Cognitive Complexity

Wie unser Gehirn Informationen verarbeitet

Quellen

• Prof. Dr. Andreas Heil (HS Heilbronn / DHBW Karlsuhe)
• Stefan Mandel (andrena objects)

Informationstheorie von Shannon

Sensorisches Gedächnis

• hohe Kapazität
• speichert sensorische Informationen
• verliert Inhalt sehr schnell
  • visuelle Inhalte (ca. 0,2 Sekunden)
  • auditive Inhalte (ca 1,5 Sekunden)
• Auffrischen nur durch Wiederholung möglich

Arbeitsgedächnis

• stark begrenzte Kapazität
• speichert überwiegend symbolische Daten
• Begrenzte Vorhaltezeit
• Aktuelle Untersuchungen widerlegen die Existenz eins Kurzzeitgedächtnisses
• Arbeitsgedächtnis vermutlich ein Teil des Langzeitgedächtnisses

Langzeitgedächtnis

• nahezu unbegrenzter Speicher
• enthält episodische und semantische Informationen
• Zugriffszeit langsam (>0,1 Sekunden, meist deutlich länger)

Arbeitsgedächnis

• kann nur wenige Einheiten halten (früher 7, heute 3-4)
• Deshalb Superzeichenbildung (Abstrahierung)
• ca. 15 Sekunden vorhaltezeit
• Funktionsweise ähnlich wie Stack

• Geschickte Gruppierung ist wichtig
• Superzeichenbildung unterstützten, die dem Benutzer bekannt sind
• Wenig, keine Ablenkung von der eigentlichen Aufgabe
• Keine Verschachtelungen in Aufgaben (Stack nicht überfrachten)
• Interferenzeffekte vermeiden

Chunking

• Das Gehirn behilft sich indem es Informationen gruppiert.
• Das nennt man Chunking oder Superzeichenbildung.
• Superzeichen sind hierarchisch organisiert

Beispiel Memory

• Erwachsene nutzen Strategien (dritte Reihe von oben, zweite Karte von links)
• Kinder merken sich vermutlich die Konstellation
• Ergebnis: Kinder gewinnen in den meisten Fällen

Beispiele für Superzeichenbildung

• Wörter anstelle Einzelbuchstaben
• Bilder (Eindrücke) anstelle des Wortes
• Sätze anstelle Einzelworte

Funktioniert jedoch nur wenn die Informationseinheiten bekannt sind

• Symbolische Namen
  • 6A B7 anstelle 0110 1010 1011 0111
  • bluehands.de anstelle 109.109.201.186

Chunks im Code

• Schlüsselwörter (class, struct, function) vermitteln den Anfang eines Programmelements
• Trennzeichen (Semikolon, Komma) trennen Programmelemente
• Gruppierungszeichen (Klammern) gruppieren Programmelemente
• Operatoren vermitteln eine Operation auf Argumenten
• Literale werden je nach Kontext als Wert oder Variable interpretiert
• Namen vermitteln eine Semantik
• Argumentpositionen vermitteln eine Rolle

Kombinieren von Chunks

1. Struktur erkennen: Klasse, Feld, Methode
2. Fachliche Bedeutung erfassen: Konto (Account), Guthaben (balance), Überweisung (Transfer)
3. Ablauf verstehen: Prüfung -> Abbuchung -> Gutschrift
4. Gesamtbild: eine Bankkontoabstraktion

Was überfordert unser Gehirn

• Eine Operation verarbeitet zu viele Input-Chunks
• Unser Gedächtnis kann die Output-Chunks nicht mehr halten
• Unser Gedächtnis muss Chunks von früheren Berechnungen (Zwischenergebnisse) vorhalten

Unverständlicher Code analysieren

• Wie viele Chunks muss ich gleichzeitig verarbeiten?
• Kann ich mir unter den Variablen, Methoden, Klassen etwas vorstellen?
• Habe ich echte Abstraktionen oder nur Zusammenfassungen?
• Gibt es Widersprüche zwischen der niedergeschriebenen Logik und den Namen?
• Passt der Datenfluss oder Kontrollfluss zu den Abstraktionen?

Maßnahmen

• zu viele Chunks gleichzeitig:
  • Zerlegung der Logik in kleinere Schritte
  • (Teil-)Operationen abstrahieren
  • Zwischenergebnisse möglichst früh konsumieren
  • multiple Ergebnisse abstrahieren oder aggregieren
  • falsche Namen korrigieren
  • ungenaue Namen präzisieren
  • Namenskonventionen einhalten

• falsche Abstraktionen
  • Suche nach passenderen Abstraktionen
  • falsche Abstraktionen auflösen und neu gruppieren
• Widersprüche in Logik und/oder Namen
  • Klärung, ob Logik oder Namen das Problem sind

Möglichkeiten Code Komplexität klein zu halten

• Pair programming
• Code-Reviews
• "Selbstdokumentierender Code"
• Mob Programming, Quality Meetings im Team

Diskussion "synchronisiert" chunks

Cognitive Complexity

Increments
• if, else if, else, ternary operator
• switch
• for, foreach
• while, do while
• catch
• sequences of binary logical operators
• each method in a recursion cycle

Erhöhen nesting level
• if, else if, else, ternary operator
• switch
• for, foreach
• while, do while
• catch
• nested methods and method-like structures such as lambdas

Nesting increments

Diese Strukturen erhalten einen zusätzlichen increment anhand des nesting levels
• if, ternary operator
• switch
• for, foreach
• while, do while
• catch

						@Nullable
						private MethodJavaSymbol overriddenSymbolFrom(ClassJavaType classType) {
							if (classType.isUnknown()) { // +1
								return Symbols.unknownMethodSymbol;
							}

							boolean unknownFound = false;
							List symbols = classType.getSymbol().members().lookup(name);
							for (JavaSymbol overrideSymbol : symbols) { // +1
								if (overrideSymbol.isKind(JavaSymbol.MTH) // +2 (nesting = 1)
									&& !overrideSymbol.isStatic()) { // +1
									MethodJavaSymbol methodJavaSymbol = (MethodJavaSymbol)overrideSymbol;
									if (canOverride(methodJavaSymbol)) { // +3 (nesting = 2)
										Boolean overriding = checkOverridingParameters(methodJavaSymbol, classType);
										if (overriding == null) {
											if (!unknownFound) { // +4 (nesting = 3)
												unknownFound = true; // +5 (nesting = 4)
											}
										} else if (overriding) { // +1
											return methodJavaSymbol;
										}
									}	
								}
							}
							if (unknownFound) { // +1
								return Symbols.unknownMethodSymbol;
							}
							return null;
						} // summe = 19
						

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