Programmazione - Dipartimento di Ingegneria Informatica e delle

Transcript

Programmazione

L’attività con cui si predispone
l’elaboratore ad eseguire un particolare
insieme di azioni su particolari dati,
allo scopo di risolvere un problema
Dati
Input
Elaboratore
Elettronico
Fondamenti di Informatica
Risultati
Output
2
1
Linguaggio di programmazione

Insieme di regole per la descrizione
formale di un algoritmo eseguibile da un
calcolatore:
 Lessico (alfabeto): insieme dei termini
disponibili
 Sintassi: forma delle frasi
 Semantica: significato delle frasi
3
Algoritmi, programmi e calcolatori

Ogni elaboratore è una macchina in grado di eseguire
azioni elementari su oggetti detti DATI

L’esecuzione delle azioni è richiesta all’elaboratore
tramite comandi elementari chiamati ISTRUZIONI
espresse mediante un opportuno formalismo: il
LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE

La formulazione testuale di un algoritmo in un
linguaggio comprensibile ad un elaboratore è detta
PROGRAMMA
4
2
Programma

Un programma è un testo scritto in accordo alla
sintassi e alla semantica di un linguaggio di
programmazione

Un programma è la formulazione testuale, in un
certo linguaggio di programmazione, di un
algoritmo che risolve un dato problema
 È composto da un numero finito di istruzioni
 Ogni istruzione descrive una operazione
5
Algoritmo e programma
Passi per la risoluzione di un problema:
 Individuazione di un procedimento risolutivo
 Scomposizione del procedimento in un insieme ordinato
di azioni  ALGORITMO
 Rappresentazione dei dati e dell’algoritmo attraverso un
formalismo comprensibile dal calcolatore 
PROGRAMMA
Problema
Algoritmo
Metodo
risolutivo
Programma
Linguaggio di
programmazione
6
3
Compiti del programmatore

Analizzare il problema riducendolo in
termini astratti, eliminando ogni
componente non indispensabile e
formulando un modello del problema.

Individuare una strategia risolutiva e
ricondurla ad un algoritmo.

Codificare l’algoritmo in modo tale da
renderlo comprensibile al calcolatore.
7
Competenze ed abilità del
programmatore

Deve essere in grado di capire i problemi e
schematizzarli, distinguendone le diverse
componenti (dati in input, parametri del
problema, dati in output).

Deve essere in grado di risolvere problemi
mediante un approccio algoritmico,
individuando gli aspetti del problema che
possano essere risolti reiterando più volte
operazioni simili.
8
4
Linguaggi di programmazione

Classificati rispetto alle caratteristiche
principali:
 potere espressivo che influenza lo stile di
programmazione
9
Linguaggi: un po’ di storia
Albori: Macchine a programma memorizzato,
Programmi come dati
LinguaggioMacchina
Assemblatore
FORTRAN (calcolo scientifico) COBOL (Data Processing)
Anni ’60: Formalizzazione della sintassi,
Strutture a blocchi, implementazione del calcolo
ALGOL
LISP (LISt Processing)
PL/I – ALGOL ‘68
(Linguaggio universale)
5
L’era moderna: Programmazione
strutturata, Metodologie, Astrazione,
Linguaggi ad alto livello per la
programmazione di sistema
LISP
PASCAL
Varie versioni
della logica
ADA
Universale?
C
PROLOG
ML
Programmazion
e orientata agli
oggetti
C++
JAVA
Paradigmi
Per paradigmi di programmazione si
intendono i “modi” in cui vengono
specificati i programmi
 Non si tratta tanto del tipo di linguaggio
usato, ma del contesto più ampio al quale
un certo linguaggio appartiene
 Parliamo di come viene organizzata la
programmazione, con quali caratteristiche:
stile, livello di dettaglio, “forma mentis” del
programmatore

