Parameter (Informatik)

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Parameter – (deutsch) auch Übergabewert genannt – sind in der Informatik Variablen, über die ein Computerprogramm oder Unterprogramm, für einen Aufruf gültig, auf bestimmte Werte „eingestellt“ werden kann. Diese Einstellungen werden bei der Verarbeitung berücksichtigt und beeinflussen damit meist auch die Ergebnisse des Programms. Parameter sind also programmextern gesetzte Einflussfaktoren; sie werden insbesondere beim Aufruf von Unterprogrammen verwendet, um diesen ‚mitzuteilen‘, welche Daten sie be-/verarbeiten sollen.

Durch Parametrisierung können Programme in ihrer Anwendung flexibilisiert werden, ohne dass das Programm dazu neu erstellt werden muss. Welche Werte eingestellt werden können, muss bei der Erstellung von Programmen festgelegt werden. Parameter können z. B. bestimmte Grenzwerte oder Auswahlbedingungen (für Beträge, ein Datum und so weiter) oder zu verwendende Texte sein oder auch das „Was“ und das „Wie“ der Verarbeitung steuern (z. B. Prüfung X vornehmen – J/N).

Begrifflich wird zwischen „formalen Parametern“ (= das Definieren im Programmcode) und „tatsächlichen Parametern“, auch „Argumente“ genannt (= der jeweilige Wert bei einem Funktionsaufruf), unterschieden.

Wird beim Aufruf des (Unter-)Programms nicht für jeden Parameter ein Argument übergeben, kann dieses eine beim Erstellen des Programms festgelegte Standardannahme verwenden oder (je nach Implementierung) die Verarbeitung wegen fehlender Parameter abbrechen.

Zweck von Parametern[Bearbeiten]

Prinzip der Parametrisierung
  • In der modularen Programmierung sind die Schnittstellen zwischen den einzelnen Modulen implementierungsimmanente Parameter. Sie sind das wesentliche Kommunikationsmedium zwischen aufrufendem und aufgerufenem Programm, Informationen können in beide Richtungen fließen.
  • Darüber hinaus ist Parametrisierung ein Aspekt der Softwarearchitektur: So implementierte Software kann den Qualitätskriterien für Software nach ISO/IEC 9126 vor allem in den Punkten Anpassbarkeit und Modifizierbarkeit entsprechen, unterstützt aber auch die Anforderungen Austauschbarkeit, Bedienbarkeit und andere.
  • Durch Parametrisierung können Programmänderungen für im Voraus erwartbare Situationen vermieden und damit Aufwand und Fehlerrisiken (durch Programmänderungen) minimiert werden.
  • Für Programmeinsätze in vielen unterschiedlichen Umgebungen (Mandantenfähigkeit) ist die Parametrisierung unabdingbare Voraussetzung. Vor allem bei Systemprogrammen wird sie deshalb in der Regel sehr umfassend praktiziert (mindestens über Konfigurationsparameter).

Parameter sind aus Sicht des Systembegriffs Inputdaten; sie unterscheiden sich jedoch von normalen Eingabedaten z. B. wie folgt:

  • Parameterdaten gehören nicht zum eigentlichen Verarbeitungszweck des Programms, sondern sie sollen – soweit dies bei der Implementierung berücksichtigt wurde – das Programm auf individuelle Werte / Informationen und / oder mögliche Varianten der Verarbeitung einstellen.
  • Parameterdaten sind in der Regel eindimensional, d. h., es gibt keine Objektmengen (wie z. B. in einer Kunden- oder Produktdatei), sondern meist nur die Daten eines Objekts oder gar nur einzelne Datenfelder.
  • Sie werden vom Programm in der Regel nicht einfach gelesen wie andere Dateien, sondern häufig über spezielle Mechanismen (des Betriebssystems oder der Programmiersprache) interpretiert, insbesondere bei Verwendung als Unterprogramm-Parameter.
  • Außer bei Unterprogrammen werden sie meist durch die für den technischen Ablauf des Programms verantwortlichen Benutzer, Nutzer oder Betreiber von Computern vorgegeben, z. B. Mitarbeiter des Rechenzentrums, und bleiben in diesen Fällen oft über längere Zeit unverändert.

Unterschiedliche Parameter-Begriffe[Bearbeiten]

Parameter werden in unterschiedlichen Funktionen in der Informatik verwendet:

  • als Installationsparameter bei der Installation einer Software
  • als Konfigurationsparameter, die das Verhalten der Software steuern
  • als Laufzeitparameter, um die Software zur Laufzeit beeinflussen zu können.
  • als Schnittstelle zwischen aufrufenden Programmen und aufgerufenen Unterprogrammen; siehe unten.

Bei Verwendung mehrerer Parameter ist es wichtig, die einzelnen Parameter identifizieren und unterscheiden zu können. Hierzu gibt es zwei Erkennungsmethoden:

Positionsparameter
werden bei der Übergabe anhand ihrer Position zugewiesen. Beispiel: Der dritte Parameter ist die Startzeit. Wenn die Parameterwerte keine feste Länge haben, müssen Positionsparameter durch ein Trennzeichen getrennt werden. Als Trennzeichen wird z. B. das Semikolon (siehe CSV-Datei) oder der senkrechte Strich verwendet .
Schlüsselwortparameter
werden bei der Übergabe mit einem eindeutigen Schlüsselwort gekennzeichnet und sind somit unabhängig von ihrer Position identifizierbar. Beispiel: „startzeit=13:30“. Auch bei Schlüsselwortparametern ist ein Trennzeichen erforderlich.

Für beide Varianten muss festgelegt sein, in welchem Format sie übertragen werden; im Beispiel: „hh:mm“, jeweils 2 Stellen, getrennt durch einen Doppelpunkt.

