Parameter (Informatik)

Abhängig von der Rechnerarchitektur und der Programmiersprache werden zur Übergabe von Parametern vom aufrufenden an den aufzurufenden Softwareteil unterschiedliche Verfahren und Konventionen benutzt. Zum Beispiel können die Parameter über Register übergeben werden, wobei durch Konventionen festgelegte Register(nummern) auf eine Adressliste zeigen (die die Adressen der Parameter/Argumente enthält), ein Register enthält die Einsprungadresse im Unterprogramm, ein anderes die Rücksprüngadresse. Details siehe Objektmodule bei Großrechnern.

In anderen Systemumgebungen wird dazu einen Stack-Mechanismus verwendet. In diesen Fällen ist zum Verständnis der Funktionsweise von Unterprogrammen folgendes Basiswissen notwendig:

Grundsätzlich ist der Speicher von Prozessoren unterteilt in

• Programmspeicher: Dort steht der Maschinencode, der als Befehle abgearbeitet wird.
• Dynamischer Speicher (Heap): Dort sind Daten abgespeichert.
• Stapelspeicher (Stack, Aufrufstapel): Das ist ein besonderer Datenbereich, dessen Verwendung insbesondere bei Unterprogrammen eine Rolle spielt.

Jeder Thread hat seinen eigenen Stapelspeicher. In diesem werden gespeichert:

• Die Rücksprungadressen für die Fortsetzung der Programmbearbeitung nach Abarbeitung des Unterprogramms
• Die tatsächlichen Parameter
• Alle Daten, die lokal in einer Prozedur vereinbart werden
• Rückgabewerte

Der Stack wird bei der Programmabarbeitung im Maschinencode über ein spezielles Adressregister adressiert, den Stackpointer oder Stapelzeiger. Dieser adressiert immer das untere Ende des als Stack benutzen Speicherbereiches. Hinzu kommt zumeist ein Basepointer, der eine Basisadresse der Variablen und tatsächlichen Parameter innerhalb des Stacks adressiert. Der Begriff Stack ist im Deutschen als „Stapel“ übersetzbar, auch der Begriff „Kellerspeicher“ wird benutzt. Im Stack werden Informationen gestapelt und nach dem Prinzip Last In – First Out (LIFO) gespeichert und wieder ausgelesen. Allerdings kann der Zugriff auch auf beliebige Adressen innerhalb des Stacks erfolgen.

Die Parameterübergabe erfolgt über den Stack. Jeder tatsächliche Parameter wird in der Reihenfolge der Abarbeitung, üblicherweise von links nach rechts (gemäß einer strikt festgelegten Aufrufkonvention), auf den Stack gelegt. Dabei erfolgt, falls notwendig, eine Konvertierung auf das Format, das vom Unterprogramm benötigt wird.

Bei Aufruf des Unterprogramms wird dann der sogenannte Basepointer auf die nunmehr erreichte Adresse des Stacks gesetzt. Damit sind die Parameter des Unterprogramms relativ über die Adresse, die im Basepointer gespeichert ist, erreichbar, auch wenn der Stack für weitere Speicherungen benutzt wird.

Werden in der tatsächlichen Parameterliste nicht nur elementare Datentypen wie int oder float angegeben, sondern komplette Datenstrukturen, dann werden im Stack meist nicht die Werte der Datenstruktur selbst, sondern Referenzen (Adressen) auf die Datenstrukturen übergeben. Das hängt allerdings vom Aufruf und der Gestaltung der tatsächlichen Parameterliste ab. In C und C++ ergeben sich folgende Verhältnisse:

void function(type* data)         // Funktionskopf, formale Parameterliste
…
struct { int a, float b } data;   // Datendefinition
function(&data);                  // Funktionsaufruf, tatsächliche Parameterliste

In diesem Fall erfolgt beim Aufruf die explizite Angabe der Adresse der Daten, ausgedrückt mit dem & als Referenzierungsoperator. Beim Aufruf ist data ein Zeiger (englisch pointer) auf die Daten. Allgemein ausgedrückt kann von Referenz auf die Daten gesprochen werden.