6
Tipologie di linguaggi
13

Possiamo aggregare i numerosi linguaggi di
programmazione esistenti (ad alto livello) sulla base del
modello astratto di programmazione che sottintendono e
che è necessario adottare per utilizzarli.
Linguaggi di programmazione
Imperativi
Procedurali
C, Pascal,
Fortran
Ad oggetti
Dichiarativi
Paralleli
Funzionali
Logici
Lisp
Prolog
C++, Java
Linguaggi Imperativi
14
 permettono di descrivere operazioni più




complesse di quelle che l'elaboratore può
eseguire direttamente
livello di astrazione più alto
risalgono agli anni '50
detti di alto livello di tipo imperativo
Es: Basic, Fortran, Pascal, C
7
Linguaggi Imperativi
15

Caratteristiche:
 di utilizzo più semplice
 indipendenti dall'elaboratore
 purtroppo ancora legati al modello di Von Neumann:
○ i programmi sono ancora una sequenza di istruzioni;
l'evoluzione del calcolo è costituita da una variazione
dello stato della memoria
○ Eseguono 3 tipi di operazioni:
 trasferimento dati
 operazioni aritmetiche
 alterazione del flusso del programma
Programmazione imperativa
Classico: i programmi sono sequenze di
comandi che agiscono sui dati o sull’ordine
di esecuzione delle istruzioni.
 In genere viene studiato per primo ed è per
questo che viene percepito come “più
naturale”
 Esempi di linguaggi imperativi: Assembly,
FORTRAN, C, COBOL, Pascal
 Costrutti tipici: assegnamento, cicli, if-thenelse, procedure con passaggio di parametri

8
Programmazione imperativa
Il programmatore deve definire tutte le
strutture dati e tutti gli algoritmi che
operano su di esse
 Il programma non può gestire strutture dati
parziali
 Meccanismi dinamici e chiamate di
sottoprogrammi gestiti (anche se non
sempre completamente) dal
programmatore
 ...

Linguaggi a Oggetti
18
Favoriscono la modularità ed il riutilizzo del
codice
 Modellazione del problema da risolvere
come un insieme di oggetti che si
scambiano messaggi


Esempi: C++, Java, Smalltalk, Eiffel
9
Programmazione orientata agli
oggetti
I programmi definiscono delle astrazioni
(classi) di elementi del dominio di
applicazione del programma
 Le classi contengono informazioni sui dati
ma anche il codice per gestirli (in genere di
tipo imperativo)

Linguaggi Funzionali
20
Non sono legati al modello di Von Neumann
ma al concetto di programmazione
funzionale
 Il primo linguaggio funzionale:

 Lisp (List Processing), fine anni '50
 caratteristiche di manipolazione agevole di
informazioni di tipo simbolico
10
Differenze con i linguaggi imperativi
21
il calcolo è basato sul calcolo di valori e non
sull'assegnamento di valori a variabili
 Il programma è una definizione di funzioni nel senso più
matematico del termine
 basato su valori e non su effetti
 il risultato è il risultato di una funzione, non l'effetto causato
dalla esecuzione di una sequenza di operazioni
 Ordine superiore: gli argomenti delle funzioni definite possono
essere sia valori di tipi primitivi che altre funzioni
 L’interpete si occupa di valutare, in base alle funzioni di base e
a quelle definite, una qualsiasi espressione ben formata

Programmazione Funzionale:
esempio caml
#let rec fatt = function
#
0 -> 1
# | n -> n * fatt n-1;;
fatt: int -> int = <fun>
#let rec map = function
#
[], f -> []
# | (x::Xs), f -> (f x) :: map Xs;;
map: ’a list * (’a -> ’b) -> ’b list = <fun>
#map [2;0;3] fatt;;
- int list = [2; 1; 6]
#map [0;3] (function x -> x+1);;
- int list = [1;4]
11
Programmazione Funzionale
Primo linguaggio funzionale: -calcolo
(nucleo della programmazione funzionale)
 Molto importante soprattutto dal punto di
vista teorico (versione non tipata Turingequivalente)
 Altri linguaggi: Miranda, Haskell, Scheme,
Standard ML (varie implementazioni tra cui
CAML), LISP
 Differenze nell’efficienza, nella vastità di
librerie, nel tipo di valutazione (lazy vs
eager)

