Le fasi della programmazione

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1 Algoritmi

2 Le fasi della programmazione Ad un primo livello di astrazione l attività della programmazione può essere suddivisa in quattro (macro) fasi principali. 1. Definizione del problema (specifica) (stato iniziale/finale) 2. Individuazione di un procedimento risolutivo (algoritmo) 3. Codifica dell algoritmo in un linguaggio di programmazione (codifica) 4. Esecuzione e messa a punto (esecuzione)

3 Proprietà di un algoritmo La descrizione di un procedimento risolutivo può considerarsi un algoritmo se rispetta alcuni requisiti essenziali, tra i quali: Finitezza: un algoritmo deve essere composto da una sequenza finita di passi elementari. Eseguibilità: il potenziale esecutore deve essere in grado di eseguire ogni singola azione in tempo finito con le risorse a disposizione Non-ambiguità: l esecutore deve poter interpretare in modo univoco ogni singola azione.

4 Pseudo-linguaggio Utilizziamo inizialmente uno pseudo-linguaggio con un insieme di costrutti linguistici che costituiscono il nucleo di un qualunque linguaggio di programmazione reale. Senza entrare in eccessivi dettagli formali, nel presentare le notazioni utilizzate (sintassi) diamo anche una descrizione informale (semantica) di ciò che accade al momento dell esecuzione in corrispondenza dei vari costrutti. Il linguaggio contiene costrutti per: rappresentare semplici calcoli attraverso le comuni operazioni logico/aritmetiche (espressioni) modificare le associazioni nello stato (assegnamento e ingresso) controllare l ordine di esecuzione delle azioni (controllo) fornire i risultati (produzione in uscita dello stato finale)

5 Espressioni Numeriche Il linguaggio consente di rappresentare semplici calcoli algebrici, attraverso le usuali espressioni costruite a partire dai valori numerici e dalle operazioni di somma + sottrazione - prodotto * divisione / resto della divisione intera %. Il significato di un espressione è il suo valore ottenuto secondo le usuali regole di calcolo. Esempio: il valore di 3 * è 21 il valore di 3 * (5 + 6) è 33

6 Oltre ai valori numerici, le espressioni possono contenere nomi simbolici: il calcolo di un espressione che contiene un nome simbolico x dipende dallo stato, e precisamente dal valore associato al nome x nello stato. Esempio: il valore di 3 * (5 + x) è 33 in uno stato che contiene l associazione x 6 18 in uno stato che contiene l associazione x 1

7 Espressioni Booleane Il linguaggio consente poi di rappresentare condizioni ovvero espressioni il cui valore è un valore di verità (true o false). Le condizioni sono costruite attraverso le usuali operazioni di confronto (==,! =, <, >, <=, >=) e, come nel caso delle espressioni aritmetiche, il loro valore può dipendere dallo stato. Esempio: il valore di y==x+1 è true in uno stato che contiene le associazioni x 5 e y 6 false in uno stato che contiene le associazioni x 5 e y 9 Condizioni più complesse possono essere costruite attraverso operatori logici quali negazione (simbolo!), congiunzione (simbolo &&) e disgiunzione (simbolo ).

8 Significato di! - il valore di verità di! P è true se il valore di verità di P è false false se il valore di verità di P è true Significato di && - il valore di verità di P && Q è true se i valori di verità di P e Q sono entrambi true false altrimenti Significato di - il valore di verità di P Q è false se i valori di verit`a di P e Q sono entrambi false true altrimenti

9 Esempio: Il valore di (y >= x) &&(x > 5) è - true in uno stato che contiene le associazioni x 15 e y 30 - false in uno stato che contiene le associazioni x 3 e y 30 Il valore di (y >= x) (x > 5) è - true in uno stato che contiene le associazioni x 2 e y 30 - false in uno stato che contiene le associazioni x 3 e y 1

10 Modifica dello stato: ASSEGNAMENTO! L istruzione che consente di rappresentare modifiche di stato è usualmente nota come assegnamento.! L assegnamento consente di cambiare un associazione nello stato, ovvero il valore associato nello stato ad un nome simbolico.! Useremo per l assegnamento la seguente notazione: x = exp; dove x è un nome simbolico e exp una espressione.! L esecuzione dell assegnamento x = exp; consiste nel (i) calcolare il valore, sia esso val, dell espressione exp (ii) introdurre nello stato l associazione x val! Si noti che (ii) comporta la rimozione dallo stato della eventuale associazione già presente per il nome simbolico x (si parla a questo proposito di assegnamento distruttivo).