Weiterhin lassen sich Parameter unterscheiden nach:

Quelle der Parameter
Intern = von Programm zu (Unter-) Programm wirksam; Extern = von außen, z. B. durch Benutzer gesetzte Parameter
Stabilität / Änderungshäufigkeit
Wird der Parameter häufig oder fast immer neu gesetzt oder wird er selten verändert?
Art / Typ der Parameter
Variablen wie Betragsfelder (z. B. Grenzwerte), Zeitangaben (Tagesdatum), Textkonstanten und so weiter oder funktional wirkende Anweisungen wie „nur fehlerhafte Daten auflisten“, „nur protokollieren, nicht speichern“ und so weiter
Richtung des Informationsflusses
Aufrufparameter (in Richtung Programm / Unterprogramm) oder Rückgabeparameter (in Richtung aufrufendes Programm; nur bei Unterprogrammen); auch bidirektional ist möglich (Aufruf / Rückgabe)

Beispiele für Parameter[Bearbeiten]

  • Mehrwertsteuersätze in Prozent (bei betriebswirtschaftlichen Anwendungen)
  • Sollen in Listen nur Summen- oder auch Einzelzeilen ausgegeben werden? (steuert den Detaillierungsgrad von Benutzermedien)
  • Bezeichnung des Software-Eigentümers (i. Z. mit Mandantenfähigkeit, in Formularköpfen sichtbar)
  • Kreditbetrag, Zinssatz, Tilgungsbetrag, Tilgungsperiode (zur Berechnung eines Tilgungsplans)
  • Kontonummer als Aufrufparameter an das Unterprogramm 'Prüfziffernberechnung’, Prüfziffer als Rückgabewert

In weitestem Sinn sind auch Computerbefehle (in allen Programmiersprachen und auch in Maschinensprache) Parameter: Sie enthalten einen Funktionscode plus Adressen, Längen und so weiter für die zu verarbeitenden Daten. Die Angaben werden vom Steuerwerk des Computers interpretiert und decodiert und entsprechend ausgeführt.

Ein konkretes Beispiel für die Anwendung von Parametern:

Als Teil einer Anwendung zur Verwaltung von Rechnungen soll ein Programm entstehen, das für die Benutzer Rechnungen in einer Liste ausgibt. Als fachliche Vorgabe wurde festgelegt, dass in dieser Liste alle Rechnungen ausgewiesen werden, die noch nicht bezahlt sind und die älter als 1 Monat sind, berechnet zum Zeitpunkt des Programmlaufs.

  • Ohne Parametrisierung würde das Programm also verarbeiten:
Lese Rechnungen; verarbeite nur Rechnungen mit Status = „offen“ und Rechnungsdatum < (heute ./. 1 Monat)
  • Eine identische Lösung mit Parametern könnte hierzu die Parameter „Rechnungsdatum älter als“, „offen_JN“ vorsehen.
Hierbei müsste das Programm die Parameter nach dem Start prüfen und gegebenenfalls zur Verwendung vorbearbeiten. In der eigentlichen Verarbeitung würden dann keine Konstanten oder fix codierten Befehle (wie vor) verwendet, sondern die gesetzten Parameterwerte.
  • Für die Benutzer ergäben sich damit folgende weiter gehenden Möglichkeiten:
Das Alter der Rechnung könnte variabel bestimmt werden; die Liste könnte gegebenenfalls auch erledigte Rechnungen oder alle Rechnungen unabhängig vom Status zeigen.
  • Weiter gehend könnte z. B. der Parameter „ab Betrag = X“ vorgesehen werden oder auch die Festlegung, ob nur Rechnungen mit höheren oder nur Rechnungen mit niedrigeren Rechnungsbeträgen als X oder alle Rechnungen unabhängig von der Betragshöhe aufzulisten sind. Rechnungen mit Bagatellbeträgen könnten so z. B. ausgeschlossen oder in einer getrennten Liste angefordert werden.
  • Je nach verwendetem Datenbanksystem können bestimmte Parameter bereits in das Lesekommando für die Rechnungsdaten eingestellt werden, wodurch das DBMS nur entsprechende Rechnungen bereitstellt. Alternativ müsste das Programm die Auswahl nach dem Lesen selbst vornehmen.

Medien zur Parameterübergabe[Bearbeiten]

  • Ist das Programm ein Unterprogramm, so werden der (oder auch mehrere Parameter) bei dessen Definition formal festgelegt (formaler Parameter) und (vom Hauptprogramm) beim Aufruf des Unterprogramms für jeweils genau einen Aufruf auf einen konkreten Wert gesetzt (tatsächlicher Parameter).
  • Kommandozeilenparameter werden im Aufrufkommando, meist im Anschluss an den Code für die auszuführende Funktion, übergeben. Beispiel: RENAME <alter Dateiname, neuer Dateiname>. In diese Kategorie gehören auch die Parameter, die bei Programmaufrufen über eine Job-Control-Sprache (bei Großrechnerprogrammen z. B. OPC) in den Anweisungen eingestellt werden, z. B. das Tagesdatum.
  • Parameter können auch in speziellen Parameterdateien enthalten sein. Ihr Inhalt wird in diesem Fall von einer Steuerungskomponente des Programms zum Ausführungszeitpunkt, gegebenenfalls bei Programmstart interpretiert. Beispiele hierfür sind Einträge in sog. Registrierungsdatenbanken (in der Regel für Dienstprogramme benutzt), aber auch in betrieblichen bzw. aufgabenspezifischen Datenbanken, Dateien oder Tabellenverwaltungssystemen.

Je nach Medium werden Parameter mit unterschiedlichen Verfahren erfasst, externe Parameter häufig mithilfe von Standard- oder individuellen Editoren. Parameter für Dialogprogramme können, wenn dies im Programm vorgesehen ist, vom Benutzer direkt über Bildschirm und Tastatur eingegeben werden.

