Sowohl Studenten als auch Lehrende der Informatik kennen die Frage, ob der Einstieg in die Programmierung lieber mit einer systemnahen Sprache wie C oder einer höher angesiedelten Sprache wie Java erfolgen sollte. Während die einen für Java plädieren, weil es aufgrund der Vielzahl an Bibliotheken, dem umfangreichen Ökosystem und weiteren Faktoren schnell produktiv einsetzbar ist, verfechten andere wiederum den „schwierigeren“ Einstieg mit Sprachen wie C oder Pascal.

Der Trend entwickelt sich immer in Richtung der abstrakteren Systemkonzepte, bei denen viel „Magie“ im Hintergrund passiert und die immer weniger Verständnis für die Funktionsweise eines Computers – den man ja nun mal programmieren will, das zu tun, was man möchte – erfordern. Das ist soweit auch nicht schlimm, weil man im Berufsleben oft weniger mit dem Innenleben eines Rechners zu tun hat. Warum nun aber an der Hochschule oder Universität einen Unterschied machen? Man benötigt das Wissen ja eh nie wieder. Richtig? Falsch.

Zunächst schadet es nicht, einmal kurz den Unterschied in der Entwicklung mit C und Java erläutern. C verfolgt den Ansatz der imperativen und prozeduralen Programmierung. Dabei werden eine Reihe von Anweisungen in kleinere Programmteile zusammengefasst, die die zu behandelnden Teilprobleme darstellen. Die Übergabe von Daten erfolgt mit Parametern in Prozeduren. Im Unterschied dazu versieht die sogenannte objektorientierte Programmierung, die Java zugrunde liegt, die Software mit Strukturen, wie sie in der „Wirklichkeit“ existieren. Man arbeitet also mit Objekten, konkreten Instanzen von Klassen, die mit Attributen und Methoden versehen sind. Sie definieren den Zustand von Objekten und deren Verhalten und ermöglichen auch den Austausch von Nachrichten zwischen verschiedenen Objekten über ihre Schnittstelle. Ein Beispiel ist eine Klasse „Auto“ mit den Attributen „Bezeichnung“, „aktuelle Geschwindigkeit“ und „maximale Geschwindigkeit“ und der Methode „Fahren“. Ein Objekt dazu könnte etwa den Zustand „Tesla Model S“, „90km/h“ und „250km/h“ haben. Soweit erst mal zum Paradigmenbegriff.

Jedes Programm benötigt Speicherplatz, um seinen Zustand zwischenzuspeichern und zu ermöglichen, dass nachfolgende Anweisungen auf die vorher abgelegten Daten zugreifen können. Und gerade hier liegt die Krux: Während Programmiersprachen wie C eben diese Speicherverwaltung nicht vom Benutzer wegabstrahieren, tut Java genau das. Es verbirgt die Art und Weise, wie mit Daten auf niedriger Ebene gearbeitet wird, vor dem Benutzer. Die Speicherverwaltung wird im Fall von Java durch die Java-Laufzeitumgebung, genauer durch die JVM, Java Virtual Machine, gehandhabt. Dabei wird Speicher für Objekte automatisch freigeschaufelt (allokiert) und auch wieder automatisch freigegeben (Garbage-Collection).

Das ist eine erhebliche Vereinfachung für den Programmierer im späteren Berufsalltag. Leider verleitet aber gerade dieser Fakt dazu, wild mit Objekten hin und her zu jonglieren und somit zu vergessen oder zu ignorieren, was man dort eigentlich tut. Der Einblick in die hardware-nahe Programmierung mit C erlaubt, sich darüber klar zu werden, wie etwa die nützlichen Konzepte hinter der JVM erst funktionieren. Warum also studiert man Informatik? Weil man die Dinge verstehen will.