11 Vediamo alcuni esempi, indicando lo stato prima e dopo l esecuzione degli assegnamenti proposti. Le associazioni modificate nello stato finale sono evidenziate in verde. Stato iniziale Assegnamento Stato Finale x 10 y 20 x = 5; x 5, y 20 x 10, y 20 x = y*2; x 40, y 20 x 10, y 20 x = x+1; x 11, y 20 Si noti come, nel terzo esempio, lo stesso nome simbolico x giochi un duplice ruolo: - a destra del simbolo = indica un valore (il valore associato ad x nello stato iniziale) - a sinistra del simbolo = indica l associazione da modificare nello stato a seguito dell assegnamento. E input e output??

12 Istruzioni di controllo: SEQUENZA! Negli esempi visti in precedenza gli algoritmi sono stati descritti come sequenze di passi elementari del tipo Passo 1. azione 1 Passo 2. azione 2...! Abbiamo utilizzato una sorta di numerazione per indicare l ordine di esecuzione delle varie azioni: prima azione 1 poi azione 2 poi...! Nel linguaggio che stiamo introducendo, secondo le convenzioni sintattiche del C, una sequenza di azioni viene rappresentata mediante un blocco

13 ! Scriveremo dunque {istruzione 1 istruzione 2... } ad indicare che l ordine di esecuzione dei singoli passi è quello testuale del programma.! Si noti che ogni istruzione viene eseguita a partire dallo stato risultante dall esecuzione dell istruzione che la precede nella sequenza.! Assegnamento e ingresso sono istruzioni semplici il blocco è un istruzione composta.

14 Istruzioni di controllo: CONDIZIONALE! Permette di determinare l azione da intraprendere a seconda del verificarsi o meno di una condizione. La notazione utilizzata è la seguente if (condizione) istruzione1 else istruzione2 dove condizione indica una espressione booleana, e istruzione1 istruzione2 sono istruzioni (semplici o composte).! L esecuzione del condizionale if (C) S1 else S2 consiste nel (i) Calcolare il valore, sia esso val, dell espressione booleana C (ii) Eseguire S1 se val è true, eseguire S2 se val è false.! Si noti che la presenza dell istruzione condizionale non è in conflitto con il requisito di non ambiguità degli algoritmi: l azione da intraprendere è univocamente determinata dal valore di verità della condizione e dunque non vi è facoltà di scelta da parte dell esecutore.

15 Flusso di esecuzione condizione Falsa Istruzioni2 Vera Istruzioni1 Flusso di esecuzione

16 Istruzioni di controllo: RIPETIZIONE! Consente di ripetere l esecuzione di una istruzione (o sequenza di istruzioni) fino al verificarsi di una certa condizione. while (condizione) Istruzione dove condizione indica una espressione booleana.! Terminologia: in while (C) S, la condizione C è detta guardia e l struzione S è detta corpo (del ciclo).! L esecuzione di while (C) S consiste nel (i) Calcolare il valore, sia esso val, dell espressione booleana C (ii) Se val è false, terminare l esecuzione. (iii) Se val è true, eseguire S e ripetere dal punto (i).

17 While Eseguire un attivita purche una condizione rimanga vera: While (condizione) (azione) Es.: while (ci sono biglietti) (vendi un biglietto)

18 Semantica del ciclo while All esecuzione viene valutata l espressione booleana, se è vera vengono eseguite le istruzioni che seguono. Si valuta poi di nuovo l espressione booleana; se l espressione è falsa si procede con l esecuzione del programma ATTENZIONE!! Se le istruzioni non alterano il valore dell espressione booleana il ciclo non terminerà mai

19 Flusso di esecuzione FLUSSO CICLO WHILE condizione Falsa Vera Istruzioni1 Flusso di esecuzione

20 Fasi del ciclo Inizializzazione: stato iniziale, che verra modificato dall azione Controllo della condizione di terminazione: confronto tra stato corrente e condizione, terminazione se uguali Modifica dello stato: per andare verso la condizione di terminazione

21 Esempio di pseudocodice Procedure Saluti Conta =3; While (Conta > 0) {stampa il messaggio Saluti ; Conta= Conta - 1;} Nome del pezzo (procedura) di pseudocodice possiamo chiamare questo pezzo per nome all interno di un altra procedura Inizializzazione: Conta 3 Condizione di terminazione: conta <0 o conta ==0 Modifica stato: Conta Conta -1

22 Attenzione alla condizione di Terminazione numero = 1; while (numero!= 6) numero = numero +2; Condizione di terminazione:numero == 6 Non verra mai raggiunta!