Der Aufruf function(data) ohne den Referenzierungsoperator & führt zu einem Syntaxfehler. In C allerdings nur, wenn der Prototyp der gerufenen Funktion bekannt ist.

In C++ kann der Funktionskopf im gleichen Beispiel mit void function(type& data) geschrieben werden. Dann ist der Aufruf mit function(data) zu gestalten. Der Übersetzer erkennt automatisch aufgrund des in C++ notwendigerweise bekannten Funktionsprototyps, dass die Funktion laut formaler Parameterliste eine Referenz erwartet und kompiliert im Maschinencode das Ablegen der Adresse der Daten auf den Stack. Das entlastet den Programmierer von Denkarbeit, der Aufruf ist einfacher. Allerdings ist beim Aufruf nicht ersichtlich, ob die Daten selbst (call by value) oder die Adresse der Daten übergeben wird.

In C oder C++ ist es auch möglich, anstelle der meist sinnvollen und gebräuchlichen Referenzübergabe eine Wertübergabe zu programmieren. Das sieht wie folgt aus:

void function(type data)          // Funktionskopf, formale Parameterliste
…
struct { int a, float b } data;   // Datendefinition
function(data);                   // Funktionsaufruf, tatsächliche Parameterliste

Beim Aufruf wird der Inhalt der Struktur insgesamt auf den Stack kopiert. Das kann sehr viel sein, wenn die Struktur umfangreich ist. Dadurch kann es zum Absturz des gesamten Ablaufes kommen, wenn die Stackgrenzen überschritten werden und dies in der Laufzeitumgebung nicht erkannt wird. Eine Wertübergabe ist allerdings sinnvoll in folgenden Fällen:

• Übergabe einer kleinen Struktur
• Einkalkulierung der Tatsache, dass der Inhalt der originalen Struktur während der Abarbeitung verändert wird. Die Inhalte der Struktur beim Aufrufer bleiben unverändert, da eine Kopie der Daten angelegt und übergeben wird.

In vielen Programmiersprachen ist ein Rückschreiben von Ergebnissen auch über Referenzen, die als Parameter des Unterprogramms übergeben wurden, möglich, beispielsweise in C und C++:

void function(Type* data)
{
  data->a = data->b * 2;          // Wert in data->a wird veraendert.
}

Das gilt gleichermaßen für Java. Das Rückschreiben kann ungewollt sein, weil Nebenwirkungen (Nebeneffekte) verhindert werden sollen. Ein Unterprogramm soll die Werte von bestimmten Datenstrukturen nur lesend verarbeiten und wirkungsfrei darauf sein. In C++ (bzw. in C) ist es möglich, zu formulieren:

void function(Type const* data)
{
  data->a = data->b * 2;          // Hier meldet der Übersetzer einen Syntaxfehler.
}

Die hier verwendete Schreibweise mit dem Schlüsselwort const soll deutlich machen, dass der gezeigerte (referenzierte) Bereich als konstant zu betrachten ist. Möglicherweise wird const Type* geschrieben, was syntaktisch und semantisch identisch ist. Nur in diesem Fall ist es möglich, einen als konstant deklarierten Speicherbereich überhaupt zu übergeben. Die Konstruktion

const struct Type { int a, float b } data = { 5, 27.2 };
function(Type* data) { … }        // Funktionsdefinition
function(&data);                  // Aufruf

führt in C++ zu einem Syntaxfehler, weil es nicht gestattet ist, als konstant bezeichnete Daten an eine nicht konstante Referenz zu übergeben. In C werden Zeigertypen nicht so genau getestet, so dass dieses Beispiel – abhängig vom verwendeten Übersetzer – in solchen Fällen möglicherweise lediglich eine Warnung auslösen würde.

Allerdings ist es in C und C++ möglich, innerhalb der Funktion den Typ des Zeigers zu wandeln und dann dennoch schreibend auf den Speicherbereich zuzugreifen. Eine solche Programmierung sollte nur in Sonderfällen verwendet werden und sollte nach außen entsprechend dokumentiert werden.

