Programmazione II. Lezione 2. Daniele Sgandurra 22/10/2010.

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1 Programmazione II Lezione 2 Daniele Sgandurra daniele.sgandurra@iit.cnr.it 22/10/2010 1/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

2 Sommario 1 2/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

3 Parte I 3/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

4 Definizioni Macchina fisica (calcolatore) Dispositivo elettronico capace di eseguire algoritmi opportunamente formalizzati in un linguaggio comprensibile all esecutore. Una macchina astratta è un astrazione del concetto di calcolatore. Gli algoritmi devono essere formalizzati in termini di un linguaggio di programmazione L. La sintassi di L permette di usare un certo insieme infinito di costrutti (istruzioni) che permettono di comporre i programmi. 4/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

5 Definizioni Linguaggio Macchina L Linguaggio compreso dalla macchina. Macchina astratta per L (M L) Insieme di algoritmi e strutture dati che permettono di memorizzare ed eseguire programmi scritti in L. Programma Insieme di istruzioni scritte in L. 5/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

6 Struttura di una Macchina Astratta Una generica macchina astratta M L è composta da: una memoria: per contenere i dati e i programmi; un interprete: componente che esegue le istruzioni contenute nei programmi. 6/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

7 Struttura di una Macchina Astratta 7/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

8 Interprete Componente della macchina che esegue le operazioni contenute nei programmi: 1 Elaborazione dati primitivi: es.: operazioni aritmetiche su numeri interi. 2 Controllo della sequenza d esecuzione: gestione salti (sotto determinate condizioni); PC (program counter) registro con la prossima istruzione. 3 Controllo trasferimento dati: indirizzamento e ordine trasferimento dati; stack e operatori dedicati. 4 Gestione della memoria: allocazione della memoria per dati/programmi; opportune strutture dati (es. pile); operazioni per la gestione dinamica. 8/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

9 Ciclo di Esecuzione di un Generico Interprete 9/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

10 Ciclo di Esecuzione di un Generico Interprete 1 Acquisizione da memoria della prossima istruzione. 2 Decodifica: operazione e operandi. 3 Acquisizione operandi. 4 Esecuzione operazione. 5 Memorizzazione risultato. 6 Se non era l istruzione HALT: passa all istruzione successiva (vai a 1). 10/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

11 Una macchina astratta M corrisponde ad un linguaggio L (il suo linguaggio macchina). Dato un linguaggio L ci sono infinite macchine che possono adottare lo stesso linguaggio L: implementazione dell interprete; strutture dati utilizzate. Implementare un linguaggio L = realizzare una macchina astratta che abbia L come linguaggio macchina. 11/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

12 Realizzazione in Hardware Realizzazione tramite dispositivi fisici: Vantaggi: memorie, unità aritmetico-logiche, bus, reti, etc. esecuzione molto veloce; linguaggi a basso livello; linguaggi dedicati. Svantaggi: non adatta per linguaggi di alto livello; complessità della progettazione; impossibile da modificare. Spesso influenzata dalla struttura dei linguaggi ad alto livello: es.: scelta di operazioni primitive e strutture dati che permettano di realizzare l interprete per il linguaggio di alto livello in maniera semplice ed efficiente. 12/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

13 Realizzazione in Software Realizzazione mediante programmi in un altro linguaggio L (supposto già implementato). Data una macchina M L per L, si può realizzare una macchina M L per L simulando, con un programma in linguaggio L, i costrutti di L, cioè le funzionalità di M L. Vantaggi: massima flessibilità. Svantaggi: prestazioni inferiori. L esecuzione passa per l interpretazione sulla macchina M L, comunque essa sia stata realizzata (HW, SW, FW). 13/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

14 Realizzazione in Firmware Realizzazione intermedia ottenuta attraverso microprogrammi che simulano algoritmi e strutture dati di M L. Simile al caso precedente ma con una macchina intermedia che è realizzata come macchina fisica (con linguaggi a basso livello: micro-linguaggi). Risiedono su (EP)ROM. Vantaggi: elevata velocità. Svantaggi: minore flessibilità; maggiore complessità della programmazione opportuni dispositivi di scrittura su ROM. 14/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