Parameter bei Unterprogrammen[Bearbeiten]

Eine essentielle Bedeutung haben Parameter in Verbindung mit der Verwendung von Unterprogrammen. Diese verarbeiten Daten und liefern Werte zurück, die meist zu den sie aufrufenden Programmen gehören. Um einem Unterprogramm (das die Daten des rufenden Programms grundsätzlich nicht 'kennt') die Teilmenge an Daten mitzuteilen, die es verarbeiten muss, verwendet man beim Aufruf des Unterprogramms bestimmte Techniken, die in höheren Programmiersprachen durch eine sogenannte formale Parameterliste abgebildet werden. Dieser Ausdruck wurde bereits in den 1960er Jahren für die damals als Lehrbeispiel entstandene Sprache ALGOL benutzt und ist noch heute üblich. Die Begriffe Parameter oder Argument werden in diesem Kontext oft synonym verwendet, wobei sich „Parameter“ genau genommen auf die Funktionsdefinition bezieht, „Argument“ hingegen auf den tatsächlichen Aufruf. Den Unterprogrammen wird beim Aufruf über die tatsächliche Parameterliste (genauer: Argumentliste) bestimmte Werte übergeben, mit denen sie arbeiten können. Die Unterprogramme liefern in der Regel Rückgabewerte zurück.

Alle genannten Werte können auch Referenzen, Zeiger oder Adressen auf Speicherbereiche sein. Die genannten Begriffe sind ebenfalls synonym. Im C++-Jargon wird allerdings oft streng zwischen Referenz und Zeiger unterschieden, mit Referenz wird die mit Type& deklarierte Variante bezeichnet, Zeiger dagegen mit Type*. Der Unterschied besteht darin, das eine Referenz im Gegensatz zum Zeiger nicht uninitialisiert oder leer sein darf. Das bedeutet, bei Verwendung einer Referenz muss immer ein gültiges Objekt des entsprechenden Typs übergeben werden. Referenzen auf Grunddatentypen sind ebenfalls erlaubt (z. B. int&).

Übergabe der Parameter/Argumente[Bearbeiten]

Abhängig von der Rechnerarchitektur und der Programmiersprache werden zur Übergabe von Parametern vom aufrufenden an den aufzurufenden Softwareteil unterschiedliche Verfahren und Konventionen benutzt. Zum Beispiel können die Parameter über Register übergeben werden, wobei durch Konventionen festgelegte Register(nummern) auf eine Adressliste zeigen (die die Adressen der Parameter/Argumente enthält), ein Register enthält die Einsprungadresse im Unterprogramm, ein anderes die Rücksprüngadresse. Details siehe Objektmodule bei Großrechnern.

Übergabe über den Stack[Bearbeiten]

In anderen Systemumgebungen wird dazu einen Stack-Mechanismus verwendet. In diesen Fällen ist zum Verständnis der Funktionsweise von Unterprogrammen folgendes Basiswissen notwendig:

Grundsätzlich ist der Speicher von Prozessoren unterteilt in

  • Programmspeicher: Dort steht der Maschinencode, der als Befehle abgearbeitet wird.
  • Dynamischer Speicher (Heap): Dort sind Daten abgespeichert.
  • Stapelspeicher (Stack, Aufrufstapel): Das ist ein besonderer Datenbereich, dessen Verwendung insbesondere bei Unterprogrammen eine Rolle spielt.

Jeder Thread hat seinen eigenen Stapelspeicher. In diesem werden gespeichert:

  • Die Rücksprungadressen für die Fortsetzung der Programmbearbeitung nach Abarbeitung des Unterprogramms
  • Die tatsächlichen Parameter
  • Alle Daten, die lokal in einer Prozedur vereinbart werden
  • Rückgabewerte

Der Stack wird bei der Programmabarbeitung im Maschinencode über ein spezielles Adressregister adressiert, den Stackpointer oder Stapelzeiger. Dieser adressiert immer das untere Ende des als Stack benutzen Speicherbereiches. Hinzu kommt zumeist ein Basepointer, der eine Basisadresse der Variablen und tatsächlichen Parameter innerhalb des Stacks adressiert. Der Begriff Stack ist im Deutschen als „Stapel“ übersetzbar, auch der Begriff „Kellerspeicher“ wird benutzt. Im Stack werden Informationen gestapelt und nach dem Prinzip Last In – First Out (LIFO) gespeichert und wieder ausgelesen. Allerdings kann der Zugriff auch auf beliebige Adressen innerhalb des Stacks erfolgen.

Die Parameterübergabe erfolgt über den Stack. Jeder tatsächliche Parameter wird in der Reihenfolge der Abarbeitung, üblicherweise von links nach rechts (gemäß einer strikt festgelegten Aufrufkonvention), auf den Stack gelegt. Dabei erfolgt, falls notwendig, eine Konvertierung auf das Format, das vom Unterprogramm benötigt wird.

Bei Aufruf des Unterprogramms wird dann der sogenannte Basepointer auf die nunmehr erreichte Adresse des Stacks gesetzt. Damit sind die Parameter des Unterprogramms relativ über die Adresse, die im Basepointer gespeichert ist, erreichbar, auch wenn der Stack für weitere Speicherungen benutzt wird.

Werte oder Referenzen/Zeiger als Parameter[Bearbeiten]

Werden in der tatsächlichen Parameterliste nicht nur elementare Datentypen wie int oder float angegeben, sondern komplette Datenstrukturen, dann werden im Stack meist nicht die Werte der Datenstruktur selbst, sondern Referenzen (Adressen) auf die Datenstrukturen übergeben. Das hängt allerdings vom Aufruf und der Gestaltung der tatsächlichen Parameterliste ab. In C und C++ ergeben sich folgende Verhältnisse:

void function(type* data)         // Funktionskopf, formale Parameterlistestruct { int a, float b } data;   // Datendefinition
function(&data);                  // Funktionsaufruf, tatsächliche Parameterliste

In diesem Fall erfolgt beim Aufruf die explizite Angabe der Adresse der Daten, ausgedrückt mit dem & als Referenzierungsoperator. Beim Aufruf ist data ein Zeiger (engl. pointer) auf die Daten. Allgemein ausgedrückt kann von Referenz auf die Daten gesprochen werden.