23 Due considerazioni molto importanti: (1) la condizione del ciclo deve essere inizializzata: se la condizione non e' inizializzata, il ciclo potrebbe usare valori errati o addirittura indefiniti; (2) il valore della condizione deve mutare durante il ciclo: se il valore della condizione non cambia durante il ciclo, non ci sara' alcuna possibilita' di uscita dal ciclo, che continuera' indefinitamente

24 Problema: Calcolo del valore assoluto di un numero Vediamo alcuni esempi di specifica di algoritmi che utilizzano lo Pseudo-linguaggio. Specifica: Stato iniziale: numero A Stato finale: risultato A dove A indica un (generico) valore intero. Algoritmo: if (numero > 0) risultato = numero; else risultato = - numero;

25 Problema: Ordinare due interi positivi Specifica: Stato iniziale: num1 A, num2 B Stato finale: num1 max(a,b), num2 min(a,b) Algoritmo: if (num1 < num2) { temp = num1; num1 = num2; num2 = temp; } else ;

26 Problema: Elevamento a potenza Specifica: Stato iniziale: base A, esponente B } con A>0 e B >=0 o analogamente!(b<0) Stato finale: risultato A B! L algoritmo si basa sulla seguente, ben nota, definizione di elevamento a potenza. A 0 = 1 A B = A A... A (se B > 0)

27 Algoritmo: risultato = 1; while (esponente > 0) { risultato = risultato * base; esponente = esponente - 1; }! Nell algoritmo, si assume che i valori iniziali di base ed esponente soddisfino i requisiti della specifica.

28 Programmi e grafi Se associamo ad ogni istruzione un vertice di un grafo e colleghiamo ogni istruzione alla istruzione che la segue con un arco orientato otteniamo il grafo di flusso associato al programma Le istruzioni di salto condizionato sono caratterizzate da due archi in uscita che verranno percorsi in alternativa in funzione del verificarsi o meno della condizione di salto

29 Condizione Istruzioni in sequenza Salto Salto condizionato

30 La programmazione strutturata Negli anni 60 fu dimostrato che qualsiasi grafo di flusso poteva essere trasformato in un grafo strutturato equivalente (dal punto di vista del risultato) composto solo da sequenze di istruzioni combinate con le due strutture fondamentali la scelta (if - else) e il ciclo (while)

31 Linguaggi di terza generazione Insieme di primitive ad alto livello, ognuna traducibile in una sequenza di primitive in linguaggio macchina Es.: pesolordo = pesocarico + pesoveicolo Due load, una add, una store Programma traduttore (compilatore): traduce il programma in linguaggio macchina Interprete: traduce ogni primitiva ed esegue subito le primitive corrispondenti del l.m., senza memorizzare la traduzione Programmi scritti in un ling. di terza generaz. sono trasportabili da una macchina all altra, basta cambiare compilatore

32 Paradigmi di programmazione -1 Possiamo aggregare i numerosi linguaggi di programmazione esistenti sulla base del modello astratto di programmazione che sottintendono e che è necessario adottare per utilizzarli Linguaggi di programmazione Imperativi Dichiarativi Procedurali (C, Pascal) Ad oggetti (C++, Java) Paralleli Funzionali (Lisp) Logici (Prolog) 32

33 Paradigmi di programmazione -2 Linguaggi imperativi Il modello computazionale è basato sul cambiamento di stato della memoria della macchina È centrale il concetto di assegnazione di un valore ad una (variabile) locazione di memoria Il compito del programmatore è costruire una sequenza di assegnazioni che producano lo stato finale (in modo tale che questo rappresenti la soluzione del problema) Linguaggi dichiarativi Il modello computazionale è basato sui concetti di funzione e relazione Il programmatore non ragiona in termini di assegnazioni di valori, ma di relazioni tra entità e di valori di una funzione 33

34 Compilatore Il compilatore riceve in ingresso un programma specificato ad alto livello e restituisce lo stesso programma in linguaggio macchina La funzione calcolata dai due programmi deve essere la stessa

35 Compilatore Il programma originale (codice sorgente) è un file di testo Il compilatore procede attraverso le fasi di front end e di back end per poter restituire lo stesso programma in linguaggio macchina

36 Due parti: analisi e sintesi Analisi (front end): prende un programma e lo divide in parti su cui impone una struttura grammaticale; crea una rappresentazione intermedia del programma sorgente; segnala possibili errori; mette informazioni sul programma in una tavola dei simboli, da passare alla sintesi Sintesi (back end): costruisce il programma oggetto dalla rappresentazione intermedia e dalla tavola dei simboli Sequenza di fasi: ogni fase trasforma una rappresentazione del programma sorgente in un altra Fasi principali: analisi lessicale, analisi sintattica, analisi semantica, generazione del codice intermedio, ottimizzazionee del codice, generazione del codice

37 Il compilatore 1 Compilatore Analisi lessicale token (parole) Analisi sintattica albero sintattico Analisi semantica tabella dei simboli 37

