INFORMATICA GENERALE E BASI DI DATI PER ARCHIVI AUDIOVISIVI (PRIMO MODULO) Claudio Piciarelli A.A. 2013/2014

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1 INFORMATICA GENERALE E BASI DI DATI PER ARCHIVI AUDIOVISIVI (PRIMO MODULO) Claudio Piciarelli A.A. 2013/2014

2 Lezione 4 L elaborazione dell informazione

3 Elaborazione dell informazione Abbiamo visto fino ad ora come rappresentare l informazione Ora vogliamo studiare come elaborarla per risolvere problemi L informatica consiste in larga parte in questo: trovare soluzioni a problemi, assicurandosi che tali soluzioni possano essere attuate da una macchina «Sono il signor Wolf, risolvo problemi»

4 Modello black box Di fronte a molti problemi, ci limitiamo a considerare la procedura risolutiva come una scatola chiusa, che prende dei dati in input e restituisce degli output Dati in input ELABORAZIONE Dati in output (soluzione) Noi vogliamo scoperchiare la scatola e scoprire cosa c è dentro!

5 Esempi Due numeri x, y Calcolo della somma x + y ingredienti Ricetta torta

6 Esempio: come fare una torta di mele Input: gli ingredienti Output: la torta Elaborazione: la ricetta! Input Output

7 Descrivere la fase di elaborazione Ingredienti: 250 grammi di farina 150 grammi di zucchero 150 grammi di burro 3 uova mezza bustina di lievito per dolci 1 bicchierino di latte 4 mele zucchero a velo quanto basta In un recipiente capiente montare le uova con lo zucchero con il battitore elettrico, quindi unire la farina, il burro fuso, il bicchierino di latte e per ultimo il lievito ed amalgamare bene. Disporre il composto in una teglia per dolci precedentemente imburrata, sbucciare le mele, tagliarle a fettine sottili e disporle con molta cura a raggera sopra al composto. Infornare a 180 gradi per circa 35 minuti; lasciar raffreddare la torta e cospargerla di zucchero a velo prima di servirla.

8 Istruttore ed esecutore Abbiamo quindi un istruttore, che sa come risolvere il problema, che esprime la sua conoscenza sotto forma di sequenza di operazioni elementari che un esecutore è in grado di eseguire cuoco ricetta io Sa fare una torta So fare alcune operazioni elementari (accendere il forno, sbattere le uova )

9 Problemi La ricetta può essere facilmente seguita da un essere umano, nonostante presenti numerosi problemi Ambiguità della lingua italiana. Cosa vuol dire «montare le uova»? Misure imprecise: quanto grande è il bicchierino di latte? Cosa significa «zucchero a velo quanto basta»? Informazioni incomplete: che forma deve avere la teglia? Casi non contemplati: cosa devo fare se le uova sono marce?

10 Descrivere la fase di elaborazione Descrivere la fase di elaborazione (la procedura risolutiva del nostro problema) consiste quindi nell elencare una serie di operazioni elementari da effettuare in sequenza (la ricetta) Tuttavia siamo abituati a soluzioni incomplete e imprecise, e dobbiamo fare ricorso alle nostre conoscenze per colmare queste lacune Con un computer dovremo essere più rigorosi!

11 Elaborazione dell informazione OBIETTIVO: Esprimere la soluzione di un problema in termini di operazioni elementari, in maniera corretta, completa e non ambigua, affinché sia possibile automatizzarla (farla eseguire da un computer!)

12 Algoritmi e programmi ALGORITMO: Sistema di regole e procedure di calcolo ben definite che portano alla soluzione di un problema con un numero finito di operazioni PROGRAMMA: descrizione di un algoritmo in un linguaggio comprensibile dall elaboratore

13 Istruttore ed esecutore / 2 Torniamo allo schema istruttore/esecutore: per risolvere un problema all elaboratore dobbiamo quindi esprimere la soluzione come sequenza di operazioni elementari eseguibili dall elaboratore io programma computer Ma questa volta nel programma non possono esserci ambiguità

14 Dal problema al programma / 1 Fase 1: analisi del problema Si studia il problema, lo si formula in maniera chiara e rigorosa, senza ambiguità. Si identificano gli input possibili e gli output attesi.