Der Aufruf function(data) ohne den Referenzierungsoperator & führt zu einem Syntaxfehler. In C allerdings nur, wenn der Prototyp der gerufenen Funktion bekannt ist.

In C++ kann der Funktionskopf im gleichen Beispiel mit void function(type& data) geschrieben werden. Dann ist der Aufruf mit function(data) zu gestalten. Der Übersetzer erkennt automatisch aufgrund des in C++ notwendigerweise bekannten Funktionsprototyps, dass die Funktion laut formaler Parameterliste eine Referenz erwartet und kompiliert im Maschinencode das Ablegen der Adresse der Daten auf den Stack. Das entlastet den Programmierer von Denkarbeit, der Aufruf ist einfacher. Allerdings ist beim Aufruf nicht ersichtlich, ob die Daten selbst (call by value) oder die Adresse der Daten übergeben wird.

In C oder C++ ist es auch möglich, anstelle der meist sinnvollen und gebräuchlichen Referenzübergabe eine Wertübergabe zu programmieren. Das sieht wie folgt aus:

void function(type data)          // Funktionskopf, formale Parameterlistestruct { int a, float b } data;   // Datendefinition
function(data);                   // Funktionsaufruf, tatsächliche Parameterliste

Beim Aufruf wird der Inhalt der Struktur insgesamt auf den Stack kopiert. Das kann sehr viel sein, wenn die Struktur umfangreich ist. Dadurch kann es zum Absturz des gesamten Ablaufes kommen, wenn die Stackgrenzen überschritten werden und dies in der Laufzeitumgebung nicht erkannt wird. Eine Wertübergabe ist allerdings sinnvoll in folgenden Fällen:

  • Übergabe einer kleinen Struktur
  • Einkalkulierung der Tatsache, dass der Inhalt der originalen Struktur während der Abarbeitung verändert wird. Die Inhalte der Struktur beim Aufrufer bleiben unverändert, da eine Kopie der Daten angelegt und übergeben wird.

Rückgabe von Ergebnissen (Einzelwerte)[Bearbeiten]

Ein Unterprogramm kann in den meisten Programmiersprachen einen einfachen Wert als Rückgabewert zurückgeben, beispielsweise als Integer oder Wahrheitswert. Dieser einfache Wert passt immer in ein CPU-Register, damit ist dies für die meisten Übersetzer/Laufzeitsysteme die richtige Wahl. Der Wert im Register wird entweder innerhalb eines Ausdruckes unmittelbar weiterverarbeitet (z. B. … + function(parameter) * …) oder er wird gespeichert (z. B. variable = function(parameter)).

Wirkung und funktionale Programmierung: Das Unterprogramm selbst kann dabei ohne Wirkung auf irgendwelche anderen Daten sein, oder im Unterprogramm können weitere Daten beeinflusst werden. Im ersten Fall entspricht das Unterprogramm dem Ansatz der Funktionalen Programmierung.

Rückgabewertübergabe Ergebnisse in Strukturform[Bearbeiten]

In fast allen modernen prozedualen Programmiersprachen ist es möglich, nicht nur einfache skalare Werte wie ganze Zahlen (zum Beispiel int) oder Gleitkommazahlen (zum Beispiel float) als Rückgabewert zurückzugeben, sondern auch Datenstrukturen oder Datenverbunde (zum Beispiel struct).

struct DataType { int a; float b };
 
DataType function()
{
  DataType  data;                 // Daten werden hier angelegt,
  data.a = 5;                     // und belegt
  data.b = 27.2;
  return data;                    // und nach außen kopiert.
}
DataType data2 = function();      // Aufruf

Die Struktur wird in diesem Beispiel in der Programmiersprache C zunächst lokal auf dem Stapelspeicher (Stack) angelegt. Mit dem Aufruf von return werden die Daten der Struktur in einen vom Compiler reservierten Zwischenbereich im Stapelspeicher kopiert, der mit dem Verlassen der Funktion nicht freigegeben wird, sondern zur Aufrufumgebung gehört. Bei der nachfolgenden Zuweisung werden dann die Daten in die Zielstruktur kopiert. Diese Variante der Datenübergabe ist etwas aufwändiger. Besteht die Struktur allerdings aus wenigen Daten, kann der Compiler diese auch über CPU-Register und damit optimal zurückgegeben. Der Zwischenbereich wird dann nach dem Programmblock (an der schließenden geschweiften Klammer), der den Aufruf enthält, wieder freigegeben.

Folgende Struktur wird von den meisten C++-Übersetzern mindestens mit einer „Warnung“ bewertet, ist in dieser Programmiersprache zwar zulässig, jedoch programmiertechnisch unsinnig:

DataType* function()
{
  DataType  data;                 // Daten werden hier angelegt,
  data.a = 5;                     // und belegt
  data.b = 27.2;
  return &data;                   // und nach außen als Referenz bekanntgegeben.
}
DataType* data2 = function();     // Aufruf

Der Fehler besteht darin, dass die Daten im Stapelspeicher angelegt werden und eine Referenz (Zeiger) auf den Stapelbereich zurückgegeben wird, der Stapelbereich aber dann für anderweitige Verwendung freigegeben wird. Es kommt auf die weitere Stapelnutzung an, ob der Bereich tatsächlich überschrieben wird, so dass ein solcher Fehler zunächst gegebenenfalls gar nicht auffällt. Insbesondere, wenn über den Zeiger schreibend auf die Daten zugegriffen wird, kann es im weiteren Verlauf zum Überschreiben wichtiger Stapelspeicher-Strukturdaten über Zeigervariablen oder Rücksprungadressen kommen, was einen schwer nachvollziehbaren Absturz des Gesamtprogrammablaufes erzeugt.

