sich die beispielsweise aus Skriptsprachen bekannten Strings oder Arrays.

C erlaubt es, sehr hardwarenah zu programmieren. Beim Manipulieren von Werten im Speicher obliegt es dem Autor, sich um Datengrenzen, Wertebereiche, verfügbaren Speicher sowie die Freigabe des selbigen zu kümmern. Das Überschreiben von Datenbereichen führt immer wieder zu Programmabstürzen, die für Einsteiger meist nicht oder nur schwer nachvollziehbar wirken. Die Sprache erfordert eine größere Disziplin beim Schreiben und mehr Arbeit bei der Fehlersuche, entlohnt dafür aber mit einer sehr hohen Geschwindigkeit beim Ausführen der Programme.

Diese schreiben Sie wie bei Shell-Skripten oder Skriptsprachen im einfachsten Fall mittels eines Editors in eine einfache Textdatei. Danach gilt es aber, diesen Quellcode mithilfe eines sogenannten Compilers in maschinenlesbaren Code zu verwandeln. Dieser Schritt erfordert bei großen Projekten, etwa dem Linux-Kernel, Minuten bis zu mehreren Stunden. Die Möglichkeit zum Modularisieren des Codes erleichtern hier zwar die Situation, das Testen von Software erfordert jedoch immer einen größeren zeitlichen Aufwand.

Im Kern

Trotz dieser Schwierigkeiten hat sich C über die Jahre seinen festen Platz in der Programmierwelt erkämpft, was nicht zuletzt an der Portierbarkeit des Quellcodes liegt. Gedacht war die Sprache vor allem als Abstraktionsschicht zu Assembler [14], dessen Kommandos eng mit der Architektur der jeweiligen Zielplattform verbandelt sind. Daher bietet Assembler in noch stärkerem Maß als C die Möglichkeit, Einfluss auf die Hardware zu nehmen.

Die Haupteinsatzgebiete liegen aufgrund der enormen Komplexität von Assembler-Code heute vor allem im Programmieren von Gerätetreibern (Faktor Geschwindigkeit) oder beim Schreiben von Code für Hardware mit besonders wenig Ressourcen (Faktor Codegröße).

Wer jedoch das Programmieren in Assembler lernt, erhält ein fundamentales Verständnis davon, wie moderne Computer Probleme in Rechenaufgaben zerlegen und diese mittels der ihnen zur Verfügung stehenden Funktionen lösen. Damit gewinnen Sie die Fähigkeit, auch in Hochsprachen Funktionen so zu gestalten, dass der Computer in der Lage ist, diese optimal abzuarbeiten.

Ein Tasse Kaffee, bitte!

Neben dem hier vorgestellten C gehören sowohl C++ [15] als auch Java [16] zu den weit verbreiteten Sprachen. Während sich erste in Form von vielen Projekten in der freie Software-Welt wiederfindet, nimmt die zweite in dieser Hinsicht eine Sonderstellung ein: So stand die Laufzeitumgebung für Java lange unter eine unfreien Lizenz, und es gab keine ordentlichen Pakete für die wichtigen Distributionen.

Beides hat sich mittlerweile geändert [17]. So bietet sich für den Umsteiger von Windows beispielsweise im Zusammenspiel mit der beliebten IDE Eclipse [18], die es ebenfalls in einer Linux-Variante gibt, die Möglichkeit, nahtlos unter einem Linux-System an seinem Code weiterzuentwickeln. Trotz der erfreulichen Entwicklung rangiert Java jedoch nach wie vor eher auf den hinteren Plätzen in der Gunst der Open-Source-Programmierer.

Ausblick

Wer in die Repositories seiner Distribution schaut, der findet schnell heraus, dass die Welt des Programmierens ein wildwachsendes Biotop darstellt. Hier finden sich Interpreter für Fortran, Ada, Lua und viele andere Sprachen. Es bleibt also über diesen Artikel noch viel Raum für weitere Erkundungszüge und neue Programmierabenteuer. Wer aus erster Hand Informationen zu Programmier- und Skriptsprachen nachlesen möchte, dem sei zum Schluss noch das Buch “Visionäre der Programmierung” ans Herz gelegt (siehe Kasten “Buchtipp Visionäre”).