Programmazione Funzionale
Approccio dichiarativo: il programma è una
definizione di funzione, il “calcolo” è built-in
 I linguaggi funzionali possono essere usati
come metalinguaggi per definire altri
linguaggi ottenendo, da una definizione
denotazionale della semantica, anche un
interprete (gratis!)
 Le moderne implementazioni sono
piuttosto efficienti

12
Linguaggi Logici
25




Anche qui il formalismo è dichiarativo: i programmi
sono definizioni, in questo caso di relazioni e non di
funzioni
Basati sulla logica
 obiettivo: formalizzare il ragionamento
 caratterizzati da meccanismi deduttivi
Programmazione:
 semplice (occorre solo definire la propria conoscenza
del problema)
 avviene tramite una formulazione dichiarativa
Esempio: Prolog
Linguaggi Logici
26

Programmare significa:
 descrivere il problema con formule del linguaggio
 interrogare il sistema, che effettua deduzioni sulla
base delle definizioni pertanto Il motore di calcolo è
un dimostratore di teoremi che cerca di dimostrare un
goal (una clausola Horn senza la conseguenza) a
partire dalle clausole del programma
 Il “risultato” viene fuori dagli assegnamenti alle
variabili libere del goal che il dimostratore fa durante
la visita (con backtracking) dell’albero di
dimostrazione per il goal e il programma logico dati
13
Programmazione logica
Un programma logico è la definizione di
un certo numero di predicati della logica
del primo ordine
 Limitazione: la definizione può avvenire
solo con clausole Horn definite:
p1 ( X 11 , , X n1 )    pk ( X 1k ,, X mk )  q(Y1 ,, Yh )

dove n, m, k , h  0, pi sono simboli di predicato e
gli X ij , Yi sono termini di un linguaggio del primo
ordine : c, f(X), f(g(a)), g(c)...
Programmazione logica:
esempio
#append([],Ys,Ys).
#append([X|Xs],Ys,[X|Zs]) :append(Xs,Ys,Zs).
:- sta per 
?- append([1,2],[2,4],X).
X = [1,2,2,4]
?- append(X,[3],[2,5,3])
X = [2,5]
Ma c’è di più!
14
Programmazione logica: esempio
?- append(X,Y,[3,4,5]).
X = [], Y=[3,4,5] ;
X = [3], Y=[4,5] ...
?- append(X,Y,[3,4|Z]).
X = [3], Y = [4|Z] ;
X = [3,4], Y = Z
Si definiscono relazioni che possono essere
usate anche come funzioni, ma non solo!
Paradigmi dichiarativi
I linguaggi dichiarativi sono molto utili
per realizzare velocemente un prototipo
di un’applicazione complessa
 Con poche righe di codice si possono
realizzare operazioni molto complesse
 Il problema principale resta sempre
l’efficienza

15
Programmazione con vincoli
Nei linguaggi di programmazione con
vincoli il motore principale di calcolo è un
risolutore di vincoli in un certo dominio
 Esempio: risolutore di (dis)equazioni lineari
e non nel dominio dei numeri reali
 Si associa bene con la programmazione
logica
 Il programma aggiunge via via vincoli ad un
insieme individuando uno spazio di
soluzioni sempre più piccolo oppure vuoto

Programmazione concorrente
Un programma concorrente consiste di
diversi processi che cooperano in un
ambiente per raggiungere un risultato
comune
 I processi possono avere meccanismi
diversi di comunicazione (canali, memoria
condivisa, multi-insieme di vincoli)
 L’attenzione della programmazione
concorrente non è sul calcolo che
effettuano i singoli processi, ma sulle loro
interazioni