15 Implementazione Pura Caso ideale: realizzazione di M L per L. Data una macchina astratta Mo Lo (macchina ospite) per il linguaggio Lo, la traduzione da L a Lo può essere: implicita: implementazione interpretativa pura: realizzata attraverso programmi in Lo per simulare M L; esecuzione della traduzione. esplicita: implementazione compilativa pura: traduzione dei programmi in L in programmi in Lo. 15/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

16 Notazione Pedice L: costrutto che si riferisce al linguaggio L. Apice L : un programma scritto in L. Prog L : insieme dei possibili programmi in linguaggio L. D: dominio dei dati in input e output. Programma in L: tale che P L : D D P L (input) = Output quando termina, altrimenti la funzione è indefinita. 16/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

17 Implementazione Interpretativa Pura 17/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

18 Implementazione Interpretativa Pura L interprete per M L è realizzato tramite istruzioni in Lo. Programma scritto in Lo (denotato con I Lo L ) che sa interpretare tutte le istruzioni di L: per eseguire un programma P L in linguaggio L per un certo input D D, si esegue I Lo L sulla macchina Mo Lo con input P L e D. Interprete I Lo L Programma che calcola la funzione parziale: I Lo L : (Prog L D) D tale che I Lo L (P L, Input) = P L (Input) = Output. 18/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

19 Implementazione Interpretativa Pura Un programma può essere usato come input per un altro programma: un programma è un insieme di istruzioni, rappresentate da un certo insieme di simboli (sequenze di bit). Procedimento di decodifica: IL Lo esegue un istruzione di L tramite un certo insieme di istruzioni di Lo (istruzioni eseguite direttamente). Mo Lo non è specificata: può essere di qualunque natura. 19/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

20 Implementazione Compilativa Pura 20/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

21 Implementazione Compilativa Pura Il programma in L è tradotto esplicitamente in un programma scritto in Lo eseguendo un programma, il compilatore, denotato con C L,Lo: L linguaggio sorgente; Lo linguaggio oggetto; per eseguire P L con un dato di input D, si esegue C L,Lo con input P L producendo Pc Lo. Successivamente si esegue Pc Lo su Mo Lo con input D. Compilatore C L,Lo Programma che realizza una funzione: C L,Lo = Prog L Prog Lo tale che, dato un programma P L, se: C L,Lo(P L ) = Pc Lo allora, D D: P L (D) = Pc Lo (D) 21/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

22 Implementazione Compilativa Pura La fase di traduzione è separata dalla fase di esecuzione. Il programma (risultato della compilazione) può essere eseguito successivamente. Il compilatore può anche essere eseguito su un altra macchina astratta che usa un linguaggio diverso (deve però produrre codice eseguibile su Mo Lo). 22/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

23 Confronto Implementazione interpretativa: Svantaggi: Vantaggi: scarsa efficienza (overhead per la decodifica); replica della traduzione. maggiore flessibilità; facilità di sviluppo e debugging; memoria ridotta (solo sorgente). Implementazione compilativa: Svantaggi: Vantaggi: minore flessibilità; perdita di informazioni sul sorgente; minore facilità di debugging degli errori run-time. esecuzione più efficiente; una sola traduzione 23/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

24 Implementazione con Macchina Intermedia 24/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

25 Livelli di Interpretazione M L = Mi Li : implementazione puramente interpretativa: M L Mi Li Mo Lo: se l interprete della macchina intermedia Mi Li è molto diverso da quello della Mo Lo allora l implementazione è di tipo interpretativo; non tutti i costrutti di L vanno simulati: per alcuni (pochi) il corrispettivo è diretto in Lo. se l interprete della macchina intermedia Mi Li è molto simile a quello della Mo Lo allora l implementazione è di tipo compilativo: molti costrutti hanno un corrispettivo: pochi (es. I/O) vanno simulati in Lo. Mi Li = Mo Lo implementazione puramente compilativa. Per la precisione: ogni linguaggio può essere implementato con entrambe le tecniche, per cui si dovrebbe parlare di implementazione interpretativa o compilativa e non di linguaggio interpretato o compilato. 25/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

