Programm-Strukturen#
Wil Baden
, auf den Sie in der englischsprachigen Literatur oft stoßen, hat in
seinem Beitrag ESCAPING FORTH folgendes dargelegt: Es gibt vier Arten von Steueranweisungen :
- die Abfolge von Anweisungen,
- die Auswahl von Programmteilen,
- die Wiederholung von Anweisungen und Programmteilen,
- den Abbruch.
Die ersten drei Möglichkeiten sind zwingend notwendig und in den älteren Sprachen wie PASCAL ausschließlich vorhanden. Entsprechend steht im volksFORTH eine Anweisung für die Auswahl von Programmteilen zur Verfügung, wobei die Ausführung vom Resultat eines logischen Ausdrucks abhängig gemacht wird:
flag IF <Anweisungen> THEN flag IF <Anweisungen> ELSE <Anweisungen> THEN
Soll dagegen im Programm ein Rücksprung erfolgen, um Anweisungen wiederho1t auszuführen, wird bei einer gegebenen Anzahl von Durchläufen diese Anweisung eingesetzt, wobei der aktuelle Index über I und J zur Verfügung steht:
<Grenzen> DO / ?DO <Anweisungen> LOOP <Grenzen> DO / ?DO <Anweisungen> <Schrittweite> +LOOP
Wenn eine Wiederholung von Anweisungen ausgeführt werden soll, ohne daß die Anzahl der Durchläufe bekannt 1st, so ist eine Indexvariable mitzuführen oder sonstwie zum Resultat eines logischen Ausdrucks zu kommen. Die folgende Konstruktion ermöglicht eine Endlos-Schleife:
BEGIN <Anweisungen> REPEAT
Die Wiederholungsanweisungen sind insoweit symmetrisch, daß eine Anweisung so lange (while) ausgeführt wird, wie ein Ausdruck wahr ist, oder eine Anweisung wiederholt wird, bis (until) ein Ausdruck wahr wird.
BEGIN <Anweisungen> flag UNTIL BEGIN <Anweisungen> flag WHILE <Anweisungen> REPEAT
Beide Möglichkeiten lassen sich in volksFORTH auch kombinieren, wobei auch mehrere (multiple) WHILE in einer Steueranweisung auftreten dürfen.
BEGIN <Anweisungen> flag WHILE <Anweisungen> flag UNTIL
Nun tritt in Anwendungen häufig der Fall auf, daß eine Steueranweisung verlassen werden soll, weil sich etwas ereignet hat.
Dann ist die vierte Situation, der Abbruch, gegeben, Die Programmiersprache "C" stellt dafür die Funktionen: break, continue, return und exit zur Verfügung; volksFORTH bietet hier exit, leave, endloop, quit, abort, abort" und abort( an. In FORTH wird EXIT dazu benutzt, um die Definition zu verlassen, in der es erscheint; LEAVE dagegen verläßt die kleinste umschließende DO...LOOP-Schleife.
Glossary#
Ab der Version 3.81.8 verfügt volksFORTH über eine zusätzliche Steueranweisung für den Compiler, die bedingte Kompilierung in der Form:
have <word> not .IF <action1> .ELSE <action2> .THEN
DieseWorte werden außerhalb von Colon-Definitionen eingesetzt und ersetzen das \needs früherer Versionen.
- have
- exit
- ?exit
- 0=exit
- if
- .IF
- then
- .THEN
- else
- .ELSE
- do
- ?do
- loop
- +loop
- I
- J
- leave
- endloop
- bounds
- begin
- repeat
- until
- while
- execute
- perform
- case?
- stop
Worte zur Fehlerbehandlung#
Diese arbeiten auch wie Steueranweisungen, wie die Definitionen von ARGUMENTS und IS-DEPTH zeigen: :
is-depth ( n — ) depth 1- — abort" falsche Parameterzahl!" ;
IS-DEPTH überprüft den Stack auf eine gegebene Anzahl Stackelemente (depth) hin.
