High-Level Language (HLL)

Was ist High-Level Language?

Als High-Level Language (HLL), dt. höhere Programmiersprache, bezeichnet man eine Art von Programmiersprache, die die Computerprogrammierung vereinfachen und für den Menschen zugänglicher machen soll.

Im Gegensatz zu Low-Level Languages (dt. niedere Programmiersprachen), die sich eng an die Hardware eines Computers anlehnen, ähneln höhere Programmiersprachen den menschlichen Sprachen, sowohl in Bezug auf die Syntax (das Regelwerk, das die Kombinationen von Symbolen definiert, die als korrekt strukturierte Programme gelten) als auch auf die Semantik (die Bedeutung dieser Symbole).

Dank dieses Gestaltungsansatzes können Programmierer Codes auf intuitivere Weise schreiben und sich auf die Lösung von Problemen und die Entwicklung von Algorithmen konzentrieren, ohne sich in der Komplexität der Computerarchitektur zu verzetteln.

High-Level Language einfach erklärt

Höhere Programmiersprachen sind so konzipiert, dass sie von Menschen leicht gelesen und geschrieben werden können.

Sie abstrahieren von der Komplexität der Maschinensprache und konzentrieren sich auf eine Syntax, die der natürlichen menschlichen Sprache ähnlich ist.

Mit dieser Konzeptphilosophie können sich die Programmierer mehr auf das Lösen von Problemen und weniger auf die Besonderheiten des Hardwarebetriebs des Computers fokussieren.

Besonderheiten von höheren Programmiersprachen

Eines der entscheidenden Merkmale von höheren Programmiersprachen ist ihre Abstraktion von der Maschinensprache.

Maschinensprache, oder Maschinencode, ist die rohe, binäre Sprache, die direkt von der CPU des Computers verstanden wird. 

Mit High-Level Languages hingegen können Programmierer Code mit Worten und Symbolen schreiben, die leicht zu verstehen und zu merken sind.

Diese Abstraktionsebene bedeutet, dass man sich bei höheren Programmiersprachen nicht mit den kleinsten Details im Inneren der Maschine befassen muss, wie z. B. der Speicherverwaltung oder den spezifischen Anweisungen an die CPU. 

Stattdessen kann man sich auf die Entwicklung der Logik des Programms konzentrieren und die Übersetzung dieser High-Level-Anweisungen in Maschinencode dem Compiler oder Interpreter der Sprache überlassen.

Diese Abstraktion bedeutet auch, dass höhere Programmiersprachen eine starke Trennung zwischen den Rechenprozessen und der tatsächlichen Ausführung auf der Hardware bieten können.

Sie verwalten viele der komplexen Aspekte der Computerprogrammierung automatisch, z. B. die Speicherzuweisung und die Datentypverwaltung.

Daher machen High-Level Languages nicht nur Anfängern das Programmieren leichter zugänglich, sondern beschleunigen auch den Entwicklungsprozess für erfahrene Informatiker.

Sie bieten eine sauberere und einfachere Syntax, die den Schwerpunkt auf Logik und Funktionalität und nicht auf Hardwarebeschränkungen legt.

Zweck von höheren Programmiersprachen

High-Level Languages dienen der Rationalisierung des Kodierungsprozesses und sollen diesen universell zugänglich machen.

Im Folgenden werden einige der wichtigsten Ziele genannt, die die Grundlage für die Entwicklung und allgemeine Akzeptanz von HLLs bilden.

Benutzerfreundlichkeit

Eines der Hauptziele von höheren Programmiersprachen ist die Vereinfachung der Programmierung.

Durch die Annahme einer Syntax, die der natürlichen Sprache nachempfunden ist, minimieren diese Sprachen die Lernkurve für Neueinsteiger und erhöhen die Produktivität für erfahrene Entwickler. 