In Java gibt es die Möglichkeit der const-Auszeichnung in einem Referenzparameter zur Unterscheidung des schreibenden oder nicht schreibenden Zugriff auf eine Instanz nicht. Das Konzept sieht stattdessen vor, den Zugriffsschutz über private-Kapselung zu realisieren. Insbesondere können spezifische interface-Referenzen verwendet werden. Mit dieser Methodik ist es möglich, von außen zu kontrollieren, was eine Subroutine an den übergebenen Daten ändern kann, ohne die Subroutine im Detail zu kennen.

In der objektorientierten Programmierung in Java und C++ wird die Referenz auf die Klassendaten implizit mit dem this-Zeiger übergeben. Für Klassenmethoden ist also das Schreiben auf die eigenen Daten immer möglich.

Das Konzept des Stack wurde weiter oben im Abschnitt Übergabe über den Stack bereits erläutert.

Für Unterprogramme auf Maschinensprachniveau (Assembler) ist es an sich gleichgültig, beziehungsweise liegt es in der Hand des Programmierers, wie er die Parameterübergabe und die Rücksprungadresse verwaltet. Möglich ist auch die Übergabe und Speicherung ausschließlich in Prozessorregistern. Allerdings ist bei der Verwaltung der Rücksprungadresse die Notwendigkeit eines geschachtelten Aufrufs mehrerer (typisch verschiedener) Unterprogramme ineinander zu beachten. Nur bei ganz einfachen Aufgaben ist eine Beschränkung auf wenige oder nur eine Ebene sinnvoll. Es gibt aber tatsächlich bei zugeschnittenen Prozessoren und Aufgabenstellungen auch solche Konzepte.

• Die Rücksprungadresse, das ist die Folgeadresse nach dem Aufruf der Unterprogramme für die Fortsetzung des aufrufenden Programmes, wird auf den Stack gelegt.
• Zuvor werden die Aufrufparameter auf den Stack gelegt.
• Noch zuvor wird ein gegebenenfalls notwendiger Speicherplatz für Rückgabewerte auf dem Stack reserviert, wenn notwendig.
• Der Basepointer wird auf den Stack gelegt.
• Danach wird das Unterprogramm aufgerufen, das heißt, der Befehlszähler wird geändert auf die Startadresse des Unterprogramms.
• Am Beginn des Unterprogramms wird der Basepointer auf den Wert des Stackpointers gesetzt als Adressbezug der Lage der Parameter, des Rücksprunges und der lokalen Variablen.
• Der Stackpointer wird gegebenenfalls weiter dekrementiert, wenn das Unterprogramm lokale Variablen benötigt. Diese liegen auf dem Stack.
• Am Ende des Unterprogramms wird der ursprüngliche Wert des Basepointer vom Stack geholt und damit restauriert.
• Dann wird die Rücksprungadresse vom Stack geholt und der Instruction Pointer damit restauriert.
• Der Stackpointer wird inkrementiert um den Wert, um den vorher dekrementiert wurde.
• Damit wird das aufrufende Programm fortgesetzt.

In Assembler muss man all diese Dinge selbst programmieren. In den Programmiersprachen C++ und C übernimmt das der Übersetzer. In Java erfolgt innerhalb der Speicherbereiche der Virtuellen Maschine das Gleiche, organisiert vom Bytecode (erzeugt vom Java-Übersetzer) und dem Maschinencode in der virtuellen Maschine.

Als Illustration sei hier der erzeugte Assembler-Code (80x86-Assembler) der folgenden einfachen Funktion gezeigt:

float parabel(float x)
{
    return x * x;
}

Als Compiler wurde Microsoft Visual Studio 6 auf einem PC verwendet. Der Assemblercode ist in dieser IDE sichtbar, beispielsweise beim Debuggen in Maschinenebene, aber auch wenn mit entsprechenden Compileroptionen Listingfiles erzeugt werden.