Fallunterscheidung in FORTH#
Strukturierung mit IF ELSE THEN / ENDIF#
An dieser Stelle soll kurz die vielfältigen Möglichkeiten gezeigt werden, mit denen eine Fallunterscheidung in FORTH getroffen merden kann. Kennzeichnend für eine solche Programmsituation ist, daß von verschiedenen Möglichkeiten des Programmflusses genau eine ausgesucht werden soll.
Ausgehend von einer übersichtlichen Problemstellung, einem Spiel, werden die notwendigen Grundlagendefinitionen und die Entwicklung der oben beschriebenen Kontrollstruktur beschrieben.
Als Beispiel dient ein Spiel mit einfachen Regeln:
Bei diesem Trinkspiel, das nach dem Artikel "Ultimate CASE-Statement" (Vierte Dimension 2/87, Seite 40 ff) auch CRAPS genannt wird, geht es darum, einen Vorrat von gefüllten Gläsern unter den Mitspielern mit Hilfe des Würfels zu verteilen und leerzutrinken:
- Bei einer EINS wurde ein Glas aus dem Vorrat in der Tischmitte genommen und vor sich gestellt.
- Bei einer ZWEI oder einer DREI bekam der Nachbar/ die Nachbarin links ein Glas des eigenen Vorrates zugesehoben.
- Bei einer VIER oder einer FÜNF wurde dem Nachbarn/ der Nachbarin rechts ein Glas des eigenen Vorrates vorgesetzt.
- Bei einer SECHS wurden alle Gläser, die der Spieler / die Spielerin vor sich stehen hatte, leergetrunken.
Zuordnung ist also: 1=nehmen, 2/3=links, 4/5=rechts, 6=trinken und entsprechend der Augenzahl des Würfels soll eine der 6 möglichen Aktionen ausgeführt werden. Das Programm soll sich darauf beschränken, das Ergebnis dieses Würfelns einzulesen und auszuwerten. Daraufhin wird eine Meldung ausgegeben, welche der sechs Handlungen auszuführen ist.
Für ein solches Programm ist eine Zahleneingabe notwendig. Diese wurde hier mit dem Wort F83-NUMBERS realisiert:
: F83-number? ( string -- d f )
number? ?dup
IF
0< IF extend THEN
true exit
THEN
drop 0 0 false ;
: input# ( string -- n )
pad c/l 1- >expect
pad F83-number? 2drop ;
Die Definition der Worter, die sechs oben genannten Aktionen symbolisch ausführen sollen, richtet sich nach den Spielregeln, die für jedes Würfelergebnis genau eine Handlung vorschreiben:
\ nehmen trinken links rechts schieben : nehmen bright ." ein Glas nehmen" normal 2 spaces ; : trinken bright ." alle Gläser austrinken" normal 2 spaces ; : links bright ." ein Glas nach links" normal 2 spaces ; : rechts bright ." ein Glas nach rechts" normal 2 spaces ; : schieben ;
SCHIEBEN ist eine Dummyprozedur, ein Füllsel, dessen Notwendigkeit sich erst sehr spät ergibt. Für den Dialog mit dern Anwender wird deflniert:
: Anfrage cr ." Sollen Sie nehmen, trinken oder schieben?"
cr ." Bitte Ihre Augenzahl und <cr> : " ;
: Glückwunsch cr ." Viel Glück beim nächsten Wurf ..." ;
Das Wort AUSWERTUNG soll entsprechend einem Selektor genau eine von 6 möglichen Prozeduren ausführen. Also wird man prüfen, ob diese oder diese oder ... der Mogiichkeiten in Frage kommt. Hinzu kommt noch die Prüfung, ob der übergebene Parameter zwischen (between) 1 und 6 lag.
