UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PARMA
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale
Fondamenti di Informatica
Programmazione
Prof. Michele Amoretti
Fondamenti di Informatica
a.a. 2008/2009
Programmazione
Prof. M. Amoretti
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Fondamenti di Informatica
Sommario

Definizione di programma

Modalità di esecuzione: compilazione VS interpretazione

Linguaggi di programmazione

Linguaggi a basso livello

Linguaggi ad alto livello

Programmazione strutturata

Programmazione procedurale

Programmazione a oggetti
Programmazione
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Definizione di programma
Se
per risolvere un certo problema esiste un algoritmo, cioè un
procedimento infallibile, che può essere descritto in modo non
ambiguo fino ai dettagli, e conduce sempre all'obiettivo desiderato in
un tempo finito
allora
esistono le condizioni per affidare questo compito a un computer,
semplicemente descrivendo l'algoritmo in questione in un
programma scritto in un opportuno linguaggio comprensibile alla
macchina.
La descrizione di un algoritmo per la soluzione di un problema P in un
linguaggio di programmazione L, e cioè un programma in L, è
costituito da una sequenza finita di istruzioni in L la cui esecuzione da
parte del calcolatore porta (o dovrebbe portare) alla risoluzione di P.
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Struttura di un programma
Il codice sorgente (= testo) di un programma è tipicamente formato da:
1.
Una parte di dichiarazioni, che ha lo scopo di dichiarare tutte le
variabili utilizzate dal programma, con il loro tipo, che specifica
l’insieme dei valori che le variabili possono assumere e le operazioni
che su di esse possono essere esguite.
2.
Una parte di istruzioni, che descrive l’implementazione dell’algoritmo
risolutivo utilizzato.
Es. in Java
int a,b,t;
a = 10;
b = 5;
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// dichiarazione di 3 variabili di tipo int (4 byte)
// istruzioni di assegnamento
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Modalità di esecuzione: compilazione VS interpretazione
La compilazione di un programma consiste nell’analisi delle istruzioni del
codice sorgente (CS) da parte di un programma traduttore, il compilatore,
al fine di generare l’equivalente (ottimizzato) programma in codice binario,
detto programma oggetto (PO).
PO
Editor
CS
Compilatore
PO
Linker
EXE
Loader
Programma
in memoria
LIB
La successiva fase di “linking” con altri programmi oggetto (es. librerie di
funzioni) produce il programma eseguibile dalla macchina hardware.
L’esecuzione di quest’ultimo necessita il caricamento dello stesso in
memoria.
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Modalità di esecuzione: compilazione VS interpretazione
L’interpretazione di un programma consiste nell’analisi e immediata
esecuzione delle sue istruzioni, una alla volta in modo sequenziale, da
parte di un programma apposito, l’interprete.
Rispetto al compilatore, l’interprete genera codice macchina molto meno
ottimizzato, perché non ha una visione globale del programma.
Vengono compilati la maggior parte dei linguaggi di programmazione
“convenzionali”, come ad esempio l’assembly, il Pascal, il C e il C++.
Vengono interpretati, invece, i linguaggi “non convenzionali”, quali il Prolog
e il LISP. Anche il linguaggio macchina, in un certo senso, è interpretato
(dall’hardware del sistema di elaborazione).
Esistono poi tecniche miste, per cui il programma sorgente viene tradotto
in un linguaggio intermedio che viene poi interpretato. E’ il caso di Java.
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Linguaggi di programmazione
Un linguaggio di programmazione è un formalismo per scrivere
programmi per calcolatori.
Come tutti i linguaggi è definito da una grammatica, cioè una raccolta
di regole che definiscono
•
•
•
•
il lessico (vocabolario del linguaggio)
la morfologia (classificazione degli elementi lessicali)
la sintassi (struttura delle istruzioni)
la semantica (significato delle istruzioni)
del linguaggio.
