WHILE-Programm

WHILE-Programme spielen in der Theoretischen Informatik eine Rolle, insbesondere in Zusammenhang mit Berechenbarkeit.

Eigenschaften

• RAM-berechenbar, Turing-berechenbar, GOTO-berechenbar und WHILE-berechenbar sind äquivalent
• LOOP-berechenbar ${\displaystyle \varsubsetneq }$ WHILE-berechenbar
• Kleenesche Normalform (Jedes WHILE-Programm kommt auch nur mit einer While-Schleife aus)

Syntax

WHILE-Programme haben folgende Syntax in modifizierter Backus-Naur-Form:

${\displaystyle {\begin{array}{lrl}P&::=&x_{i}:=x_{j}+c\\&|&x_{i}:=x_{j}-c\\&|&P;P\\&|&\mathrm {LOOP} \,x_{i}\,\mathrm {DO} \,P\,\mathrm {END} \\&|&\mathrm {WHILE} \,x_{i}\neq 0\,\mathrm {DO} \,P\,\mathrm {END} \end{array}}}$

Auf das LOOP-Konstrukt in dieser Definition kann auch verzichtet werden, ohne dass die Menge der WHILE-berechenbaren Funktionen kleiner wird. Schließlich kann jeder LOOP-Ausdruck durch ein WHILE emuliert werden. Allerdings hat ein Verzicht auf das LOOP zur Folge, dass nicht mehr alle WHILE-Programme in Kleenesche Normalform gebracht werden können.

Erklärung der Syntax

Ein WHILE-Programm P besteht aus den Symbolen WHILE, LOOP, DO, END, :=, +, -, ;, ${\displaystyle \neq }$, einer Anzahl Variablen ${\displaystyle x_{1},x_{2},...}$ sowie beliebigen Konstanten c.

Es sind nur vier verschiedene Anweisungen erlaubt, nämlich

• die Zuweisung einer Variablen durch eine weitere Variable, vermehrt um eine Konstante, etwa

${\displaystyle x_{3}:=x_{4}+10}$

• oder vermindert um eine Konstante, etwa

${\displaystyle x_{5}:=x_{6}-300}$

• eine LOOP-Anweisung, die zu Beginn den Wert einer Variablen überprüft und ein WHILE-Programm entsprechend oft wiederholt, etwa

${\displaystyle \mathrm {LOOP} \quad x_{7}\quad \mathrm {DO} \quad x_{7}:=x_{7}+1\quad \mathrm {END} }$

Zu beachten ist, dass bei LOOP eine Änderung des Variablenwertes im zu wiederholenden Teilprogramm keine Auswirkung auf die Anzahl der Wiederholungen dieses Teilprogramms hat.

• eine WHILE-Anweisung, die eine Variable auf ungleich Null abfragt und ein WHILE-Programm zwischen DO und END enthält, etwa

${\displaystyle \mathrm {WHILE} \quad x_{8}\neq 0\quad \mathrm {DO} \quad x_{8}:=x_{8}+1\quad \mathrm {END} }$

Die Anweisungen sind für sich genommen bereits vollständige WHILE-Programme. Des Weiteren ist die

• Aneinanderreihung von WHILE-Programmen, jeweils getrennt durch ein Semikolon, etwa

${\displaystyle x_{9}:=x_{9}+3;\quad x_{10}:=x_{9}-2}$

wieder ein WHILE-Programm.

Allgemein

Jede WHILE-berechenbare Funktion ist GOTO-berechenbar und umgekehrt sowie turingberechenbar.

Mit ${\displaystyle \mathrm {WHILE} }$ wird ferner die Menge aller WHILE-Programme gemäß obiger Definition bezeichnet.

Kleenesche Normalform für WHILE-Programme

Jede WHILE-berechenbare Funktion kann durch ein WHILE-Programm mit nur einer WHILE-Schleife berechnet werden.

Beweis: Sei ${\displaystyle P}$ ein beliebiges WHILE-Programm. Wir formen ${\displaystyle P}$ zunächst, wie im Abschnitt "Simulation durch GOTO-Programme" dieses Artikels beschrieben um, um ein äquivalentes GOTO-Programm ${\displaystyle P'}$ zu erhalten. Anschließend formen wir ${\displaystyle P'}$ den Anweisungen im Abschnitt "Simulation durch WHILE-Programm" im Artikel GOTO-Programm folgend in ein äquivalentes WHILE-Programm ${\displaystyle P''}$ um. Hierbei ist zu beachten, dass die für diese Konstruktion notwendigen IF THEN END Anweisungen durch LOOPs simuliert werden können. Per Konstruktion hat ${\displaystyle P''}$ nur eine WHILE-Schleife.

Konsequenzen

Die einfach beweisbare Tatsache, dass jedes GOTO-Programm in ein WHILE-Programm überführt werden kann und umgekehrt, hat zur Konsequenz, dass man beweisen kann, dass ein beliebiges Pascal-Programm die gleichen Leistungen erbringen kann wie ein beliebiges BASIC-Programm. Außerdem zeigt sie, dass man jedes Programm auch strukturiert programmieren kann, ohne „Spaghetticode“ zu erzeugen.

Simulation durch GOTO-Programm

Ein jedes WHILE-Programm

${\displaystyle \mathrm {WHILE} \quad x_{2}\neq 0\quad \mathrm {DO} \quad P\quad \mathrm {END} }$

kann durch das folgende GOTO-Programm simuliert werden:

M1: IF x2 = 0 THEN GOTO M2;
    P;
    GOTO M1;
M2: ...

Siehe auch

• LOOP-Programm
• GOTO-Programm

Literatur

• Uwe Schöning: Theoretische Informatik – kurz gefasst. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, ISBN 978-3-8274-1824-1, 2.3 LOOP-, WHILE und GOTO-Berechenbarkeit.