Die Def!nit!on von BETWEEN ist volksFORTH-gemäß recht kurz:
( Wert Untergrenze Obergrenze -- false oder )
( -- true wenn Untergrenze <= Wert <= Obergrenze )
: between 1+ uwithin ;
: Auswertung.1 ( wurfergebnis -- )
dup 1 = IF nehmen ELSE
dup 2 = IF links schieben ELSE
dup 3 = IF links schieben ELSE
dup 4 IF rechts schieben ELSE
dup 5 IF rechts schieben ELSE
dup 6 = IF trinken THEN
THEN
THEN
THEN
THEN
THEN
1 6 between not IF invers ." Betrug!" normal THEN ;
Da eine solche Prüfung auf Gleichheit in der Programmierpraxis oft vorkommt, stellt das volks4TH dafür das Wort case? zur Verfügung. case? vergleicht die obersten beiden Stackwerte miteinander. Bei Ungleichheit bleibt der Testwert (Selektor) erhalten, so daß die Worte DUP und = dadurch ersetzt werden.
: Auswertung.3 ( Wurfergebnis -- ) 1 case? IF nehmen exit THEN 2 case? IF links schieben exit THEN 3 case? IF links schieben exit THEN 4 case? IF rechts schieben exit THEN 5 case? IF rechts schieben exit THEN 6 case? IF trinken exit THEN drop invers ." Betrug!" normal ;
Bei dieser Auswertung wird aus dem QueHtext zu wenig deutlich, daß bei ZWEI und DREI dieselbe Handlung ausgeführt wird, wie auch VIER und FÜNF die gleichen Aktionen zur Folge haben.
=OR prüft deshalb einen Testwert n2 auf Gleichheit mit einer unter einem Flag f1 liegenden Zahl n2. Das Ergebnis dieses Tests wird mit dem bereits vorliegenden Flag OR-verknüpft. Dieses neue Flag f2 und der Testwert nl werden Übergeben:
=OR Definition in Forth
: =or ( n1 f1 n2 -- n1 f2 )
2 pick
= or ;
=OR Definition in 8086 Assembler
code 0or ( n1 f1 n2 -- n1 f2 )
A D xchg D pop
S W mov
W ) A cmp
0= ?[ -1 # D mov ]?
next
end-code
Dieses Wort bringt im Quelltext eine deutliche Verbesserung:
: Auswertung.4 ( Wurfergebnis -- )
dup
1 6 between IF
dup 1 = IF nehmen THEN
dup 2 = 3 =or IF links schieben THEN
dup 4 = 5 =or IF rechts schieben THEN
dup 6 = IF trinken THEN
ELSE
invers ." Betrug!" normal
THEN
drop ;
Damit wurde ohne eine CASE-Anweisung eine sehr übersichtliche Steuerung des Programm-Flusses geschaffen. Die Plausibilitatsprüfung, ob die eingegeben Zahl zwischen 1 und 6 lag, ist hier an den Anfang gerückt und wird in einem einzigen ELSE-Zweig abgearbeitet.
Behandlung einer CASE — Situation#
Strukturelles CASE#
Viele Programmiersprachen stellen eine CASE-Anweisung zur Verfügung, die wie in PASCAL mit Hilfe eines Fall-Indices eine Liste von Fall-Konstanten auswertet und eine entsprechende Anweisung ausführt. Obwohl ein solches CASE-Konstrukt — wie oben gezeigt — nicht notwendig ist, macht es Programme besser lesbar und liegt bei Problemstellungen wie der Auswertung eines gegebenen Index eigentlich näher. Dies ist in "Wil Baden - Ultimate CASE-Statement - VD 2/87, S.40 ff." ausführlich diskutiert worden, , wobei aber der ältere Esker-CASE (Dr. Charles Eaker -- Just in CASE (FORTH DIM II/3)) von Dr. Charles Eaker sicherlich der bekanntere ist, der auch in der Literatur und in Quelltexten häufig Erwähnung und Verwendung findet.
Herr H. Sehnitter hat diesen Eaker-CASE für das volks4TH implementiert und dabei Veränderungen in der Struktur und Verbesserungen in der Anwendung vorgenommen.