38 Il compilatore 2 L analizzatore lessicale trasforma il programma sorgente da stringa di caratteri a stringa di token Un token è un simbolo che esprime la natura di un elemento del linguaggio Punteggiatura ed operatori vengono trasformati direttamente in token Per parole riservate, nomi di variabili e costanti, l analizzatore deve determinare il token appropriato, esaminando sia la stringa di caratteri, sia il contesto Ogni identificatore viene inserito nella tabella dei simboli ed i suoi attributi vengono aggiornati nella fase di analisi semantica 38

39 Il compilatore 3 L output del analisi lessicale è un insieme di coppie, il cui primo elemento identifica la classe del token ed il secondo punta alla posizione del token e dei suoi attributi nella tabella dei simboli Alcuni token non richiedono attributi e dunque avranno puntatori nulli (ad es., operatori e parole riservate del linguaggio) 39

40 Il compilatore 4 40

41 Il compilatore 5 L analizzatore sintattico (o parser) permette la costruzione dell albero di derivazione del particolare programma basato sulla grammatica del linguaggio 41

42 Il compilatore 6 L analizzatore semantico, infine, usa l albero di derivazione per generare una rappresentazione intermedia e completare la tabella di simboli Un altro ruolo svolto dall analizzatore semantico è la scoperta di errori dipendenti dal contesto (tipi di dati che non corrispondono, variabili non dichiarate, etc.) 42

43 Il compilatore 7 Il generatore di codice traduce la rappresentazione intermedia in linguaggio assembler o linguaggio macchina Prima della generazione di codice: Allocazione della memoria Allocazione dei registri L ottimizzatore del codice intermedio effettua trasformazioni atte a migliorare l efficienza del codice eseguibile finale 43

44 Il compilatore 8 Traduzione da algoritmo a codice C e da C ad Assembler 44

45 Il compilatore 9 Interazione fra compilatore, SO e hardware 45

46 Compilatore e linker 1 I compilatori consentono tipicamente la compilazione separata di parti di programmi (moduli) I diversi moduli possono essere progettati, costruiti e messi a punto separatamente, e archiviati in opportune librerie Nel momento in cui un programma deve essere eseguito, un programma apposito, detto linker, si occupa di collegare opportunamente fra loro i moduli oggetto Il risultato dell esecuzione del linker è un unico modulo, detto modulo eseguibile, pronto per il caricamento in memoria e l esecuzione 46

47 Compilatore e linker 2 Il ruolo del linker 47

48 Compilatore e linker 3 Da sorgente ad eseguibile 48

49 Debugger Anche quando tutti gli errori sintattici sono stati corretti, non è detto che il programma funzioni! Errori runtime che interrompono il programma o portano a cicli infiniti Errori che portano il programma a fornire risultati errati

50 Debugger Un errore in un programma è chiamato bug Il de-bugger serve a eliminare questi errori analizzando: Il valore delle variabili passo a passo Interrompendo l esecuzione al verificarsi di alcuni eventi

51 Dal codice all'eseguibile LIBRERIE CODICE SORGENTE MODULO COMPILATORE OGGETTO LINKER PROGRAMMA ESEGUIBILE CORREZIONE DEBUGGER

52 Linguaggi compilati Fino ad ora abbiamo visto il meccanismo di funzionamento dei linguaggi compilati: un compilatore non esegue il programma che riceve in ingresso, ma lo traduce in linguaggio macchina (memorizzando su file il codice oggetto pronto per l'esecuzione diretta da parte del processore).

53 Linguaggi interpretati Un linguaggio interpretato è invece un linguaggio di programmazione i cui programmi vengono eseguiti da un interprete. Un programma interpretato, in esecuzione, richiede più memoria ed è meno veloce. Durante l'esecuzione, l'interprete deve infatti analizzare le istruzioni a partire dal livello sintattico, identificare le azioni da eseguire, trasformarle in linguaggio macchina ed eseguirle; mentre le istruzioni del codice compilato, già in linguaggio macchina, vengono caricate e istantaneamente eseguite dal processore.

54 Linguaggi interpretati In compenso, l'interpretazione di un programma può essere più rapida del ciclo compilazione/esecuzione. Questa differenza può costituire un vantaggio durante lo sviluppo di un programma. Inoltre, la maggior parte degli interpreti consentono all'utente di agire sul programma in esecuzione sospendendolo, ispezionando o modificando i contenuti delle sue variabili, e così via, in modo spesso più flessibile e potente di quanto si possa ottenere, per il codice compilato, da un debugger.

55 L arte della programmazione La soluzione di un problema tramite un programma è un procedimento che non si esaurisce nello scrivere codice in un dato linguaggio di programmazione, ma comprende una fase di progetto, che precede, e di verifica, che segue, la scrittura del codice Definizione del problema Algoritmo per la soluzione del problema Analisi Codifica Debugging Validazione Programmazione Documentazione Manutenzione 55