Wer schon etwas länger dabei ist, kennt noch Programmiersprachen wie Pascal. Das daraus bekannte Prinzip der Zeiger liegt auch C zugrunde. Bei Java gibt es dieses Konzept nicht wirklich, zumindest wird es vor dem Benutzer verborgen. Zur kurzen Erläuterung: Bei Zeigern handelt es sich im Grunde um spezielle Datentypen, die eine Speicheradresse abbilden, die de-referenziert werden kann. Das bedeutet, dass auf den Wert hinter einer Speicheradresse zurückgegriffen wird. Man kann sich das als Wegweiser auf einen Datenbereich vorstellen.

Stellen wir uns vor, dass wir als Parametertypen in unserem C-Programm eine Struktur haben, die sehr viel Speicher belegt. Der entsprechende Prozeduraufruf wird mehrere tausend Male durchgeführt. Die Verwendung eines Parameters ohne Zeiger in der Funktion sorgt nun dafür, dass jedes Mal diese Struktur kopiert und somit der Speicher belastet wird, da für jeden Aufruf diese Struktur kopiert und wieder zum Ende der Funktion gelöscht wird. Außerdem verhindert es, dass die Struktur, die von außen in die Prozedur übergeben wird, selbst verändert wird: Man arbeitet ja schließlich auf einer Kopie. Nun übergibt man bei der Verwendung von Zeigern aber eine Speicheradresse, von der man (durch die Vorgabe des Datentyps) weiß, wie viel Speicher sie belegt. Das ist das Geheimnis zur Implementierung dynamischer Datenstrukturen wie Bäume oder Listen: Zeiger sind die Möglichkeit, in C- oder Pascal-Programmen dynamisch Speicher zu allokieren, da zu Beginn einer Programmausführung nicht unbedingt feststeht, wie viel Speicher benötigt wird. Das Problem ist, dass das Vergessen der Freigabe von angefordertem Speicher aber auch sogenannte Speicher-Lecks ermöglicht, die zu Problemen führen können. Ein mächtiges, allerdings auch sehr fehleranfälliges Konstrukt also.

Java verschleiert diesen essenziellen Bestandteil, indem die Sprache selbst all diese Funktionalitäten handhabt. Für Geschäftsanwendungen und viele andere Applikationen ist das auch sinnvoll, da es einfacher und schneller leistungsstarke und robuste Programme ermöglicht. Vergessen wir nun aber nicht, dass es um das Studium geht. Was ist mit den ganzen anderen Faktoren? Wie soll ein Software-Entwickler später hardware-nahe Programme wie auf Micro-Controllern schreiben, wenn er schon grundlegende Konzepte der Computer-Technik nicht auf die Programmierung übertragen kann? Wer schreibt denn nun eigentlich mein Betriebssystem und wer programmiert meine Videospiele? Dafür ist C gut, um zu verstehen, wie ein Computer ein Programm eigentlich ausführt. In einem Informatikstudium lernt man auf theoretische Art und Weise das Verarbeiten von Informationen und daher ist es an erster Stelle nicht wichtig, Code möglichst schön zu gestalten (etwa mit Entwurfsmustern) oder direkt Wert auf Software-Architektur zu legen, sondern erst einmal zu verstehen, wie und wieso das Programm überhaupt funktioniert. Man sollte nicht nur nicht den Blick fürs Wesentliche verlieren, sondern ihn erst einmal gewinnen.

Man darf nie vergessen, dass die Programmierung zwei Seiten hat: Gerade durch die dank moderner Compiler recht gute Übersetzung in Maschinensprache ist es auch heute nur möglich, in einer hardware-nahen Programmiersprache das letzte Fünkchen an Rechenleistung herauszuholen. Der immense Ressourcenverbrauch großer, nicht effizienter Anwendungen hat außerdem Auswirkungen auf den Stromverbrauch und damit die Umwelt. Natürlich scheint das in Zeiten der heutigen Rechenleistung eher irrelevant, aber wer sonst soll denn darüber Bescheid wissen und es in Zukunft noch besser machen, wenn nicht ein Informatiker?