\ caselist initlist >marklist >resolvlist
| variable caselist
| : initlist ( list — addr )
dup @ swap off ;
| : >marklist ( list — )
here over @ , swap ! ;
| : >resolvelist ( addr list— )
BEGIN dup @
WHILE dup dup @ dup @ rot ! >resolve
REPEAT ! ;
\ case elsecase endcase
: CASE caselist initlist 4 ; immediate restrict
: ELSECASE 4 ?pairs compile drop 6 ; immediate restrict
: ENDCASE dup 4 =
IF drop compile drop
ELSE 6 ?pairs
THEN caselist >resolvelist
; immediate restrict
\ of endof
: OF 4 ?pairs compile over
compile =
compile ?branch >mark
compile drop 5 ; immediate restrict
: ENDOF 5 ?pairs compile branch caselist >marklist >resolve 4 ; immediate restrict
Diese Implementierung des Eaker-CASE stellt eine Verbesserung gegenüber dem Original dar, indem Herr Schnitter die Kontrollstruktur um ELSECASE erweitert hat. Seibstverständlich ist die neue Version vollkommen aufwärtskompatibel mit der Originalversion.
Verbesserung:
In der Originalversion der CASE-Struktur ist es nicht möglich, zwischen dem letzten ENDOF und ENDCASE einen Wert oder ein Flag auf den Stapel zu legen, da ENDCASE grundsätzlich den "Top of Stack" entfernte.
In der verbesserten Version bereinigt ELSECASE den Stapel. ELSECASE muß jedoch nicht aufgerufen werden; in diesem Fall kompiliert ENDCASE wie bisher ein DROP. Es ist jetzt möglich, zwischen den Worten ELSECASE und ENDCASE — wie auch zwischen OF und ENDOF — einen Wert auf den Stapel zu legen und diesen außerhalb der CASE-Kontrollstruktur zu verwenden.
Änderung:
Die Vorwärtsreferenzen werden nicht über den Stack aufgelöst, sondern über eine verkettete Liste. Die Variable caselist enthält die Startadresse für noch nicht bekannte Sprungadressen. Die Schachtelungstiefe mehrerer CASE-Konstruktionen ist beliebig und wird durch initlist gelöst. >marklist füllt zur Kompilierzeit die Liste der Vorwärtsreferenzen und >resolvelist löst sie wieder auf.
Anwendungshinweis:
Wenn diese Definitionen außerhalb der Zusammenstellung des Arbeitssystems zugeladen werden, sollten nach dem Compilieren die Namen der mit | als headerless markierten Worte mit clear entfernt werden.
Das Beispiel einer Tastatuabfrage auf CTRL-Tasten zeigt (MS-DOS), wie dieses CASE-Konstrukt einzusetzen ist. Wichtig ist hierbei, daß das OF selbst die Gleichheit der beiden vorliegenden Werte prüft und in diesem Fall die Anweisungen zwischen OF und ENDOF ausführt.
: Control bl word 1+ c@ $BF and state @ IF [compile] Literal THEN : immediate
: Tastaurabfrage
." exit mot ctrl x" cr
BEGIN key
CASE control A OF ." action ^a " cr false ENDOF
control B OF ." action ^b " cr false ENDOF
control C OF ." action ^c " cr false ENDOF
control D OF ." action ^d " cr false ENDOF
control X OF ." exit 2" true ENDOF
ELSECASE
." befehl unbekannt " CR false
ENDCASE
UNTIL ;
Mit dieser CASE-Anweisung läßt sich die Zuordnung der sechs Möglichkeiten zu den sechs Anweisungen ähnlich wie in PASCAL schreiben, lediglich Bereiche wie 0..255 als Fall-Konstanten sind nicht erlaubt.
