Wie Entwickler Pseudocode richtig schreiben: Eine Anleitung

Grundlegende Pseudocode-Konstrukte

Die Programmierlogik verläuft in Sequenzen, Entscheidungen und Schleifen. Die folgenden Pseudocode-Konstrukte, die jeweils durch ein allgemeines Beispiel für einen Arbeitsablauf ergänzt werden, bilden die Grundlage für die algorithmische Problemlösung und ermöglichen es Entwicklern, reale Prozesse zu modellieren – von der Fehlerbehebung in Randfällen beim Algorithmusverhalten bis hin zur Erstellung von Roadmaps für die schrittweise Implementierung, die technische Schulden mit Funktionsprioritäten ausbalancieren.

Sequenzielle Operationen

Ein Programm beginnt mit Schritten, die nacheinander ausgeführt werden. Das mag selbstverständlich erscheinen, aber die Beherrschung des sequenziellen Ablaufs oder der SEQUENCE in Pseudocode ist für die Bewältigung komplexerer Logik unerlässlich. Betrachten Sie den folgenden Workflow für die Benutzerregistrierung und beachten Sie, wie sequenzielle Operationen die obligatorischen Schritte vorgeben:

INPUT user_data
VALIDATE user_data
PROCESS user_data
OUTPUT results

Entscheidungsfindung

Der Programmablauf folgt selten einem linearen Pfad. Es erfordert eine Verzweigungslogik durch IF-THEN-ELSE-Konstrukte, um das dynamische Verhalten zu erzeugen, wie beispielsweise beim folgenden altersabhängigen Zugriff auf Inhalte:

IF age < 18 THEN
    DISPLAY "Zugriff verweigert"
ELSE
    GRANT access
ENDIF

Unterschiedliche bedingte Szenarien erfordern unterschiedliche Ansätze. Verwenden Sie CASE-Anweisungen, um die Logik und Absicht zu verdeutlichen, wenn mehrere Bedingungen vorliegen. Der folgende Workflow kann beispielsweise je nach Eingabe unterschiedliche Zahlungsmethoden verarbeiten:

CASE payment_method OF
    "credit": PROCESS credit_payment
    "debit": PROCESS debit_payment
    "crypto": PROCESS crypto_payment
ENDCASE

CASE-Anweisungen sind für die Auswertung mehrerer Werte einer einzelnen Variablen optimiert, während IF-Anweisungen besser für boolesche Bedingungen und komplexe logische Ausdrücke mit mehreren Variablen geeignet sind. Darüber hinaus können Compiler-Optimierungen CASE-Anweisungen durch Sprungtabellen schneller ausführen.

Schleifen und Iterationen

Schleifen automatisieren sich wiederholende Aufgaben, indem sie Codeblöcke basierend auf festgelegten Bedingungen mehrfach ausführen. Sie sind unverzichtbar für die Verarbeitung von Datensammlungen, die iterative Ausführung von Berechnungen oder die Aufrechterhaltung kontinuierlicher Vorgänge. FOR-Schleifen sind die beste Wahl, wenn die genaue Anzahl der Iterationen bekannt ist, wie das folgende Beispiel für die Berechnung eines Warenkorbs zeigt:

FOR each item IN shopping_cart
    CALCULATE item_total
    ADD TO cart_total
ENDFOR

Aber was ist mit dynamischen Bedingungen? WHILE-Schleifen können diese Szenarien effektiv bewältigen, wie das folgende Beispiel für eine Netzwerkverbindung zeigt:

WHILE connection_active
    PROCESS incoming_data
    CHECK connection_status
ENDWHILE

REPEAT-UNTIL-Schleifen bieten ähnliche Funktionen wie WHILE, garantieren jedoch mindestens eine Ausführung, da sie die Bedingung nach der Ausführung des Codeblocks überprüfen, wie das folgende Beispiel für die Eingabevalidierung zeigt:

REPEAT
    GET user_input
    VALIDATE input
UNTIL input_valid

Funktionsverarbeitung

Funktionen zerlegen komplexe Vorgänge in kleinere, überschaubare Einheiten. Sie akzeptieren Parameter, verarbeiten Daten und geben Ergebnisse zurück, wobei die Isolierung des Gültigkeitsbereichs erhalten bleibt. Betrachten Sie den folgenden Pseudocode zur Validierung von Benutzeranmeldedaten:

FUNCTION validate_user(username, password)
    CHECK username_exists
    VERIFY password_hash
    RETURN validation_status
ENDFUNCTION

Ausnahmen

Laufzeitfehler sind bei der Verarbeitung von Benutzereingaben, beim Zugriff auf externe Ressourcen oder bei komplexen Berechnungen unvermeidbar. TRY-CATCH-Blöcke können dabei unterstützen, potenzielle Fehler zu bewältigen, wie im folgenden Beispiel gezeigt, das bei der Verarbeitung sensibler Daten eine Anomalie meldet und den Administrator darüber informiert:

TRY
    PROCESS sensitive_data
CATCH data_error
    LOG error_details
    NOTIFY admin
ENDTRY

Wichtige Richtlinien für das Schreiben von Pseudocode

Effektiver Pseudocode schafft ein Gleichgewicht zwischen Ausdruckskraft und Lesbarkeit, vermittelt klar die Absicht und bleibt dabei implementierungsunabhängig. Hier sind einige Tipps und allgemeine Best Practices zur Optimierung des Pseudocode-Prozesses:

Syntaxrichtlinien

• Schreiben Sie Schlüsselwörter in GROSSBUCHSTABEN. Schlüsselwörter dienen als Wegweiser für die Logik des Codes. WHILE, IF, FUNCTION – diese fallen optisch auf und helfen, den Ablauf zu verdeutlichen.
• Schreiben Sie jede Anweisung in eine eigene Zeile.

Namenskonvention

• Vermeiden Sie kryptische Variablennamen und verwenden Sie beschreibende Namen, die die Daten beschreiben. Ob customer_record oder temp_buffer – machen Sie deutlich, was der Code beinhaltet.
• Verwenden Sie für Funktionen Aktionsverben wie calculate_total(), validate_input() oder process_transaction().

Struktur und Ablauf

• Halten Sie Anweisungen prägnant, aber vollständig. Pseudocode sollte sich wie ein gut geschriebenes technisches Dokument lesen. Anstelle von x = x + 1 schreiben Sie INCREMENT counter BY 1, um die Sprachunabhängigkeit zu wahren.
• Verwenden Sie eine korrekte Einrückung, um die logische Hierarchie des Algorithmus anzuzeigen, und verschachteln Sie Konstrukte sorgfältig. Jede Einrückungsebene signalisiert einen neuen logischen Bereich, wie hier dargestellt:

IF user_authenticated THEN
    FOR each_permission IN user_permissions
        IF permission_active THEN
            GRANT access_level
        ENDIF
    ENDFOR
ENDIF

• Schließen Sie Konstrukte explizit mit ENDIF, ENDWHILE oder ENDFOR. Diese Markierungen verhindern logische Lücken und machen den Pseudocode selbsterklärend.

Wie man Pseudocode schreibt: Praktische Anwendungen

Pseudocode mag für einfache CRUD-Operationen oder unkomplizierte Implementierungen übertrieben sein, aber er ist ein wertvolles Kommunikationsmittel für algorithmische Herausforderungen, das Systemdesign oder sogar Teamdiskussionen. Die folgenden Beispiele zeigen, wie man eine API-Ratenbegrenzung erstellt und einen Bubble-Sort-Algorithmus mit Pseudocode schreibt.

Erstellen einer API-Ratenbegrenzung mit Pseudocode

Die Begrenzung der Rate mag auf den ersten Blick einfach erscheinen – man zählt einfach die Anfragen und blockiert eingehende Anfragen, wenn sie einen bestimmten Schwellenwert überschreiten. Bei genauerer Betrachtung findet man jedoch eine Vielzahl von Sonderfällen, die eine API zum Absturz bringen können, wenn sie nicht richtig behandelt werden.

Erstellen wir eine Ratenbegrenzung mit Pseudocode, der die Anzahl der Anfragen pro Stunde auf 100 begrenzt. Diese Implementierung berücksichtigt auch verteilte Systeme, Race Conditions und vorübergehende Traffic-Spitzen.

Zunächst die Kernlogik zur Ratenprüfung:

FUNCTION check_rate_limit(user_id)
    DEFINE requests_limit = 100
    DEFINE time_window = 3600  // seconds in an hour

    GET current_timestamp

    REMOVE expired_requests(user_id, current_timestamp - time_window)

    GET request_count FOR user_id IN time_window

    IF request_count >= requests_limit THEN
        RETURN rate_limit_exceeded
    ENDIF

    ADD new_request(user_id, current_timestamp)
    RETURN request_accepted
ENDFUNCTION

In einem verteilten System können mehrere Server gleichzeitig versuchen, die Anzahl der Anfragen desselben Benutzers zu aktualisieren. Atomare Operationen können Race Conditions verhindern.