26 Just-in-Time Compilation In alcuni casi, la compilazione può essere rimandata all ultimo momento possibile. Lisp e Prolog invocano il compilatore on-the-fly, per tradurre codice sorgente appena creato in linguaggio macchina, o per ottimizzarlo per un particolare input. Java definisce una forma di codice intermedia chiamata bytecode: interpreti o just-in-time compiler che traducono il bytecode in linguaggio macchina prima di ogni esecuzione. I compilatori C# producono il CIL (.NET Common Intermediate Language) che viene tradotto in linguaggio macchina prima di essere eseguito. 26/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

27 Supporto a Run-Time (SRT) Insieme dei programmi che estendono le funzionalità di Mo e che simulano le funzionalità di Li (e quindi di L). Per alcuni linguaggi la macchina intermedia non è esplicita. Per altri la macchina intermedia è definita formalmente per questioni di portabilità: applicata per la prima volta per il Pascal (P-code); analogamente in Java il bytecode è interpretato dalla JVM. L implementazione compilativa per una nuova architettura hardware è più complessa di quella interpretativa. 27/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

28 Librerie e Linking Il compilatore usa un linker per comporre le opportune librerie di routine (es, funzioni matematiche) nel programma finale. 28/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

29 Gerarchia di Ogni volta che scriviamo un programma P in un linguaggio L definiamo un nuovo linguaggio Lp: nuova macchina astratta: nuove funzionalità messe a disposizione da P. Gerarchia di macchine M L0, M L1,..., M Ln. Ogni macchina M Li è implementata su M Li 1 (utilizza sue funzionalità) e ne offre a quella di livello superiore M Li+1 : mascherare i livelli inferiori: M Li non può accedere direttamente alle risorse delle macchine sottostanti ma solo usare quello che fornisce il linguaggio L i 1 ; permette di dominare la complessità; consente l indipendenza dei vari livelli: una modifica su un livello non ha influenza sugli altri livelli. 29/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

30 Gerarchia di 30/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

31 Valutazione Parziale Tecnica di trasformazione di programmi all interno di uno stesso linguaggio per migliorare l efficienza. Valutare un programma del quale sia nota una parte degli input, per ottenere un programma specializzato per tale input (più efficiente). Valutatore Parziale Programma che realizza una funzione Peval L : (Prog L D) Prog L tale che dato un programma P scritto in L che accetta due argomenti, il risultato della valutazione parziale di P rispetto ad un primo input D 1 Peval L(P, D 1) = P è il programma P che accetta un solo argomento e che, per qualsiasi input Y, si ha: I L(P, (D 1, Y )) = I L(P, Y ) dove I L è l interprete del linguaggio. 31/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

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33 Programma di Esempio: GCD program gcd(input, output); var i, j: integer; begin read(i,j); // get i & j from read while i<>j do if i>j then i := i-j; else j := j-i; writeln(i); end. 33/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

34 Scanning Lo scanner legge caratteri ( p r o g r a m g c d etc). Suddivide il programma in token, che sono le più piccole unità significative. 34/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

35 Parsing Il parser organizza i token in una grammatica libera da contesto (sintassi). Parse tree: rappresenta i costrutti linguistici tramite i loro costituenti base. 35/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

36 Analisi Semantica L analisi semantica deduce il significato di un programma tramite la costruzione di un abstract syntax tree (AST) che rimuove token estranei. L analizzatore semantico crea e mantiene una symbol table: mappa identificatori con informazioni su di essi (es., struttura interna, variabili locali/globali, etc). 36/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

37 Abstract Syntax Tree 37/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

38 Analisi Semantica L analizzatore semantico può catturare problemi non rilevabili dal parser, per es. si assicura che: gli identificatori siano dichiarati prima del loro uso; nessun identificatore sia usato in maniera inappropriata (es., sommare un intero a una stringa); una chiamata a subroutine contenga il numero esatto e il tipo corretto degli argomenti. 38/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

39 Generazione del Codice La fase di generazione del codice usa come input l abstract syntax tree e la symbol table e produce il codice macchina. Questa fase produce codice corretto ma non necessariamente veloce. L ottimizzazione serve per migliorare le performance del programma: machine-independent: es. mantenere le variabili i e j nei registri nel loop; machine-dependent: es. assegnare le variabili i e j a specifici registri. 39/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010

40 Riferimenti [1] Linguaggi di programmazione: principi e paradigmi (Cap 1). Maurizio Gabbrielli, Simone Martini. 40/40 Programmazione II Lezione 2 22/10/2010