16
Programmazione concorrente

Numerosi formalismi possibili:
 Algebre di processi: CCS, CSP
 Set di costrutti concorrenti che si aggiungono a
linguaggi classici: Linda, Pascal o C concorrenti
 Programmazione concorrente con vincoli

La formalizzazione è importante per
effettuare verifiche formali di proprietà (es.
mutua esclusione, raggiungibilità di stati,
invarianze) sui programmi concorrenti
Linguaggio Macchina

Insieme di istruzioni eseguibili dalla CPU

Dipende dalla CPU:
 cablata al suo interno, ogni istruzione
genera una sequenza di segnali di controllo

Linguaggio di basso livello
 si può accedere direttamente alle
funzionalità di base del calcolatore
34
17
Linguaggio Macchina

Complesso da utilizzare:
 ogni istruzione esegue un'operazione
semplicissima
 esistono librerie con procedure generali

Gli altri linguaggi vengono “convertiti” in
sequenze di istruzioni in linguaggio macchina
35
Linguaggio Macchina

Il Linguaggio Macchina è estremamente
efficiente

I programmi sono:
 più veloci
 più corti
 … ma più complessi
36
18
Linguaggi - basso livello

Il linguaggio macchina specifica solo le operazioni che
l'elaboratore può eseguire
 sintattica molto elementare"
 diverso per ogni processore
○ dipende dalle caratteristiche architetturali della CPU

E' più orientato alla macchina che ai problemi da trattare
 è infatti definito di "basso livello“

Le istruzioni devono essere espresse come sequenze di
bit!
37
Linguaggio Macchina

La scrittura è complessa:
 istruzioni formate da stringhe di 1 e 0: quindi
è necessario un insieme di simboli
(Linguaggio Assembly)
 per referenziare le locazioni di memoria è
necessario avere delle etichette
 necessario commentare ogni istruzione
38
19
Linguaggi - basso livello

Una prima evoluzione è stata
l'introduzione di linguaggi simbolici:
linguaggi assemblativi (assembly)
 ancora orientati alla macchina e non ai
problemi
 più immediati da utilizzare
 definiscono variabili, simboli,...
39
Linguaggi - alto livello

Altri linguaggi sono basati su:
 la descrizione del problema in modo
intuitivo, dimenticandosi che verranno
eseguiti da un calcolatore
 obiettivo: fornire un mezzo espressivo per
specificare all'elaboratore il compito da
eseguire
40
20
Linguaggi - alto livello

Caratteristiche:
 ognuno ha i propri paradigmi che
garantiscono forme espressive appropriate
per alcuni problemi specifici
 questa specificità ha favorito la loro
proliferazione (fenomeno intrinseco alla
natura del linguaggio come forma di
comunicazione)
41
Linguaggi


La programmazione a basso livello è più ardua e
meno intuitiva, ma consente di sviluppare
programmi efficienti.
Ad alto livello la programmazione è più “naturale”
e rapida, ma è possibile che non consenta di
produrre software efficiente.
Efficienza del programma
Programmazione a
basso livello
Programmazione ad
alto livello
Facilità e velocità di programmazione
42
21
Traduzione dei programmi

Affinchè un programma scritto in un
qualsiasi linguaggio di programmazione sia
comprensibile (e quindi eseguibile) da un
calcolatore, occorre tradurlo dal linguaggio
originario al linguaggio della macchina

Questa operazione viene normalmente
svolta da speciali programmi detti
traduttori
43
Traduzione di un programma

Il traduttore converte:
 Il testo di un programma scritto in un particolare
linguaggio di programmazione (sorgente) …
 … nella corrispondente rappresentazione in
linguaggio macchina (programma eseguibile)
sorgente
…
X=X+1;
If X>0 …
…
traduzione
eseguibile
0010100
…
01001..
10010…
44
22
Compilatori e Interpreti

Esistono due categorie di traduttori:
 i compilatori: traducono l’intero programma
(senza eseguirlo) e producono in uscita il
programma convertito in linguaggio
macchina
 gli interpreti: traducono ed eseguono
immediatamente ogni singola istruzione del
programma sorgente
45
Interprete