15 Dal problema al programma / 2 Fase 2: definizione dell algoritmo Si trova una procedura che risolva il problema e la si descrive sotto forma di algoritmo, ovvero come sequenza finita di operazioni elementari. Non esiste un modo automatico per definire gli algoritmi. Non a caso Donald Knuth ha intitolato il suo lavoro più importante «The Art of Computer Programming». Inventare algoritmi è un arte che richiede talento, ingegno, intuizione e tanta fantasia!

16 Dal problema al programma / 3 Fase 3: scrittura del programma I passi identificati a livello astratto dall algoritmo vengono concretizzati come sequenza di istruzioni interpretabili da un elaboratore.

17 Dal problema al programma ANALISI ALGORITMO PROGRAMMA

18 Il linguaggio del computer Ma qual è questo linguaggio compreso dal computer? Il processore (CPU) di un computer è il suo «cervello». E in grado di eseguire poche operazioni semplici (ad es. sommare due numeri) Ogni operazione è codificata da una sequenza di bit Il linguaggio macchina specifica i codici (opcodes) di ciascuna istruzione Un programma eseguibile quindi non è altro che una lunga sequenza di bit che identifica le operazioni da eseguire e i dati su cui vanno applicate

19 Linguaggio assembly Nessuno scrive programmi direttamente in linguaggio macchina. Si possono tuttavia assegnare dei nomi mnemonici ai diversi codici (linguaggio assembly) per facilitare la scrittura dei programmi. Un programma, detto assemblatore, si occupa di tradurre i comandi assembly negli equivalenti codici macchina

20 Linguaggio assembly.data first:.asciiz "Inserisci il numero: " answ1:.asciiz "Fattoriale: ".text.globl main main: #calcola N! con N dato da tastiera li $v0, 4 #4=print_string la $a0, first #caricamento della stringa first come parametro syscall #display della stringa first li $v0, 5 #5=read_int syscall #lettura del valore N move $s0, $v0 #salvataggio del valore N in $s0 li $v0, 4 #4=print_string la $a0, answ1 #caricamento della stringa answ1 come parametro syscall #display della stringa answ1 li $s1, 1 #inizializzazione del risultato (0! = 1) loop: #ciclo di calcolo del fattoriale beqz $s0,results # se s0 vale 0, allora il ciclo e' finito mul $s1, $s1, $s0 #aggiornamento del fattoriale addi $s0, $s0, -1 #decremento della variabile da moltiplicare b loop #salto al loop results: li $v0, 1 #1=print_int move $a0, $s1 #caricamento di N! come parametro syscall #display di N! li $v0, 10 #10=exit syscall #uscita con successo Calcolo del fattoriale di un numero nel linguaggio assembly del processore MIPS

21 Linguaggi di alto livello Oggigiorno è raro scrivere programmi in linguaggio assembly Più spesso si usa un linguaggio di alto livello, che in seguito viene compilato (tradotto in assembly ed infine in linguaggio macchina) mediante un programma detto compilatore In alternativa il linguaggio può essere interpretato (la fase di traduzione in linguaggio macchina viene eseguita «al volo» durante l esecuzione del programma) Esistono numerosi linguaggi di alto livello: C, C++, Pascal, Fortran, C#, Java, Python, Ruby

22 Linguaggi di alto livello #include <stdio.h> int main(void){ int intero, fattoriale; intero = -1; fattoriale = 1; while (intero < 0) { printf("inserire un intero non negativo: "); scanf("%d", &intero); } while (intero > 0) { fattoriale = intero * fattoriale; --intero; } printf("il fattoriale è %d\n", fattoriale); return (0); } Calcolo del fattoriale di un numero nel linguaggio C