: Auswertung.5 ( Wurfergebnis -- )
CASE
1 OF nehmen ENDOF
2 OF links schieben ENDOF
3 OF links schieben ENDOF
4 OF rechts schieben ENDOF
5 OF rechts schieben ENDOF
6 OF trinken ENDOF
ELSECASE
invers ." Betrug!" normal
ENDCASE ;
Das vollständige Programm kann so geschrieben werden, wobei die typische dreiteilung "Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe" deutlich wird:
: craps ( -- )
cr Anfrage cr
input#
Auswertung
cr Glückwunsch
;
Wil Baden hat in "Ultimate CASE Statement" ausgeführt, das eine CASE-Anweisung nur syntaktischer Zucker für ein Programm ist und letztendlich nichts weiter ist, als das Kompilieren einer verschachtelten IF...THEN-Anweisung. Eine solche Implemetierung fur das volksFORTH83 wurde von Herrn Klaus Schleisiek geschrieben:
\ CASE OF ENDOF ENDCASE : CASE ( n1 -- n1 n1 ) dup ; : OF [compile] IF compile drop ; immediate restrict : ENDOF [compile] ELSE 4+ ; immediate restrict : ENDCASE compile drop BEGIN 3 case? WHILE >resolve REPEAT ; immediate restrict
Wil Badens Implementierung hält sich sehr eng an die logischen Grundlagen, wobei der Unterschied zum EAKER-CASE hauptsächlich darin besteht, daß hier jedes TRUE-Flag den Anweisungsteil zwischen OF und ENDOF ausführt; das OF nimmt keine Prüfung auf Gleichheit vor, sondern beliebige Ausdrücke können zu einem Flag führen, das dann von OF ausgewertet wird. So ist das Auswerten des Fall Index variabler als beim EAKER-CASE:
: Auswertung.6 ( Würfenwurf -- )
dup
1 6 between not
IF invers ." Betrug!" normal drop exit THEN
CASE 1 = OF nehmen ENDOF
CASE 6 = OF trinken ENDOF
CASE 4 < OF links schieben ENDOF
CASE 3 > OF rechts schieben ENDOF
ENDCASE ;
Hier bei dieser Konstruktion steht die Plausibilltätsprüfung ganz vorn, um den ELSECASE-Fall durch ein EXIT aus dem Wort zu erreichen. Wird keines der Worte aus der Auswahl-Liste ausgeführt, läßt sich mit BREAK eine andere Lösung erreichen:
: BREAK compile exit
[compile] THEN ; immediate restrict
Dadurch, daß BREAK ein EXIT aus dem Wort darstellt, wird ein (implizites) ELSECASE erreichen, indem man die Anweisungen der Auswahl-Liste mit OF und BREAK klammert und die Anweisungen für den ELSE-Fall nach ENDCASE aufführt:
: Auswertung.7 ( Würfelzahl -- ) CASE 1 = OF nehmen BREAK CASE 2 = 3 =or OF links schieben BREAK CASE 4 = 5 =or OF rechts schieben BREAK CASE 6 = OF trinken BREAK ENDCASE invers ." Betrug!" normal ;
Positionelles CASE#
Eine ganz anderen Lösungsansatz bietet ein positioneller CASE Konstrukt, bei dem die Fallunterscheidung durch den Fall-Index tabellarisch vorgenommen wird.
Bei den bisherigen Lösungen wurden immer eine Reihe von Vergleichen zwischen einem Fall-Index und einer Liste von Fall-Konstanten vorgenommen; nun wird der Fall-Index selbst benutzt, die gewünschte Prozedur auszuwählen. Die Verwendung des Fall-Index als Selektor bringt auch Vorteile in der Laufzeit, da die Vergleiche entfallen.
Wenn FORTH-Worte in Tabellen abgelegt werden sollen, stellt sich das Problem, daß ein FORTH-Wort bei seinem Aufruf normalerweise die einkompilierten Worte ausführt. Bei einer Tabelle ist das nicht erwünscht; dort ist sinnvollerweise gefordert, daß die Startadresse der Tabelle übergeben wird, um den Fall-Index als Offset in diese Tabelle zu nutzen.