Essendo i linguaggi di programmazione molto semplici e le istruzioni
inequivocabili, dato che devono essere eseguite da una macchina, non
si parla di pragmatica (influenza del contesto sull’interpretazione
dei significati).
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Linguaggi di programmazione
Dal punto di vista lessicale, i linguaggi di programmazione presentano
tipicamente un insieme di “parole riservate”, che non possono essere
utilizzate dal programmatore come nomi di variabili, perché hanno uno
scopo ben preciso (stabilito dalla morfologia del linguaggio).
Tutte le combinizioni di caratteri (consentiti) che non sono parole
riservate, possono essere usate come nomi di variabili.
Es. in Java non posso chiamare una variabile “for” perché
quell’elemento lessicale è una parola riservata che definisce un
comando ben preciso (iterazione)
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Linguaggi di programmazione
Dal punto di vista morfologico, i linguaggi di programmazione usano
tre categorie di parole:
•
•
•
le variabili
gli operatori
i comandi
che unite fra di loro secondo certe regole sintattiche formano le
istruzioni.
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Linguaggi di programmazione
La sintassi di un linguaggio di programmazione stabilisce le sequenze
accettabili delle parole del linguaggio.
La notazione più ampiamente utilizzata per rappresentare la sintassi di
un linguaggio di programmazione è detta
BNF (Backus-Naur Form), dal nome dei suoi
progettisti John Backus e Peter Naur.
Generica regola BNF:
lato sinistro ::= definizione
Dove il lato sinistro è il nome di una singola categoria grammaticale.
Es.
<intero con segno> ::= <segno> <numero>
<segno> ::= +|-|Λ
<numero> ::= <cifra>|<cifra><numero>
<cifra> ::= 0|1|2|3|4|5|6|7|8|9
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Linguaggi di programmazione
Le regole semantiche di un linguaggio sono quelle per cui, ad esempio,
la frase
“i gatti abbaiano”
viene considerata sbagliata, anche se lessicalmente e sintatticamente
corretta.
Quali sono le istruzioni semanticamente errate nei linguaggi di
programmazione?
Es. char a;
float b;
int somma;
somma = a + b;
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// sto sommando variabili di tipo diverso e pretendo
// di ottenere un risultato di tipo ancora diverso
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Linguaggi di programmazione
Attenzione!
La semantica di un linguaggio di programmazione è facilmente
formalizzabile (anche se spesso ci si limita alle spiegazioni in linguaggio
naturale).
E’ difficile invece formalizzare la semantica di un programma (= il
significato delle operazioni svolte dal programma).
La macchina non capisce il senso dei programmi, si limita ad
eseguire istruzioni che gli vengono presentate (dopo compilazione o
interpretazione) in forma di sequenze di bit.
Se la macchina capisse il senso di quello che deve fare, potrebbe ad
esempio cercare di ottimizzare un programma da sola, o magari cercare
in Internet un programma analogo ma che ha prestazioni migliori!
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Linguaggi a basso livello
Sono strettamente dipendenti da una specifica macchina hardware (in
particolare dalla CPU).
Il più “semplice” in termini di sintassi è il linguaggio macchina, le cui
istruzioni sono scritte direttamente in notazione binaria (sequenze di 0 e
1) e sono quindi molto lontane dal linguaggio naturale e molto
complesse da utilizzare per il programmatore.
Le istruzioni in linguaggio macchina sono lette ed eseguite
(“interpretate”) direttamente dalla macchina hardware.
Generalmente per ogni linguaggio macchina esiste anche una versione
simbolica, detta linguaggio assembly. I comandi sono espressi da
codici mnemonici (= facili da ricordare). E’ più immediato da utilizzare
del linguaggio macchina, ma il codice sorgente risulta comunque
complesso e non è portabile tra famiglie di processori diverse.
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Linguaggi a basso livello
Tra le istruzioni in linguaggio assembly e quelle in linguaggio macchina c’è
un mapping 1-a-1.
Il compilatore che traduce da assembly a linguaggio macchina è detto
assembler.