L’ interprete: itera più volte questo processo
 Legge un’istruzione del programma “sorgente”
 Traduce l’istruzione in linguaggio macchina
 Esegue l’istruzione
 Passa all’interpretazione dell’istruzione successiva



Al termine di questa operazione, del programma in
linguaggio macchina non rimane alcuna traccia (la
traduzione non viene memorizzata)
Se il programma torna più volte su una stessa istruzione,
questa verrà tradotta (ed eseguita) ogni volta.
È necessario disporre dell’interprete per poter eseguire il
programma.
46
23
Compilatore

Compilatore: esegue una sola volta il processo
 Legge tutte le istruzioni del programma “sorgente” e le traduce in
linguaggio macchina.
 Memorizza su disco il programma “eseguibile” tradotto in
linguaggio macchina.



Al termine della compilazione avremo un programma
eseguibile in linguaggio macchina.
La traduzione di ogni istruzione del programma avviene una
sola volta, anche se una stessa istruzione viene ripetuta più
volte all’interno del programma.
Non ho bisogno di avere il compilatore ed il sorgente per
eseguire il programma: mi basta il programma eseguibile
47
sorgente
…
X=X+1;
If X>0 …
…
traduzione
eseguibile
0010100
…
01001..
10010…
esecuzione

Nel caso del compilatore, lo schema precedente viene
percorso una volta sola, prima dell’esecuzione

Nel caso dell’interprete, lo schema viene invece
attraversato tante volte quante sono le istruzioni che
compongono il programma
48
24
Tipicamente,
l’esecuzione di un programma compilato
è più veloce
dell’esecuzione di un programma
interpretato
49
Esecuzione dei programmi

Nel caso dei compilatori, l'esecuzione di
un programma scritto con un linguaggio
ad alto livello è preceduta dai seguenti
passi:
1. traduzione in linguaggio macchina
2. collegamento con programmi di supporto
(calcoli, comunicazione con periferiche,…)
3. caricamento in memoria
50
25
Traduzione in linguaggio macchina: compilatore

Viene suddivisa in 2 passi:
 analisi (lessicale, grammaticale, contestuale)
 trasformazione del programma sorgente in
programma oggetto (forma più vicina al linguaggio
macchina):
○ creazione tabella simboli
○ ottimizzazioni (rimozione ripetizioni, eliminazione cicli,
sfruttamento registri,…); livelli di ottimizzazione
51
Collegamento con programmi di supporto
linker

Il codice oggetto così formato:
 può ancora contenere dei simboli irrisolti
○ riferimenti esterni a programmi di servizio (accesso
alle periferiche, calcoli matematici,...)
 contiene indirizzi relativi

Il linker serve per collegare diversi moduli
oggetto, e formare un unico programma
eseguibile
52
26
Caricamento in memoria: loader
Il Loader serve per caricare in memoria un
programma
 Nel caricamento vengono fissati tutti gli
indirizzi relativi

 variabili, salti, …

Vengono caricati anche i moduli di supporto,
se necessari
53
Costruzione “manuale”

In passato, la costruzione dell’eseguibile si
faceva “a mano”, attivando compilatore e linker
dalla linea di comando del sistema operativo
(DOS, Unix, ...)

C:\PROVA> gcc -c f1.c
(genera f1.obj)
C:\PROVA> ld -o prog.exe f1.obj –lc
(genera prog.exe)

Eseguibile da
produrre
File
Libreria di
oggetto
Fondamenti di Informatica sistema C
54
27
Ambienti Integrati

Oggi, gli ambienti di lavoro integrati
(IDE – Integrated Development
Environments) automatizzano la
procedura:
 compilano i file sorgente (se e quando
necessario)
 invocano il linker per costruire l’eseguibile

ma per farlo devono sapere:
 quali file sorgente costituiscono l’applicazione
 il nome dell’eseguibile da produrre.
55
28

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