Dies läßt sich in volksFORTH entweder auf die traditionelle Weise mit ] und [ oder dem volksFORTH-spezifischen Create: lösen:
Create Glas
~] nehmen links schieben
rechts schieben trinken ~[
Create: Glas
nehmen
links schieben
rechts schieben
trinken ;
Diese Tabelle Glas macht auch deutlich, welche Punktion das Dummy-Wort schieben außer einer besseren Lesbarkeit noch hat: Es löst die Schwierigkeit, daß 6 möglichen Wurfergebnissen nur 4 mögliche Aktionen gegenüberstehen.
Die Art und Weise des Zugriffs in BEWEGEN entspricht dem Zugriff auf eine Zahl in einem eindimensionalen Feld, einem Vektor:
: bewegen ( addr n -- cfa ) 2* + perform ; : richtig ( n -- 0 <= n <= 3 ) swap 1 max 6 min 3 case? IF 2 1- exit THEN 5 case? IF 4 1- exit THEN 1- ;
Dieses Wort RICHTIG läßt zwar Werte kleiner als 1 und größer als 6 zu, justiert sie aber auf den Bereich zwischen 1 und 6. Auch hier müßte eine Möglichkeit geschaffen werden, ein Wurfergebnis außerhalb der 6 Möglichkeiten als Betrugsversuch zurückzuweisen!
Die Verbindung von Tabelle und Zugriffsprozedur wird von dem Wort :Does> vorgenommen:
\ :Does> für Create <name> :Does> <action> ; ks 25 aug 88
| : (does> here >r [compile] Does> ;
: :DOES> last @ 0= Abort" without reference"
(does> corrent @ context ! hide 0 ] ;
Dieses Wort :DOES> weist dem letzten über Create definierten Wort einen Laufzeit-Teil zu. Dieses Wort wurde von Klaus Schleisiek programmiert auch hier gilt der Hinweis, nach dem Kompilieren das mit | als headerless deklarierte Wort durch clear zu löschen.
Create: Auswertung.8
nehmen
links schieben
rechts schieben
trinken ;
:DOES> richtig bewegen ;
Ohne :DOES> sind die Tabelle und die Zugriffsprozeduren voneinander unabhängige Worte:
: CRAPS1
cr Anfrage cr
input#
Glas richtig bewegen
cr Glückwunsch ;
Entschließt man sich dagegen, sowohl Tabelle als auch Zugriffsprozedur in einem Wort zu definieren, so ergibt sich das gewohnte Erscheinungsbild:
: CRAPS
cr Anfrage cr
input#
Auswertung
cr Glückwunsch ;
Bei häufigerem Einsatz solcher Tabellen bietet sich der Einsatz von "positional CASE defining words" an. Auch hier wiederum zuerst die volks4TH-gemäße Lösung, danach die traditionelle Variante:
: Case: ( -- ) Create: Does> ( pfa -- ) swap 2* + perform ; \ Alternative Definition für CASE: : Case: : Does> ( pfa -- ) swap 2* + perform ;
Eine sehr elegante Möglichkeit, die Fehlerbehandlung im Falle eines unglaubwürdigen Fall-Indexes zu handhaben, bietet das Wort Associative:. Dieses Wort Associative: durchsucht eine Tabelle nach einer Übereinstimmung zwischen einem Zahlenwert auf dem Stack und den Zahlenwerten in der Tabelle und liefert den Index der gefundenen Zahl (match) zurück. Im Falle eines Mißerfolgs (mismatch) wird der größtmögliche Index +1 ( out of range = maxIndex + 1 ) übergeben:
: Associative: ( n -- )
Constant Does> ( n -- index )
dup @ -rot
dup @ 0
DO 2+ 2dup @ =
IF 2drop drop I 0 0 LEAVE THEN
LOOP 2drop ;
6 Associative: Auswerten
1,
2 , 3 ,
4 , 5 ,
6 ,
Case: Handlen \ besteht aus
nehmen
links links
rechts rechts
trinken
schimpfen ;