Es.
Istruzione in linguaggio Assembly 8086:
Istruzione in linguaggio macchina:
MOV AH, 11
1011 0 100 00001011
• i primi 4 bit rappresentano l’Operation Code, che identifica il tipo di istruzione;
• il bit W vale 1 se l’operando è su 16 bit, 0 se è su 8 bit: nel caso in esame W = 0;
• i 3 bit Reg indicano il registro destinazione, secondo la tabella indicata: nel caso in
esame Reg = 100;
• gli 8 bit di dato contengono l’operando: nel caso in esame 11(10) = 00001011(2).
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Linguaggi ad alto livello
Nascondono, in modo più o meno completo, le caratteristiche proprie
delle diverse macchine hardware ed offrono al programmatore una
sintassi molto più vicina al linguaggio naturale rispetto ai linguaggi a
basso livello.
Consentono di descrivere il problema in modo intuitivo ed espressivo.
Permettono di trattare con facilità:
• formule matematiche
• operazioni di I/O
• strutture dati complesse
Mettono a disposizione strutture dati e costrutti logici (ad es. per il
controllo del flusso).
Il codice sorgente risulta più leggibile e documentabile.
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Linguaggi ad alto livello
Hanno caratteristiche diverse: offrono forme espressive appropriate per
alcuni problemi specifici.
Es.
•
•
•
•
•
•
•
FORTRAN (problemi scientifici)
COBOL (problemi commerciali)
BASIC, Pascal (problemi generici non troppo complessi)
C, C++ (controllo di dispositivi elettronici, automazione)
Java, C# (GUI, applicazioni distribuite)
LISP (intelligenza artificiale)
PROLOG (dimostrazione automatica di teoremi)
I linguaggi più diffusi hanno il compilatore per quasi tutti i sistemi
operativi e calcolatori presenti sul mercato.
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Linguaggi ad alto livello
Linguaggi imperativi
Sono linguaggi convenzionali, basati sulla nozione di istruzione di
macchina e di memorizzazione di valori in celle di memoria
(quindi “vedono” il calcolatore come da modello di Von Neumann).
Es. BASIC, FORTRAN, C, JAVA, ecc.
Linguaggi funzionali
Sono linguaggi non convenzionali, basati sul concetto di funzione.
Le funzioni vengono definite anche in modo ricorsivo, e utilizzando
costrutti per il controllo di flusso.
Es. LISP
Linguaggi dichiarativi basati sulla logica
Sono linguaggi non convenzionali, basati sui concetti di asserzione
condizionata e interrogazione.
Es. PROLOG
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Programmazione strutturata
Le idee chiave della programmazione strutturata si possono ricondurre
alla critica della struttura di controllo del salto incondizionato (o GOTO,
"vai a"), che rappresentava, negli anni '60, lo strumento fondamentale
per la scrittura di programmi complessi.
In un celebre articolo del 1968,
“Goto statement considered harmful”,
Edsger Dijkstra discusse approfonditamente
gli effetti deleteri del GOTO sulla qualità
del software, e in particolare sulla sua
leggibilità e modificabilità (il cosiddetto
problema dello spaghetti code).
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Programmazione strutturata
Un'altra celebre pubblicazione che risultò fondamentale all'affermarsi
della programmazione strutturata fu “Flow Diagrams, Turing Machines,
and Languages with Only Two Formation Rules”, in cui Corrado Böhm e
Giuseppe Jacopini dimostrarono il loro celebre teorema.
Teorema di Jacopini-Bohm
Qualsiasi programma scritto usando il GOTO può essere riscritto
senza, a patto di avere a disposizione altri tre tipi di strutture di
controllo: sequenza, alternativa e iterazione.
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Sequenza:
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Alternativa:
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Iterazione:
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Programmazione strutturata
Il seguente programma è un esempio banale di spaghetti code in BASIC,
che stampa su schermo la sequenza di numeri da 1 a 10 e il loro
quadrato.