Maschinencode für den Aufruf: float y = parabel(2.0F);

  push        40000000h           ; Der Wert 2.0 wird in den Stack gelegt.
  call        parabel             ; Aufruf des Unterprogramms;
                                  ; call legt den Instructionpointer in den Stack
  add         esp, 4              ; Addieren von 4, das ist Byteanzahl des Parameters
  fst         dword ptr [ebp - 4] ; Abspeichern des Ergebnisses in y

Maschinencode des Unterprogramms:

parabel:
  push        ebp                 ; Der Basepointer wird im Stack gespeichert.
  mov         ebp, esp            ; Der Basepointer wird mit dem Wert des Stackpointer geladen.
  sub         esp, 40h            ; 64 Byte Stack werden reserviert.
  push        ebx                 ; CPU-Register, die hier verwendet = geändert werden,
  push        esi                 ; werden im Stack zwischengespeichert.
  push        edi
  fld         dword ptr [ebp + 8] ; Der Wert des Parameters x wird relativ zum Basepointer geladen
  fmul        dword ptr [ebp + 8] ; und in der floating-point-unit mit selbigem multipliziert.

  pop         edi                 ; Register werden restauriert.
  pop         esi
  pop         ebx
  mov         esp, ebp            ; Der Stackpointer wird genau auf den Stand wie beim Aufruf
                                  ; des Unterprogramms gebracht.
  pop         ebp                 ; Der Basepointer wird aus dem Stack restauriert.
  ret                             ; Der Instruction pointer wird aus dem Stack restauriert
                                  ; und damit wird nach dem call (oben) fortgesetzt.

Folgendes Beispiel zeigt einen handgeschriebenen Assemblercode für den Signalprozessor ADSP-216x von Analog Devices für folgende aus C zu rufende Funktion:

float set_floatExtend(_floatExtend* dst, float nVal);

Dabei handelt es sich um eine Funktion, die einen in nVal stehenden Wert auf der Adresse dst speichern soll. Das Besondere hierbei ist, dass der Fließkommawert 40 Bit umfasst und auf zwei 32-bittige Speicheradressen aufgeteilt werden muss.

 .GLOBAL _set_floatExtend;     ; Sprunglabel global sichtbar
 _set_floatExtend:             ; Sprunglabel angeben, das ist der Name des Unterprogramms,
                               ; aus C ohne Unterstrich anzugeben.
   I4 = R4;                    ; Im Register R4 wird der erste Parameter _floatExtend* dst übergeben.
                               ; Da es eine Adresse ist, wird diese in das Adressregister I4 umgeladen.
   PX = F8;                    ; Der zweite Parameter float nVal wird aus F8 in das Register PX geladen.
   dm(0,I4) = PX1;             ; Ein Teil des Inhaltes von PX, in PX1 sichtbar, wird auf
                               ; der Adresse gespeichert, die von I4 gezeigert wird.
   dm(1,I4) = PX2;             ; Speicherung des zweiten Teils auf der Folgeadresse
 ! FUNCTION EPILOGUE:          ; Standard-Abschluss des Unterprogramms:
   i12 = dm(-1,i6);            ; Das Adressregister i12 wird aus einer Adresse relativ zum Basepointer
                               ; (hier i6) geladen. Das ist die Rücksprungadresse.
   jump (m14,i12) (DB)         ; Das ist der Rücksprung unter Nutzung des Registers i12.
   F0 = F8;                    ; nach dem Rücksprung werden die noch im cashe stehenden Befehl verarbeitet,
                               ; hier wird der Wert in F8 nach dem Register R0 geladen, für return.
   RFRAME;                     ; dieser Befehl korrigiert den Basepointer i6 und Stackpointer i7.

Die formalen Parameter eines Unterprogramms werden bei dessen Deklaration oder Definition normalerweise hinter dem Namen des Unterprogramms angegeben. Mit diesen kann im Unterprogramm beispielsweise gerechnet werden, ohne dass konkrete Werte bekannt sind. Bei einer Deklaration sind oft nur die Datentypen der formalen Parameter anzugeben. Die verwendeten Parameter müssen immer zuweisungskompatibel zu diesen formalen Definitionen sein.

