LINGUAGGI DI
PROGRAMMAZIONE
Programmazione
2
z
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
Risultati
Output
Fondamenti di Informatica
1
3
Linguaggio di
programmazione
z
Insieme di regole per la descrizione formale di
un algoritmo eseguibile da un calcolatore:
z
Lessico (alfabeto): insieme dei termini disponibili
z
Sintassi: forma delle frasi
z
Semantica: significato delle frasi
Fondamenti di Informatica
Algoritmi, programmi e calcolatori
4
z
Ogni elaboratore è una macchina in grado di eseguire
azioni elementari su oggetti detti DATI
z
L’esecuzione delle azioni è richiesta all’elaboratore
tramite comandi elementari chiamati ISTRUZIONI
espresse mediante un opportuno formalismo: il
LINGUAGGIO DI PROGRAMMAZIONE
z
La formulazione testuale di un algoritmo in un linguaggio
comprensibile ad un elaboratore è detta PROGRAMMA
Fondamenti di Informatica
2
Programma
5
z
Un programma è un testo scritto in accordo alla
sintassi e alla semantica di un linguaggio di
programmazione
z
Un programma è la formulazione testuale, in un certo
linguaggio di programmazione, di un algoritmo che
risolve un dato problema
z
z
È composto da un numero finito di istruzioni
Ogni istruzione descrive una operazione
Fondamenti di Informatica
Algoritmo e programma
6
Passi per la risoluzione di un problema:
z
z
z
Individuazione di un procedimento risolutivo
Scomposizione del procedimento in un insieme ordinato di azioni
Æ ALGORITMO
Rappresentazione dei dati e dell’algoritmo attraverso un
formalismo comprensibile dal calcolatore Æ PROGRAMMA
Problema
Algoritmo
Metodo
risolutivo
Programma
Linguaggio di
programmazione
Fondamenti di Informatica
3
Compiti del programmatore
7
z
Analizzare il problema riducendolo in termini astratti,
eliminando ogni componente non indispensabile e
formulando un modello del problema.
z
Individuare una strategia risolutiva e ricondurla ad un
algoritmo.
z
Codificare l’algoritmo in modo tale da renderlo
comprensibile al calcolatore.
z
Analizzare il risultato dell’elaborazione evidenziando
eventuali errori nella formulazione del problema, nella
strategia risolutiva, nella codifica dell’algoritmo.
Fondamenti di Informatica
Competenze ed abilità del programmatore
8
z
Deve essere in grado di capire i problemi e schematizzarli,
distinguendone le diverse componenti (dati in input, parametri del
problema, dati in output).
z
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.
z
Deve conoscere i metodi fondamentali di risoluzione dei problemi,
gli approcci più comuni, le strade notoriamente meno convenienti.
z
Deve conoscere a fondo le caratteristiche e le capacità del
calcolatore.
z
Deve essere in grado di comunicare con il calcolatore: ne deve
conoscere il linguaggio.
Fondamenti di Informatica
4
Linguaggi di programmazione
9
z
Classificati rispetto alle caratteristiche
principali:
z
z
z
potere espressivo che influenza lo stile di
programmazione
Storica
Paradigma di progrmmazione
Fondamenti di Informatica
Linguaggio Macchina
10
z
Insieme di istruzioni eseguibili dalla CPU
z
Dipende dalla CPU:
z
z
cablata al suo interno, ogni istruzione genera una
sequenza di segnali di controllo
Linguaggio di basso livello
z
si può accedere direttamente alle funzionalità di
base del calcolatore
Fondamenti di Informatica
5
Linguaggio Macchina
11
z
Complesso da utilizzare:
z
z
z
ogni istruzione esegue un'operazione
semplicissima
esistono librerie con procedure generali
Gli altri linguaggi vengono “convertiti” in
sequenze di istruzioni in linguaggio macchina
Fondamenti di Informatica
Linguaggio Macchina
12
z
Il Linguaggio Macchina è estremamente
efficiente
z
I programmi sono:
z
z
z
più veloci
più corti
… ma più complessi
Fondamenti di Informatica
6
Linguaggi - basso livello
13
z
Il linguaggio macchina specifica solo le operazioni che
l'elaboratore può eseguire
z sintattica molto elementare"
z diverso per ogni processore
z
dipende dalle caratteristiche architetturali della CPU
z
E' più orientato alla macchina che ai problemi da trattare
z è infatti definito di "basso livello“
z
Le istruzioni devono essere espresse come sequenze di
bit!