10
20
30
40
50
60
70
80
DIM i
i=0
i=i+1
IF i <> 10 then GOTO 70
PRINT "Programma terminato."
END
PRINT i & " al quadrato = " & i * i
GOTO 30
Si noti come le istruzioni di GOTO introducano una dipendenza dai
numeri di riga del programma, e come il flusso di esecuzione salti in
maniera impredicibile da una zona all'altra.
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Programmazione strutturata
Ecco un esempio di codice equivalente scritto con uno stile di
programmazione strutturato:
DIM i
FOR i = 1 to 10
PRINT i & " al quadrato = " & i*i
NEXT
PRINT "Programma terminato."
Il costrutto “for” evita di dover usare il GOTO.
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Programmazione strutturata
In C il GOTO si può usare (purtroppo!):
// ciclo che stampa gli interi da 10 a 1
int n=10;
loop:
cout << n << ", ";
n--;
if (n>0) goto loop;
Usando però il costrutto sintattico iterativo “for”:
// ciclo che stampa gli interi da 10 a 1
for (int n=10; n>0; n--)
cout << n << ", ";
il codice è molto più sintetico e leggibile!
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In Java l’istruzione GOTO esiste come “parola riservata” del linguaggio,
ma non è più implementata perché considerata strumento di cattiva
programmazione.
Ci sono comunque dei meccanismi (assolutamente “legali”) che
producono l’effetto del GOTO, ad esempio:
• l’istruzione break
Es.
for (i = 0; i < arrayOfInts.length; i++) {
}
if (arrayOfInts[i] == searchFor)
break;
• l’istruzione continue
Es.
for (int i = 0; i < max; i++) {
}
if (searchMe.charAt(i) != 'p')
continue;
numPs++;
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Programmazione procedurale
Nella programmazione procedurale si adotta la metodologia di
suddivisione del problema in sottoproblemi detta “divide et impera”.
Dividendo un problema in porzioni più piccole è possibile governare la
complessità che altrimenti ci sovrasterebbe se si guardasse il problema
nella sua interezza.
Adottando questa tecnica, il codice del programma risulta diviso in
moduli, detti sottoprogrammi o anche procedure o funzioni,
ciascuno dei quali svolge una precisa porzione del compito complessivo.
nome + tipo dei parametri  signature della procedura
Vantaggi:
- maggiore leggibilità dei programmi
- possibilità di riuso del codice.
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Programmazione procedurale
In genere c’è una procedura principale (main) che ha il compito di
invocare ciascun sottoprogramma ogni volta che si deve affrontare il
compito cui questo è proposto.
Es. in linguaggio C
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("Hello world\n");
return 0;
}
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Programmazione orientata agli oggetti (OOP)
E’ un paradigma di programmazione in cui:
• un'unica entità (detta classe)
raggruppa
• i dati (detti attributi)
• le procedure (dette metodi) che operano sui dati.
Una classe definisce un tipo complesso. Una variabile il cui tipo è definito
da una classe è detta istanza della classe, o più brevemente oggetto.
E’ l’evoluzione della programmazione procedurale.
La modularità di un programma viene realizzata progettando e realizzando
il codice sotto forma di classi che interagiscono tra di loro.
Il programma ideale, realizzato applicando i criteri dell'OOP, è
completamente costituito da oggetti che interagiscono gli uni con gli altri.
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Oggetti
Sono astrazioni che descrivono
• oggetti fisici,
• concetti astratti che fanno parte del problema (o della soluzione).
Caratterizzati da
• uno stato,
• un insieme di servizi che offrono agli altri oggetti.
I valori degli attributi determinano lo stato. I metodi (che non sono solo
di tipo get e set!) rappresentano i servizi offerti.