Strukturierte Programmiersprachen erlauben daher keine statischen Datenstrukturen als Rückgabewerte und erfordern grundsätzlich die Erzeugung von lokalen Datenstrukturen mit Referenzvariablen dauerhaft und mit dem dazugehörigen Datentyp im dynamischen Speicher (Heap), so dass die Daten nicht versehentlich überschrieben oder falsch interpretiert werden können.

Die Möglichkeit, das Problem auch in der Programmiersprachenfamilie von C richtig zu lösen, besteht ebenfalls in der Nutzung von dynamischem Speicher:

DataType* function()
{
  DataType* data = new DataType;  // Daten werden stattdessen im Heap angelegt,
  data->a = 5;                    // und belegt
  data->b = 27.2;
  return data;                    // und nach außen als Referenz bekanntgegeben.
}

In C muss malloc anstatt new verwendet werden, alles andere ist identisch. In C und in C++ muss dabei geklärt werden, wer für das Freigeben der Daten verantwortlich ist. Ansonsten bleibt Speichermüll stehen, was bei längerer Laufzeit zum Absturz des Systems führen kann. In objektorientierten Programmiersprachen mit dynamischen Laufzeitsystemen sorgt deswegen eine obligatorische, automatische Speicherbereinigung für das korrekte Freigeben des Speichers, wenn dieser nicht mehr verwendet wird. Hier können die Datenobjekte beziehungsweise Instanzen sogar völlig unabhängig vom erzeugenden Programm weiterexistieren, so dass der Programmierer gar keinen Einfluss mehr auf die Freigabe des Speichers nehmen kann.

Rückschreiben über referenzierte Daten[Bearbeiten]

In vielen Programmiersprachen ist ein Rückschreiben von Ergebnissen auch über Referenzen, die als Parameter des Unterprogramms übergeben wurden, möglich, beispielsweise in C und C++:

void function(Type* data)
{
  data->a = data->b * 2;          // Wert in data->a wird veraendert.
}

Das gilt gleichermaßen für Java. Das Rückschreiben kann ungewollt sein, weil Nebenwirkungen (Nebeneffekte) verhindert werden sollen. Ein Unterprogramm soll die Werte von bestimmten Datenstrukturen nur lesend verarbeiten und wirkungsfrei darauf sein. In C++ (bzw. in C) ist es möglich, zu formulieren:

void function(Type const* data)
{
  data->a = data->b * 2;          // Hier meldet der Übersetzer einen Syntaxfehler.
}

Die hier verwendete Schreibweise mit dem Schlüsselwort const soll deutlich machen, dass der gezeigerte (referenzierte) Bereich als konstant zu betrachten ist. Möglicherweise wird const Type* geschrieben, was syntaktisch und semantisch identisch ist. Nur in diesem Fall ist es möglich, einen als konstant deklarierten Speicherbereich überhaupt zu übergeben. Die Konstruktion

const struct Type { int a, float b } data = { 5, 27.2 };
function(Type* data) {}        // Funktionsdefinition
function(&data);                  // Aufruf

führt in C++ zu einem Syntaxfehler, weil es nicht gestattet ist, als konstant bezeichnete Daten an eine nicht konstante Referenz zu übergeben. In C werden Zeigertypen nicht so genau getestet, so dass dieses Beispiel – abhängig vom verwendeten Übersetzer – in solchen Fällen möglicherweise lediglich eine Warnung auslösen würde.

Allerdings ist es in C und C++ möglich, innerhalb der Funktion den Typ des Zeigers zu wandeln und dann dennoch schreibend auf den Speicherbereich zuzugreifen. Eine solche Programmierung sollte nur in Sonderfällen verwendet werden und sollte nach außen entsprechend dokumentiert werden.

In Java gibt es die Möglichkeit der const-Auszeichnung in einem Referenzparameter zur Unterscheidung des schreibenden oder nicht schreibenden Zugriff auf eine Instanz nicht. Das Konzept sieht stattdessen vor, den Zugriffsschutz über private-Kapselung zu realisieren. Insbesondere können spezifische interface-Referenzen verwendet werden. Mit dieser Methodik ist es möglich, von außen zu kontrollieren, was eine Subroutine an den übergebenen Daten ändern kann, ohne die Subroutine im Detail zu kennen.

In der objektorientierten Programmierung in Java und C++ wird die Referenz auf die Klassendaten implizit mit dem this-Zeiger übergeben. Für Klassenmethoden ist also das Schreiben auf die eigenen Daten immer möglich.

Umsetzung auf Maschinenebene[Bearbeiten]

Das Konzept des Stack wurde weiter oben im Abschnitt „Übergabe über den Stack“ bereits erläutert.

Für Unterprogramme auf Maschinensprachniveau (Assembler) ist es an sich gleichgültig beziehungsweise liegt in der Hand des Programmierers, wie er die Parameterübergabe und die Rücksprungadresse verwaltet. Möglich ist auch die Übergabe und Speicherung ausschließlich in Prozessorregistern. Allerdings ist bei der Verwaltung der Rücksprungadresse die Notwendigkeit eines geschachtelten Aufrufs mehrerer (typisch verschiedener) Unterprogramme ineinander zu beachten. Nur bei ganz einfachen Aufgaben ist eine Beschränkung auf wenige oder nur eine Ebene sinnvoll. Es gibt aber tatsächlich bei zugeschnittenen Prozessoren und Aufgabenstellungen auch solche Konzepte.