Fondamenti di Informatica
Linguaggio Macchina
14
z
La scrittura è complessa:
z
istruzioni formate da stringhe di 1 e 0: quindi è
necessario un insieme di simboli (Linguaggio
Assembly)
z
per referenziare le locazioni di memoria è
necessario avere delle etichette
z
necessario commentare ogni istruzione
Fondamenti di Informatica
7
Linguaggi - basso livello
15
z
Una prima evoluzione è stata l'introduzione di
linguaggi simbolici: linguaggi assemblativi
(assembly)
z
z
z
ancora orientati alla macchina e non ai problemi
più immediati da utilizzare
definiscono variabili, simboli,...
Fondamenti di Informatica
Linguaggi - alto livello
16
z
Altri linguaggi sono basati su:
z
z
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
Fondamenti di Informatica
8
Linguaggi - alto livello
17
z
Caratteristiche:
z
z
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)
Fondamenti di Informatica
Linguaggi
18
z
z
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
Fondamenti di Informatica
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 λcalcolo
ALGOL
LISP (LISt Processing)
PL/I – ALGOL ‘68
(Linguaggio universale)
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
10
Paradigmi
z
z
z
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
Tipologie di linguaggi
22
z
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
Fondamenti di Informatica
11
Linguaggi Imperativi
23
z
Caratteristiche:
z
z
z
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
z Eseguono 3 tipi di operazioni:
z
ƒ
ƒ
ƒ
trasferimento dati
operazioni aritmetiche
alterazione del flusso del programma
Fondamenti di Informatica
Programmazione imperativa
z
z
z
z
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 di programmazione
Imperativi
Procedurali
C, Pascal,
Fortran
Ad oggetti
C++, Java
Dichiarativi
Paralleli
Funzionali
Logici
Lisp
Prolog
12
Linguaggi procedurali
25
z
permettono di descrivere operazioni più complesse di
quelle che l'elaboratore può eseguire direttamente
livello di astrazione più alto rispetto al linguaggio
macchina (detti di alto livello di tipo imperativo)
risalgono agli anni '50
Es: Basic, Pascal, C
z
Sono basati sul concetto di blocco di istruzioni
z
z
z
Linguaggi di programmazione
Imperativi
Procedurali
C, Pascal,
Fortran
Ad oggetti
Dichiarativi
Paralleli
C++, Java
Funzionali
Logici
Lisp
Prolog
Linguaggi a Oggetti
26
z
z
z
z
z
z
Sono nati più di recente
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
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 di programmazione
Imperativi
Procedurali
Ad oggetti
Fortran
C++, Java
Dichiarativi
Paralleli
Fondamenti
di Informatica
C, Pascal,
Funzionali
Logici
Lisp
Prolog
13
Programmazione concorrente
z
z
z
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
Linguaggi di programmazione
Imperativi
Procedurali
C, Pascal,
Fortran
Ad oggetti
C++, Java
Dichiarativi
Paralleli
Funzionali
Logici
Lisp
Prolog
Programmazione concorrente
z
Numerosi formalismi possibili:
z
z
z
z
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
14
Paradigmi dichiarativi
z
z
z
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
Linguaggi di programmazione
Imperativi
Procedurali
C, Pascal,
Fortran
Dichiarativi
Ad oggetti
Paralleli
C++, Java
Funzionali
Logici
Lisp
Prolog
Linguaggi Funzionali
30
z
z
Non sono legati al modello di Von Neumann
ma al concetto di programmazione
funzionale
Il primo linguaggio funzionale:
z
z
Lisp (List Processing), fine anni '50
caratteristiche di manipolazione agevole di
informazioni di tipo simbolico
Linguaggi di programmazione
Imperativi
Procedurali
C, Pascal,
Ad oggetti
Dichiarativi
Paralleli
Fondamenti
di
Informatica
Fortran
C++,
Java
Funzionali
Logici
Lisp
Prolog
15
Programmazione Funzionale
z
z
z
z
Primo linguaggio funzionale: λ-calcolo (nucleo
della programmazione funzionale)
Molto importante soprattutto dal punto di vista
teorico (versione non tipata Turing-equivalente)
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
z
z
z
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
16
Differenze con i linguaggi imperativi
33
z
z
z
z
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
z basato su valori e non su effetti
z 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
Fondamenti di Informatica
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]
17
Linguaggi Logici
35
z
z
z
z
Anche qui il formalismo è dichiarativo: i programmi sono
definizioni, in questo caso di relazioni e non di funzioni
Basati sulla logica
z obiettivo: formalizzare il ragionamento
z caratterizzati da meccanismi deduttivi
Programmazione:
z semplice (occorre solo definire la propria conoscenza
del problema)
z avviene tramite una formulazione dichiarativa
Esempio: Prolog
Linguaggi di programmazione
Imperativi
Procedurali
Ad oggetti
Paralleli
Fondamenti
di
Informatica
C, Pascal,
Fortran
C++, Java
Dichiarativi
Funzionali
Logici
Lisp
Prolog
Linguaggi Logici
36
z
Programmare significa:
z
z
z
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
Fondamenti di Informatica
18
Programmazione logica
z
z
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 ,K , X n1 ) ∧ L ∧ pk ( X 1k , K , X mk ) → q (Y1 , K , 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!