Es. un telefono cellulare
• stato: carica della batteria, potenza del segnale, …
• servizi: chiama un numero, rispondi alla chiamata, …
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Oggetti
Es. in linguaggio Java
public class CellularPhone {
private int field = 0;
private int battery = 0;
}
public void answer() {
…
}
public void call(String number) {
…
}
attributi (variabili di stato)
metodi (servizi offerti)
classe principale: solo lei contiene il metodo main()
public class Caller {
public static void main(String args[]) {
CellularPhone cellPhone = new CellularPhone();
cellPhone.call(“0039123456789”);
}
}
oggetto di tipo CellularPhone
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Storia dell’OOP
-
1967: Simula (1967)
anni '70: Smalltalk e varie estensioni del Lisp
anni '80: C++, Objective C, Object Pascal, ecc.
anni '90: Eiffel, Java
Oggi i linguaggi più usati sono quelli che supportano anche ma non solo
il paradigma di programmazione orientata agli oggetti, come C++, Java,
Delphi, Python, C#, Visual Basic .NET.
Un linguaggio di programmazione per poter essere definito ad oggetti
deve possedere le tre proprietà seguenti:
• Incapsulamento
• Ereditarietà
• Polimorfismo
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Incapsulamento
L'incapsulamento consiste nel dichiarare privati gli attributi e certi
metodi, per cui ciascun oggetto della classe risulta essere come una
black-box, cioè una scatola nera.
Solo attraverso i metodi pubblici (in particolare quelli di tipo get/set)
sappiamo cosa l’oggetto fa e come interagisce con l'esterno.
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Ereditarietà
Meccanismo molto importante che permette di derivare nuove classi a
partire da classi già definite.
Le classi derivate possono
aggiungere nuovi membri
rispetto alla superclasse.
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Ereditarietà
Se un oggetto di una sottoclasse può essere utilizzato al posto di
un'istanza della superclasse, il tipo della classe derivata è detto sottotipo
(in questo caso l’operazione di subclassing corrisponde a quella di
subtyping).
In alcuni linguaggi una sottoclasse può eliminare o cambiare le proprietà
di accesso ad un metodo della superclasse, il che fa sì che l'operazione
di subclassing non sia corrispondente a quella di subtyping.
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Polimorfismo
E’ il meccanismo per cui classi derivate possono implementare in modo
differente i metodi e le proprietà delle proprie superclassi, rendendo
possibile che gli oggetti appartenenti a delle sottoclassi di una stessa
classe rispondano diversamente alle stesse istruzioni.
Es.
In una gerarchia in cui le classi Cane e Gatto discendono dalla super-classe
Animale potremmo avere il metodo cosaMangia() che restituisce la stringa "osso"
se eseguito sulla classe Cane e "pesce" se eseguito sulla classe Gatto.
Buona regola di programmazione:
quando una classe derivata ridefinisce un metodo, il nuovo metodo
deve avere la stessa semantica di quello ridefinito, dal punto di vista
degli utenti della classe.
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Polimorfismo
L'overloading consente di definire in una stessa classe più metodi aventi
lo stesso nome, ma che differiscano nella signature. Non ha a che fare
con il polimorfismo!
L'overriding, invece, consente di ridefinire un metodo in una sottoclasse:
il metodo originale e quello che lo ridefinisce hanno necessariamente la
stessa firma, e solo a tempo di esecuzione si determina quale dei due
deve essere eseguito. L’overriding dà luogo a polimorfismo.
Il polimorfismo da overriding è particolarmente utile quando la versione
del metodo da eseguire viene scelta sulla base del tipo di oggetto
effettivamente assegnato a una variabile a runtime (invece che al
momento della compilazione). Questa funzionalità è detta binding
dinamico (o late-binding).
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Polimorfismo
Es.
...
SuperClass s1 = new SuperClass();
SuperClass s2 = new SubClass();
...
s1.someMethod(); // chiamo la versione di SuperClass
s2.someMethod(); // chiamo la versione di SubClass
....
Il compilatore non è in grado di capire quale versione di someMethod()
viene chiamata, perché per lui s1 e s2 sono istanze di SuperClass.
Quando eseguo il programma, però, viene eseguito il metodo opportuno.
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