  • Die Rücksprungadresse, das ist die Folgeadresse nach dem Aufruf der Unterprogramme für die Fortsetzung des aufrufenden Programmes, wird auf den Stack gelegt.
  • Zuvor werden die Aufrufparameter auf den Stack gelegt.
  • Noch zuvor wird ein gegebenenfalls notwendiger Speicherplatz für Rückgabewerte auf dem Stack reserviert, wenn notwendig.
  • Der Basepointer wird auf den Stack gelegt.
  • Danach wird das Unterprogramm aufgerufen, das heißt, der Befehlszähler wird geändert auf die Startadresse des Unterprogramms.
  • Am Beginn des Unterprogramms wird der Basepointer auf den Wert des Stackpointers gesetzt als Adress-Bezug der Lage der Parameter, des Rücksprunges und der lokalen Variablen.
  • Der Stackpointer wird gegebenenfalls weiter dekrementiert, wenn das Unterprogramm lokale Variablen benötigt. Diese liegen auf dem Stack.
  • Am Ende des Unterprogramms wird der ursprüngliche Wert des Basepointer aus dem Stack geholt und damit rekonstruiert.
  • Dann wird die Rücksprungadresse aus dem Stack geholt und der Instruction Pointer damit wieder restauriert.
  • Der Stackpointer wird inkrementiert um den Wert, um den vorher dekrementiert wurde.
  • Damit wird das aufrufende Programm fortgesetzt.

In Assembler muss man diese Dinge alle richtig selbst programmieren. In den Programmiersprachen C++ und C übernimmt das der Übersetzer. In Java erfolgt innerhalb der Speicherbereiche der Virtuellen Maschine das Gleiche, organisiert vom Bytecode (erzeugt vom Java-Übersetzer) und dem Maschinencode in der virtuellen Maschine.

Als Illustration sei hier der erzeugte Assembler-Code (80x86-Assembler) der folgenden einfachen Funktion gezeigt:

float parabel(float x)
{
    return x * x;
}

Als Compiler wurde Microsoft Visual Studio 6 auf einem PC verwendet. Der Assemblercode ist in dieser IDE sichtbar, beispielsweise beim Debuggen in Maschinenebene, aber auch wenn Listingfiles mit setzen der entsprechenden Compileroptionen erzeugt werden.

Maschinencode für den Aufruf: float y = parabel(2.0F);

  push        40000000h           ; Der Wert 2.0 wird in den Stack gelegt.
  call        parabel             ; Aufruf des Unterprogramms;
                                  ; call legt den Instructionpointer in den Stack
  add         esp, 4              ; Addieren von 4, das ist Byteanzahl des Parameters
  fst         dword ptr [ebp - 4] ; Abspeichern des Ergebnisses in y

Maschinencode des Unterprogramms:

parabel:
  push        ebp                 ; Der Basepointer wird im Stack gespeichert.
  mov         ebp, esp            ; Der Basepointer wird mit dem Wert des Stackpointer geladen.
  sub         esp, 40h            ; 64 Byte Stack werden reserviert.
  push        ebx                 ; CPU-Register, die hier verwendet = geändert werden,
  push        esi                 ; werden im Stack zwischengespeichert.
  push        edi
  fld         dword ptr [ebp + 8] ; Der Wert des Parameters x wird relativ zum Basepointer geladen
  fmul        dword ptr [ebp + 8] ; und in der floating-point-unit mit selbigem multipliziert.
 
  pop         edi                 ; Register werden restauriert.
  pop         esi
  pop         ebx
  mov         esp, ebp            ; Der Stackpointer wird genau auf den Stand wie beim Aufruf
                                  ; des Unterprogramms gebracht.
  pop         ebp                 ; Der Basepointer wird aus dem Stack restauriert.
  ret                             ; Der Instruction pointer wird aus dem Stack restauriert
                                  ; und damit wird nach dem call (oben) fortgesetzt.

Folgendes Beispiel zeigt einen handgeschriebenen Assemblercode für den Signalprozessor ADSP-216x von Analog Devices für folgende aus C zu rufende Funktion:

float set_floatExtend(_floatExtend* dst, float nVal);

Dabei handelt es sich um eine Funktion, die einen in nVal stehenden Wert auf der Adresse dst speichern soll. Das Besondere hierbei ist, dass der Fließkommawert 40 Bit umfasst und auf zwei 32-bittige Speicheradressen aufgeteilt werden muss.

 .GLOBAL _set_floatExtend;     ; Sprunglabel global sichtbar
 _set_floatExtend:             ; Sprunglabel angeben, das ist der Name des Unterprogramms,
                               ; aus C ohne Unterstrich anzugeben.
   I4 = R4;                    ; Im Register R4 wird der erste Parameter _floatExtend* dst übergeben.
                               ; Da es eine Adresse ist, wird diese in das Adressregister I4 umgeladen.
   PX = F8;                    ; Der zweite Parameter float nVal wird aus F8 in das Register PX geladen.
   dm(0,I4) = PX1;             ; Ein Teil des Inhaltes von PX, in PX1 sichtbar, wird auf
                               ; der Adresse gespeichert, die von I4 gezeigert wird.
   dm(1,I4) = PX2;             ; Speicherung des zweiten Teils auf der Folgeadresse
 ! FUNCTION EPILOGUE:          ; Standard-Abschluss des Unterprogramms:
   i12 = dm(-1,i6);            ; Das Adressregister i12 wird aus einer Adresse relativ zum Basepointer
                               ; (hier i6) geladen. Das ist die Rücksprungadresse.
   jump (m14,i12) (DB)         ; Das ist der Rücksprung unter Nutzung des Registers i12.
   F0 = F8;                    ; nach dem Rücksprung werden die noch im cashe stehenden Befehl verarbeitet,
                               ; hier wird der Wert in F8 nach dem Register R0 geladen, für return.
   RFRAME;                     ; dieser Befehl korrigiert den Basepointer i6 und Stackpointer i7.

Definition und technische Anwendung von Unterprogramm-Parametern[Bearbeiten]

Formale Parameter[Bearbeiten]

Die formalen Parameter eines Unterprogramms werden bei dessen Deklaration oder Definition normalerweise hinter dem Namen des Unterprogramms angegeben. Mit diesen kann im Unterprogramm beispielsweise gerechnet werden, ohne dass konkrete Werte bekannt sind. Bei einer Deklaration sind oft nur die Datentypen der formalen Parameter anzugeben. Die verwendeten Parameter müssen immer zuweisungskompatibel zu diesen formalen Definitionen sein.