19
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!
Linguaggi di programmazione
Imperativi
Proced
urali
C,
Pascal,
Fortran
Ad
oggetti
C++,
Java
Parallel
i
Dichiarativi
Funzio
nali
Lisp
Logici
DB
Prolog
20
Traduzione dei programmi
41
z
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
z
Questa operazione viene normalmente svolta
da speciali programmi detti traduttori
Fondamenti di Informatica
Traduzione di un programma
42
z
Il traduttore converte:
z
z
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…
Fondamenti di Informatica
21
Compilatori e Interpreti
43
z
Esistono due categorie di traduttori:
z
i compilatori: traducono l’intero programma
(senza eseguirlo) e producono in uscita il
programma convertito in linguaggio macchina
z
gli
interpreti:
traducono
ed
eseguono
immediatamente ogni singola istruzione del
programma sorgente
Fondamenti di Informatica
Interprete
44
z
L’ interprete: itera più volte questo processo
z Legge un’istruzione del programma “sorgente”
z Traduce l’istruzione in linguaggio macchina
z Esegue l’istruzione
z Passa all’interpretazione dell’istruzione successiva
z
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.
z
z
Fondamenti di Informatica
22
Compilatore
45
z
Compilatore: esegue una sola volta il processo
z
z
z
z
z
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
Fondamenti di Informatica
Compilatori e Interpreti
46
sorgente
…
X=X+1;
If X>0 …
…
traduzione
eseguibile
0010100
…
01001..
10010…
esecuzione
z
Nel caso del compilatore, lo schema precedente viene
percorso una volta sola, prima dell’esecuzione
z
Nel caso dell’interprete, lo schema viene invece
attraversato tante volte quante sono le istruzioni che
compongono il programma
Fondamenti di Informatica
23
Compilatori e Interpreti
47
Tipicamente,
l’esecuzione di un programma compilato
è più veloce
dell’esecuzione di un programma interpretato
Fondamenti di Informatica
Esecuzione dei programmi
48
z
Nel caso dei compilatori, l'esecuzione di un
programma scritto con un linguaggio ad alto
livello è preceduta dai seguenti passi:
1.
2.
3.
traduzione in linguaggio macchina
collegamento con programmi di supporto
(calcoli, comunicazione con periferiche,…)
caricamento in memoria
Fondamenti di Informatica
24
Traduzione in linguaggio macchina: compilatore
49
z
Viene suddivisa in 2 passi:
z
z
analisi (lessicale, grammaticale, contestuale)
trasformazione del programma sorgente in
programma oggetto (forma più vicina al linguaggio
macchina):
creazione tabella simboli
z ottimizzazioni (rimozione ripetizioni, eliminazione cicli,
sfruttamento registri,…); livelli di ottimizzazione
z
Fondamenti di Informatica
Collegamento con programmi di supporto
linker
50
z
Il codice oggetto così formato:
z
può ancora contenere dei simboli irrisolti
z
z
z
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
Fondamenti di Informatica
25
Caricamento in memoria: loader
51
z
z
Il Loader serve per caricare in memoria un
programma
Nel caricamento vengono fissati tutti gli indirizzi
relativi
z
z
variabili, salti, …
Vengono caricati anche i moduli di supporto, se
necessari
Fondamenti di Informatica
Costruzione “manuale”
52
z
In passato, la costruzione dell’eseguibile si
faceva “a mano”, attivando compilatore e linker
dalla linea di comando del sistema operativo
(DOS, Unix, ...)
z
C:\PROVA> gcc -c f1.c
(genera f1.obj)
z
C:\PROVA> ld -o prog.exe f1.obj –lc
(genera prog.exe)
Eseguibile
da produrre
FondamentiFile
di Informatica
oggetto
Libreria di
sistema C
26
Ambienti Integrati
53
z
Oggi, gli ambienti di lavoro integrati
(IDE – Integrated Development Environments)
automatizzano la procedura:
z
z
z
compilano i file sorgente (se e quando necessario)
invocano il linker per costruire l’eseguibile
ma per farlo devono sapere:
z
z
quali file sorgente costituiscono l’applicazione
il nome dell’eseguibile da produrre.
Fondamenti di Informatica
27