Beispiel: Unterprogrammdeklaration in den Programmiersprachen PASCAL und Delphi mit x und y als formalen Parametern:

 FUNCTION Radius(x, y : REAL) : REAL;
 BEGIN
  Radius := SQRT((x * x) + (y * y))
 END;

Die formalen Parameter, hier x und y, sind Platzhalter für die bei jeder Verwendung zu übergebenden Argumente oder tatsächlichen Parameter.

Zur Verwendung des Unterprogramms wird dieses mit die Ausführung beeinflussenden tatsächlichen Parametern (Argumenten) aufgerufen; diese definieren für diese Ausführung den anfänglichen konkreten Wert der abstrakten formalen Parameter. Zur besseren Unterscheidung von formalen Parametern wurde für tatsächliche Parameter auch die Bezeichnung Argument etabliert, besonders in Beschreibungen von Programmiersprachen.[1][2] Im Deutschen findet man auch die Bezeichnung aktueller Parameter, durch die falsche Übersetzung des englischen Ausdrucks actual parameter (tatsächlicher Parameter). Die Art der Übergabe ist von Programmiersprache zu Programmiersprache verschieden. Die Sprache Fortran verwendet beim Übersetzen festgelegte Speicheradressen für jedes Unterprogramm. Sprachen wie Pascal oder C verwenden den Stack oder Prozessorregister zur Parameterübergabe.

Beispiel: Aufruf des Unterprogramms mit verschiedenen tatsächlichen Parametern:

 r1 := Radius(x1, y1);               -- tatsächliche Parameter x := x1 und y := y1
 Durchmesser := 2 * Radius(13, -2);  -- tatsächliche Parameter x := 13 und y := -2

Kurz: (formale) Parameter stellen benannten Speicherplatz zur Verfügung, ähnlich algebraischen Variablen, Argumente oder tatsächliche Parameter sind konkrete Werte (oder Datenobjekte), die dort gespeichert und entsprechend verwendet werden.

Werden die Datentypen der formalen Parameter vorgegeben, wie im obigen Beispiel, spricht man von Type-Hinting. Type-Hinting ist in vielen Programmiersprachen (C, C++, Java und einige mehr) Pflicht (das Auslassen führt zu einem Syntaxfehler), während Skriptsprachen häufig keine Möglichkeit bieten Type-Hinting zu verwenden.

• Ein Beispiel aus C bzw. C++:

 float radius (float x, float y);

• Ein Beispiel aus PHP ohne Type-Hinting:

 function radius($x, $y);

• Ein Beispiel aus PHP mit Type-Hinting:

 /* Der erste Parameter muss vom Typ der Klasse PDO sein, andernfalls wird ein Fehler erzeugt */
 function getData(PDO $db, $y);

Es gibt unterschiedliche Methoden, wie die formalen Parameter während der Parameterübergabe durch die tatsächlichen Parameter ersetzt werden:

1. Bei Wertparametern (call by value) wird der Wert eines Ausdrucks berechnet und gegebenenfalls eine Kopie des Ergebnisses erzeugt. Dieses wird an Stelle des formalen Parameters verwendet. Die tatsächlichen Parameter können beliebige Ausdrücke wie ${\displaystyle 2*x+1}$ oder ${\displaystyle sin(x)}$ sein. Etwaige Änderungen der Parameter im Unterprogramm werden nur in der Kopie durchgeführt und gehen bei Abschluss des Unterprogramms verloren. Große Datenstrukturen wie Felder werden bei der Übergabe kopiert, was unerwünscht sein kann.
2. Referenzparameter (call by reference) übergeben eine Referenz (normalerweise die Speicheradresse) des tatsächlichen Parameters. Dies ist in der Regel sehr schnell. Änderungen bleiben auch nach Abschluss des Unterprogramms wirksam. Tatsächliche Parameter können nur Ausdrücke sein, deren Adresse berechnet werden kann, also z. B. keine Konstanten.
3. Namensparameter (call by name) setzen den Namen des tatsächlichen Parameters an Stelle des formalen Parameters ein. Dies kann auch mehrfach geschehen. Zusammen mit dem tatsächlichen Parameter wird eine Umgebung übergeben, welche die Bindungen der freien Variablen, welche im tatsächlichen Parameter vorkommen, angibt. Der Unterschied zu Wertparametern ist, dass der Ausdruck jedes Mal berechnet wird, wenn der Parameter in der aufgerufenen Funktion benutzt wird.