Beispiel: Unterprogrammdeklaration in den Programmiersprachen PASCAL und Delphi mit x und y als formalen Parametern:

 FUNCTION Radius(x, y : REAL) : REAL;
 BEGIN
  Radius := SQRT((x * x) + (y * y))
 END;

Die formalen Parameter, hier x und y, sind Platzhalter für die bei jeder Verwendung zu übergebenden Argumente oder tatsächlichen Parameter.

Tatsächliche Parameter oder Argumente[Bearbeiten]

Zur Verwendung des Unterprogramms wird dieses mit die Ausführung beeinflussenden tatsächlichen Parametern (Argumenten) aufgerufen; diese definieren für diese Ausführung den anfänglichen konkreten Wert der abstrakten formalen Parameter. Zur besseren Unterscheidung von formalen Parametern wurde für tatsächliche Parameter auch die Bezeichnung Argument etabliert, besonders in Beschreibungen von Programmiersprachen.[1][2] Im Deutschen findet man auch die Bezeichnung aktueller Parameter, durch die falsche Übersetzung des englischen Ausdrucks actual parameter (tatsächlicher Parameter). Die Art der Übergabe ist von Programmiersprache zu Programmiersprache verschieden. Die Sprache Fortran verwendet beim Übersetzen festgelegte Speicheradressen für jedes Unterprogramm. Sprachen wie Pascal oder C verwenden den Stack oder Prozessorregister zur Parameterübergabe.

Beispiel: Aufruf des Unterprogramms mit verschiedenen tatsächlichen Parametern:

 r1 := Radius(x1, y1);               -- tatsächliche Parameter x := x1 und y := y1
 Durchmesser := 2 * Radius(13, -2);  -- tatsächliche Parameter x := 13 und y := -2

Kurz: (formale) Parameter stellen benannten Speicherplatz zur Verfügung, ähnlich algebraischen Variablen, Argumente oder tatsächliche Parameter sind konkrete Werte (oder Datenobjekte), die dort gespeichert und entsprechend verwendet werden.

Type-Hinting[Bearbeiten]

Werden die Datentypen der formalen Parameter vorgegeben, wie im obigen Beispiel, spricht man von Type-Hinting. Type-Hinting ist in vielen Programmiersprachen (C, C++, Java und einige mehr) Pflicht (das Auslassen führt zu einem Syntaxfehler), während Skriptsprachen häufig keine Möglichkeit bieten Type-Hinting zu verwenden.

  • Ein Beispiel aus C bzw. C++:
 float radius (float x, float y);
  • Ein Beispiel aus PHP:
 function radius($x, $y);

Ersetzen der formalen durch tatsächliche Parameter[Bearbeiten]

Es gibt unterschiedliche Methoden, wie die formalen Parameter während der Parameterübergabe durch die tatsächlichen Parameter ersetzt werden:

  1. Bei Wertparametern (call by value) wird der Wert eines Ausdrucks berechnet und gegebenenfalls eine Kopie des Ergebnisses erzeugt. Dieses wird an Stelle des formalen Parameters verwendet. Die tatsächlichen Parameter können beliebige Ausdrücke wie 2 * x + 1 oder sin(x) sein. Etwaige Änderungen der Parameter im Unterprogramm werden nur in der Kopie durchgeführt und gehen bei Abschluss des Unterprogramms verloren. Große Datenstrukturen wie Felder werden bei der Übergabe kopiert, was unerwünscht sein kann.
  2. Referenzparameter (call by reference) übergeben eine Referenz (normalerweise die Speicheradresse) des tatsächlichen Parameters. Dies ist in der Regel sehr schnell. Änderungen bleiben auch nach Abschluss des Unterprogramms wirksam. Tatsächliche Parameter können nur Ausdrücke sein, deren Adresse berechnet werden kann, also z. B. keine Konstanten.
  3. Namensparameter (call by name) setzen den Namen des tatsächlichen Parameters an Stelle des formalen Parameters ein. Dies kann auch mehrfach geschehen. Zusammen mit dem tatsächlichen Parameter wird eine Umgebung übergeben, welche die Bindungen der freien Variablen, welche im tatsächlichen Parameter vorkommen, angibt. Der Unterschied zu Wertparametern ist, dass der Ausdruck jedes Mal berechnet wird, wenn der Parameter in der aufgerufenen Funktion benutzt wird.

In einem Makro wird der formale Parameter textuell durch den tatsächlichen Parameter ersetzt. Der Unterschied zu Namensparametern besteht darin, dass Namenskonflikte in Kauf genommen werden. Kommt in einem tatsächlichen Parameter eine Variable vor, welche den gleichen Namen wie eine lokale Variable besitzt, so wird bei der Makroexpansion die lokale Variable verwendet.

  1. Wertergebnisparameter (call by value/return oder call by value and result) erzeugen wie Wertparameter beim Aufruf zunächst eine Kopie des tatsächlichen Parameters. Bei Unterprogrammende wird der Inhalt des Parameters jedoch zurückgeschrieben. Dieser Parameterübergabemechanismus kann bei nebenläufigen Programmen eine andere Wirkung als die Verwendung von Referenzparametern haben, da während der Ausführungszeit des Unterprogramms ein anderer Thread auf die Variable in der aufrufenden Prozedur zugreifen kann.
  2. Ergebnisparameter (call by result) erstellen eine lokal gültige, nicht initialisierte Variable als Parameter. Dieser Variable wird während der Abarbeitung des Unterprogramms ein Wert zugewiesen und bei Unterprogrammende in die Speicherposition des Aufrufparameters kopiert, sodass dieser überschrieben wird.
  3. Call-by-Need ist eine Variante von Namensparametern, bei der jeder übergebene tatsächliche Parameter maximal einmal ausgewertet wird. Wird ein tatsächlicher Parameter ausgewertet, so werden alle Vorkommen des formalen Parameters durch den erhaltenen Wert ersetzt. In Haskell ist call-by-need Teil der Lazy Evaluation.