Diese Benutzerfreundlichkeit zeigt sich in mehrfacher Hinsicht:

• Automatisierte Speicherverwaltung: Im Gegensatz zu Low-Level-Sprachen, die eine manuelle Steuerung der Speicherzuweisung und -freigabe erfordern, automatisieren High-Level-Sprachen diesen Prozess. Dadurch wird das Risiko von Speicherlecks und anderen damit verbundenen Fehlern verringert, so dass sich die Programmierer auf die Funktionalität ihrer Anwendungen konzentrieren können.
• Klare Syntax: Höhere Programmiersprachen sind auf Lesbarkeit ausgelegt und zeichnen sich durch eine klare und prägnante Syntax aus. Dies erleichtert nicht nur das Schreiben des Codes, sondern auch das Debugging und die Wartung, da der Code für andere oder den ursprünglichen Programmierer verständlicher ist, wenn er nach einiger Zeit wieder aufgerufen wird.

Systemübergreifende Übertragbarkeit

Ein weiterer großer Vorteil von höheren Programmiersprachen ist ihre Portabilität, d. h. die Fähigkeit von Software, auf verschiedenen Hardwareplattformen ohne wesentliche Änderungen zu laufen.

Diese Übertragbarkeit wird durch die folgenden Mechanismen ermöglicht:

• Compiler und Interpreter: Dies sind Programme, die High-Level-Code in Maschinencode übersetzen, den der Prozessor des Computers verstehen kann. Ein Compiler führt diese Übersetzung im Voraus durch und erstellt ein eigenständiges, ausführbares Programm. Ein Interpreter hingegen übersetzt den Code im laufenden Betrieb und führt ihn Zeile für Zeile aus. Da der Compiler oder Interpreter speziell für die Zielplattform entwickelt wurde, kann derselbe High-Level-Code auf jeder Plattform ausgeführt werden, für die es einen entsprechenden Compiler oder Interpreter gibt.
• Plattformübergreifende Kompatibilität: High-Level-Sprachen abstrahieren von den Besonderheiten der Computerhardware, so dass in diesen Sprachen geschriebene Programme an verschiedene Umgebungen angepasst werden können. Das bedeutet, dass ein in einer höheren Programmiersprache geschriebenes Programm auf einem Windows-Rechner, einem Mac oder einem Linux-System mit minimalen oder gar keinen Änderungen im Quellcode ausgeführt werden kann.

Ausführung von höheren Programmiersprachen

Die Umwandlung von Code in einer höheren Programmiersprache in Maschinencode, den der Prozessor eines Computers ausführen kann, ist ein fundamentaler Vorgang beim Programmieren.

Diese Umwandlung kann auf zwei Arten erfolgen: Kompilierung und Interpretation.

Vor dem Start des Programms übersetzt ein Compiler den gesamten High-Level-Code in Maschinencode. Dieser Maschinencode wird dann als ausführbare Datei gespeichert, die auf dem Computer gestartet werden kann.

Kompilierte Sprachen, wie z. B. C++, sind für ihre schnelle Ausführungsgeschwindigkeit bekannt. Da die Übersetzung auf einmal erfolgt, kann das Programm direkt auf der Hardware laufen, ohne dass der Quellcode oder der Compiler während der Ausführung benötigt wird.

Im Gegensatz zur Kompilierung übersetzt die Interpretation den High-Level-Code in Maschinencode und führt ihn Zeile für Zeile aus.

Interpretierte Sprachen wie Python bieten Flexibilität und erleichtern das Testen, da Änderungen am Code vorgenommen und sofort ausgeführt werden können, ohne Bedarf eines separaten Kompilierungsschritts. 

Dies kann jedoch im Vergleich zu kompilierten Sprachen in langsameren Ausführungszeiten resultieren, da der Übersetzungsprozess gleichzeitig mit der Ausführung stattfindet.

Die Rolle von Compilern und Interpretern

Compiler und Interpreter bilden die Brücke zwischen dem von Programmierern geschriebenen menschenlesbaren Code und dem von Computern verstandenen Binärcode.

So arbeiten sie mit höheren Programmiersprachen:

• Compiler: Analysieren den gesamten Quellcode, prüfen ihn auf Fehler und übersetzen ihn in Maschinencode. Dieser Prozess umfasst mehrere Stufen, darunter lexikalische Analyse, Parsing, semantische Analyse und Codegenerierung. Die Ausgabe ist eine eigenständige ausführbare Datei, die auf der Zielplattform laufen kann.
• Interpreter: Lesen den Quellcode zeilen- oder anweisungsweise, übersetzen ihn in Maschinenbefehle und führen ihn sofort aus. Diese Methode ermöglicht interaktive Kodierungssitzungen und ist besonders nützlich für Skriptsprachen.
• Just-In-Time (JIT) Kompilierung: Bei einigen Sprachen, wie z. B. Java, kommt ein hybrider Ansatz zum Einsatz, der als Just-In-Time-Kompilierung bekannt ist. Bei diesem Modell wird der High-Level-Code mit Hilfe einer virtuellen Maschine (VM) in eine Zwischenform (Bytecode) kompiliert, die plattformübergreifend ausführbar ist. Anschließend verwendet die VM einen JIT-Compiler, um den Bytecode zur Laufzeit in Maschinencode zu kompilieren, was ein Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit kompilierter Sprachen und der Flexibilität interpretierter Sprachen bietet.

Beispiele und Anwendungsfälle der höheren Programmiersprache

Jede HLL hat ihre Stärken, wobei sich verschiedene Arten von Sprachen für unterschiedliche Typen von Projekten eignen.

Hier ein Blick auf einige beliebte HLLs und ihre häufigen Anwendungsfälle.

Vor- und Nachteile von höheren Programmiersprachen

Wie jede Technologie haben auch HLLs eine Reihe von Vor- und Nachteilen.

Die Kenntnis dieser Faktoren kann Entwicklern helfen, die richtige Sprache für ihre Projekte zu wählen.

Vorteile

• Erhöhte Produktivität: HLLs sind so konzipiert, dass sie lesbar und einfach sind, was bedeutet, dass Entwickler den Code schneller schreiben, lesen und pflegen können als bei Low-Level-Sprachen. Die Einfachheit der Syntax und die Abstraktion von Hardware-Details ermöglichen kürzere Entwicklungszyklen und schnellere Iterationen.
• Leichtere Wartung: Dank ihrer klaren Syntax und ihres strukturierten Ansatzes erleichtern High-Level-Sprachen das Debuggen und Aktualisieren von Code. Mit HLL geschriebene Programme sind im Allgemeinen über ihren Lebenszyklus hinweg einfacher zu warten, was die Gesamtbetriebskosten senkt.
• Zugänglichkeit für Anfänger und nicht spezialisierte Programmierer: Die Benutzerfreundlichkeit von höheren Programmiersprachen senkt die Einstiegshürde in die Programmierung. Sie sind ein hervorragender Ausgangspunkt für Anfänger und ermöglichen es auch nicht spezialisierten Entwicklern, nützliche und effiziente Programme ohne tiefgreifende Kenntnisse der Computerarchitektur oder der Speicherverwaltung zu erstellen.

Nachteile

• Leistungsbedenken: Da HLLs von der Hardware der Maschine abstrahiert sind, werden sie möglicherweise nicht immer so effizient ausgeführt wie Low-Level-Sprachen. Die zusätzliche Abstraktionsebene kann bei ressourcenintensiven Aufgaben, wie z. B. der Grafikverarbeitung oder Echtzeitsystemen, in einer geringeren Leistung resultieren.
• Mögliche Beschränkungen bei der direkten Kontrolle der Hardware: Für Projekte, die eine direkte Kontrolle über die Hardware erfordern, wie z. B. eingebettete Systeme oder Betriebssystem-Kernel, bieten höhere Programmiersprachen unter Umständen nicht die notwendige Granularität. In diesen Fällen gewährleisten Low-Level-Sprachen die Präzision und Kontrolle, die für vollständige Nutzung der Hardwarefunktionen wichtig sind.

High-Level- vs. Low-Level-Sprachen

Programmiersprachen werden häufig in High-Level und Low-Level Languages eingeteilt, die jeweils unterschiedlichen Zwecken in der Softwareentwicklung dienen.

Fazit

Höhere Programmiersprachen vereinfachen die Programmierung mit einer für den Menschen lesbaren Syntax und abstrahieren von der Hardwarekomplexität, was eine effiziente Entwicklung auf verschiedenen Plattformen ermöglicht.

Sie erhöhen die Produktivität und Wartungsfreundlichkeit, bieten aber im Vergleich zu Low-Level-Sprachen möglicherweise weniger Leistung und Hardwarekontrolle.

Sprachen wie Python, Java, C# und JavaScript dienen jeweils unterschiedlichen Zwecken, von der Webentwicklung bis zur Datenanalyse.

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