FUNCTION add_new_request(user_id, timestamp)
    TRY
        LOCK user_requests_table
        INCREMENT request_counter#
        ADD request_record(user_id, timestamp)
        RELEASE lock

    CATCH concurrency_error
        HANDLE distributed_system_error
        RETURN system_busy
    ENDTRY
ENDFUNCTION

Aber wie lassen sich Traffic-Spitzen bewältigen? Einfache Zähler reichen nicht aus, wenn eine API plötzlich mit einer Flut von Anfragen konfrontiert wird. Für eine detailliertere Steuerung des API-Traffics empfiehlt sich ein mehrschichtiger Ansatz, der feste Ratenbegrenzungen mit einem Burst Handling kombiniert. Der Burst Handler fungiert als Überdruckventil, das verhindert, dass legitime Traffic-Spitzen fälschlicherweise gedrosselt werden, und gleichzeitig das System vor Missbrauch schützt.

FUNCTION handle_burst_traffic(user_id, timestamp)
    GET current_window_stats
    IF request_spike_detected THEN
        CALCULATE burst_allowance
        IF within_burst_limits THEN
            INCREMENT burst_counter
            RETURN request_accepted
        ENDIF
    ENDIF
    RETURN regular_rate_check(user_id)
ENDFUNCTION

Bubble-Sort mit Pseudocode

Ein Bubble-Sort-Algorithmus ist eine Methode, um Zahlen in einer Liste durch Vergleichen zu sortieren. So könnte ein Entwickler einen Sortieralgorithmus schreiben, wenn er es eilig hat:

function sort(arr)
    n = length(arr)
    for i = 0 to n
        for j = 0 to n
            if arr[j] > arr[j+1]
                t = arr[j]
                arr[j] = arr[j+1]
                arr[j+1] = t
    return arr

Fallen Ihnen Probleme auf? Es fehlen Bereichsprüfungen, die Variablennamen sind unklar, es gibt keine Fehlerbehandlung und die Bedingungen für die Beendigung der Schleife sind falsch. Diese Implementierung könnte zu Array-Indexfehlern führen.

Hier ist eine strukturiertere Implementierung desselben Bubble-Sort-Algorithmus:

FUNCTION bubble_sort(number_array)
    DEFINE array_size = LENGTH OF number_array

    IF array_size <= 1 THEN
        RETURN number_array
    ENDIF

    FOR outer_index = 0 TO array_size - 2
        FOR inner_index = 0 TO array_size - outer_index - 2
            IF number_array[inner_index] >number_array[inner_index + 1] 
            THEN
            SWAP number_array[inner_index] 
            WITH
            number_array[inner_index + 1]
            ENDIF
        ENDFOR
    ENDFOR
    RETURN number_array
ENDFUNCTION

Überprüfen Sie die folgenden wichtigen Verbesserungen:

• Beschreibende Variablennamen – number_array statt arr.
• Korrekte Überprüfung der Grenzen, um Array-Überläufe zu verhindern.
• Klare verschachtelte Schleifenstrukturen mit korrekten Abbruchbedingungen.
• Explizite SWAP-Operation anstelle von kryptischen Zuweisungen.
• Eingabevalidierung für die Array-Größe.
• Konsistente Einrückung, die einen logischen Ablauf verdeutlicht.

Die zweite Version des Bubble-Sort-Algorithmus vermittelt die Logik und schützt vor Randfällen. Ein Entwickler kann diese Version verwenden, um den Sortierprozess zu verfolgen – von den Durchläufen der äußeren Schleife bis hin zur inneren Schleife, die die Elementvergleiche durchführt.

Beachten Sie jedoch, dass Pseudocode keine implementierungsspezifischen Probleme wie Speicherverwaltung oder Typbeschränkungen erfassen kann. Im Bubble-Sort-Beispiel zeigt der Pseudocode die Sortierlogik, geht jedoch nicht auf Leistungsoptimierungen oder Probleme mit der Platzkomplexität ein, die in realen Anwendungen kritisch werden.