Moderne, prozedurale Programmiersprachen unterstützen in der Regel Wertparameter und Referenzparameter, manchmal auch Wertergebnisparameter.

Beispiel für verschiedene Parameterübergaben[Bearbeiten]

 proc test(a,b)
 {
     b = b + 1;
     a = 10 * a;
 }
 
 a = 5;
 b = 4;
 test(a ,a);
 print(a, b);
 test(b, b);
 print(b);
Ausgabe bei Wertparametern (call by value)
 5 4
 4

Erklärung: Es wird durch die Aufrufe von test keine Veränderung an den Variablen a und b durchgeführt, sodass die Variablen jeweils nach Beendung des Unterprogramms ihren ursprünglichen Wert beibehalten.

Ausgabe bei Referenzparametern (call by reference)
 60 4
 50

Erklärung: Bei der ersten Abarbeitung von test, aufgerufen in Zeile 9, verweisen sowohl die lokale Variable a als auch b auf den Speicherbereich von a, da a für beide Parameter angegeben wurde. Daher werden alle Veränderungen, die in test an a und b ausgeführt werden, im gleichen Speicherbereich ausgeführt. a hatte vor diesem Aufruf den Wert 5, wird in Zeile 3 um 1 erhöht und anschließend wird in Zeile 4 dieser Wert mit 10 multipliziert; also steht an der Speicherstelle nun der Wert 60. Zurück im Hauptprogramm weist a dann auf die Speicherstelle, an der die soeben berechnete 60 steht, also wird 60 in Zeile 9 für a ausgegeben, b wurde nicht geändert.

Nach dem gleichen Prinzip funktioniert die zweite Abarbeitung von test, aufgerufen in Zeile 11. Es verweisen sowohl die lokale Variable a als auch b auf den Speicherbereich von b, da b für beide Parameter angegeben wurde. Daher werden alle Veränderungen, die in test an a und b ausgeführt werden, im gleichen Speicherbereich ausgeführt. b hatte vor diesem Aufruf den Wert 4, wird in Zeile 3 um 1 erhöht und anschließend wird in Zeile 4 dieser Wert mit 10 multipliziert; also steht an der Speicherstelle nun der Wert 50. Zurück im Hauptprogramm weist b dann auf die Speicherstelle, an der die soeben berechnete 50 steht, also wird 50 in Zeile 12 für b ausgegeben.

Ausgabe bei Wertergebnisparametern (call by value and result)
 50 5
 6 ''oder'' 50

Erklärung: Beim zweiten Aufruf von test werden zwei Kopien von b erstellt, auf die a und b innerhalb von test zeigen. a hat bei Beendung des Unterprogramms den Wert 50, b hat den Wert 6. Je nach dem, welcher Wert zuerst in das ursprüngliche b zurück gespeichert wird, kann das Ergebnis variieren.

Befehlszeilenparameter[Bearbeiten]

Zudem besteht bei vielen gängigen Programmen für alle gängigen Betriebssysteme die Möglichkeit, Parameter in der Befehlszeile zu übergeben, die dann beim Aufrufen bearbeitet werden.

Beispiel: Fiktiver Programmaufruf über die Befehlszeile unter Windows

 programm.exe -parameter -weiterer -xyz=(a|b) /usw

Hiermit würde programm.exe mit den Parametern „parameter“, „weiterer“, „xyz=(a|b)“ und „usw“ aufgerufen werden. Parameter werden also mit oder ohne Wertangabe verwendet, wobei die Wertangabe dem Namen mit Leerraum, mit Sonderzeichen wie „=“ oder gar nicht abgegrenzt angehängt wird. Je nachdem, welches Programm verwendet wird, stehen verschiedene Parameter zur Verfügung; je nach Programm haben gleich benannte Parameter im Allgemeinen unterschiedliche Auswirkungen. Auch die formalen Regeln zur Angabe sind vom Programm abhängig; dass, wie im Beispiel, mehrere unterschiedliche Trennzeichen verwendet werden, ist zwar unüblich und dient nur der Demonstration, aber viele Programme bieten durchaus flexible Möglichkeiten.

Unter UNIX-artigen Systemen werden Parameter traditionell mit einzelnen Buchstaben angegeben und mit „-“ eingeleitet, wenn es sich um Optionen oder Schalter handelt, die aus einer für das jeweilige Programm feststehenden Menge ausgewählt werden können; dagegen werden Parameter nicht besonders eingeleitet, wenn es sich um Dateinamen und ähnliche freie Angaben handelt. Die Abgrenzung voneinander geschieht erforderlichenfalls durch Leerraum. Beispiel: „ls -l -t /usr/bin /usr/local/bin“ oder gleichbedeutend „ls -lt /usr/bin /usr/local/bin“. Bei Programmen, die sowohl einbuchstabige als auch mehrbuchstabige Optionen annehmen, sind Letztere mit „--“ einzuleiten.

Unter DOS (in Tradition von OpenVMS) wird traditionell „/“ an Stelle des „-“ verwendet und Werte von Parameternamen mit „=“ abgetrennt. Unter Windows sind beide Stile anzutreffen.

Allgemein kann man sagen, dass versierte Benutzer bei Verwendung von Befehlszeilenparametern oft schneller zu Ergebnissen kommen als durch andere Bedienmöglichkeiten, wie beispielsweise Dialogfenster in einer GUI. So ist es mit IrfanView zum Beispiel ein Leichtes, mittels dreier Parameter beliebig viele Bilder zu laden, zu konvertieren und in einem anderen Format zu speichern.

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  British Standards Institute (Hrsg.): The C Standard – Incorporating TC1 – BS ISO/IEC 9899:1999. John Wiley & Sons, 2003, ISBN 0-470-84573-2, 3.1.
  2. Working Draft, Standard for Programming Language C++. Abgerufen am 26. September 2010 (PDF; 4,6 MB, englisch, Kap. 1.3.1).