In einem Makro wird der formale Parameter textuell durch den tatsächlichen Parameter ersetzt. Der Unterschied zu Namensparametern besteht darin, dass Namenskonflikte in Kauf genommen werden. Kommt in einem tatsächlichen Parameter eine Variable vor, welche den gleichen Namen wie eine lokale Variable besitzt, so wird bei der Makroexpansion die lokale Variable verwendet.

1. Wertergebnisparameter (call by value/return oder call by value and result) erzeugen wie Wertparameter beim Aufruf zunächst eine Kopie des tatsächlichen Parameters. Bei Unterprogrammende wird der Inhalt des Parameters jedoch zurückgeschrieben. Dieser Parameterübergabemechanismus kann bei nebenläufigen Programmen eine andere Wirkung als die Verwendung von Referenzparametern haben, da während der Ausführungszeit des Unterprogramms ein anderer Thread auf die Variable in der aufrufenden Prozedur zugreifen kann.
2. Ergebnisparameter (call by result) erstellen eine lokal gültige, nicht initialisierte Variable als Parameter. Dieser Variable wird während der Abarbeitung des Unterprogramms ein Wert zugewiesen und bei Unterprogrammende in die Speicherposition des Aufrufparameters kopiert, sodass dieser überschrieben wird.
3. Call-by-Need ist eine Variante von Namensparametern, bei der jeder übergebene tatsächliche Parameter maximal einmal ausgewertet wird. Wird ein tatsächlicher Parameter ausgewertet, so werden alle Vorkommen des formalen Parameters durch den erhaltenen Wert ersetzt. In Haskell ist call-by-need Teil der Lazy Evaluation.

Moderne, prozedurale Programmiersprachen unterstützen in der Regel Wertparameter und Referenzparameter, manchmal auch Wertergebnisparameter.

 proc test(x,y)
 {
     y = y + 1;
     x = 10 * x;
 }

 a = 5;
 b = 4;
 test(a, b);
 print(a, b);
 test(b, b);
 print(b);

Ausgabe bei Wertparametern (call by value)

 5 4
 4

Erklärung: Es wird durch die Aufrufe von test keine Veränderung an den Variablen a und b durchgeführt, sodass die Variablen jeweils nach Beendung des Unterprogramms ihren ursprünglichen Wert beibehalten.

Ausgabe bei Referenzparametern (call by reference)

 50 5
 60

Erklärung: Beim Aufruf von test in Zeile 9 erhält x die Referenz zu a und y die Referenz zu b. Bei der Abarbeitung wird y zunächst um 1 erhöht. Da b und y auf die gleiche Adresse verweisen, hat b also nun den Wert 5. In der nächsten Zeile wird x mit 10 multipliziert, somit hat a nun den Wert 50.

In der zweiten Abarbeitung von test, aufgerufen in Zeile 11, verweisen sowohl x, als auch y auf b, da b für beide Parameter angegeben wurde. Daher werden alle Veränderungen, die in test an x und y ausgeführt werden, im gleichen Speicherbereich ausgeführt. y hatte vor diesem Aufruf den Wert 5, wird in Zeile 3 um 1 erhöht und anschließend wird in Zeile 4 dieser Wert mit 10 multipliziert; also steht an der Speicherstelle nun der Wert 60. Zurück im Hauptprogramm weist b dann auf die Adresse, an der die soeben berechnete 60 steht, also wird 60 in Zeile 12 für b ausgegeben.

Ausgabe bei Wertergebnisparametern (call by value and result)

 50 5
 6 ''oder'' 50

Erklärung: Beim zweiten Aufruf von test werden zwei Kopien von b erstellt, auf die x und y innerhalb von test zeigen. x hat bei Beendung des Unterprogramms den Wert 50, y hat den Wert 6. Je nach dem, welcher Wert zuerst in das ursprüngliche b zurück gespeichert wird, kann das Ergebnis variieren.