23 Dal problema al programma Schema aggiornato PROGRAMMA scritto in un linguaggio di alto livello compilatore ANALISI ALGORITMO PROGRAMMA scritto in linguaggio assembly assembler PROGRAMMA ESEGUIBILE (sequenza di opcodes)

24 Come descrivere gli algoritmi Abbiamo dunque visto che un algoritmo è una sequenza astratta di istruzioni per risolvere un problema, mentre un programma è la sua «concretizzazione» eseguibile da un computer Come possiamo descrivere un algoritmo? Abbiamo bisogno di: Variabili Un modo per descrivere la sequenza di operazioni

25 Problemi vs. istanze di problemi Distinguiamo tra problemi, generici, espressi in termini di alcuni parametri dalle singole istanze di quei problemi, in cui i parametri sono fissati Problema: sommare due numeri Istanze del problema: sommare 3 e 4, 19 e 7, 21 e 1

26 Variabili Poiché un algoritmo generalmente esprime il metodo risolutivo per un problema, e non per singole istanze di problemi, si fa largo uso di variabili Una variabile è un «contenitore per dati» con un nome Esempio: Leggi in input due numeri x e y Calcola r x + y Scrivi r

27 Variabili Nell esempio di prima, x, y ed r sono variabili I valori contenuti nelle variabili possono essere usati in espressioni (ad es. x + y) Oppure è possibile assegnare un nuovo valore ad una variabile ( r 5 ) Grazie alle variabili un algoritmo può risolvere un problema generico, piuttosto che una sua istanza (i parametri sono memorizzati nelle variabili)

28 Diagrammi di flusso La sequenza di passi di cui si compone l algoritmo è espressa mediante un diagramma che evidenzia il flusso di esecuzione (diagramma di flusso) Componenti dei digrammi di flusso: inizio fine

29 Diagrammi di flusso Operazioni di input/output Chiedono all utente di immettere dei dati, o visualizzano dei dati all utente Selezione a due vie Cambia il flusso di esecuzione dell algoritmo a seconda che la risposta ad una certa domanda sia «sì» oppure «no» Azione Esegui un azione elementare

30 Esempio somma di due numeri

31 Es: trova il massimo tra due numeri

32 Pseudocodice Un altro modo per descrivere gli algoritmi è usare uno pseudocodice Simile ad un linguaggio di programmazione reale, ma astrae dai dettagli meno importanti leggi x e y se x > y allora scrivi «il max è x» altrimenti se x = y allora scrivi «sono uguali» altrimenti scrivi «il max è y» fine fine Pseudocodice per trovare il massimo tra due numeri

33 Correttezza degli algoritmi Un buon algoritmo deve funzionare correttamente su tutti gli input possibili Esempio: cosa non va in questo codice per il calcolo del fattoriale? leggi n (intero non negativo) ris n finché n > 1 ripeti n n - 1 ris ris x n fine

34 Complessità degli algoritmi Esistono modi diversi per risolvere lo stesso problema. Es: calcolare la somma dei primi n numeri interi

35 Complessità degli algoritmi Il primo programma esegue un ciclo per un numero di volte pari a n Il secondo sfrutta la formula di Gauss e risolve lo stesso problema con una sola operazione, indipendentemente da n Il secondo algoritmo è più efficiente (complessità minore) La complessità di un problema è quella dell algoritmo più efficiente che lo risolve

36 Algoritmi di ordinamento Provate ad ordinare in modo crescente questa sequenza di numeri { 5, 2, 7, 1, 12, 4, 10, 3, 6 } Che algoritmo avete usato?

37 Algoritmi di ordinamento Probabilmente avete usato uno dei due algoritmi più comuni per l uomo: Insertion sort: prendo un elemento e lo inserisco nella posizione corretta tra i dati che ho già ordinato. Ripeto passando all elemento successivo Selection sort: cerco l elemento più piccolo e lo sposto all inizio. Ripeto l operazione sui dati restanti

38 Insertion Sort 5, 2, 7, 1, 12, 4, 10, 3, 6 5, 2, 7, 1, 12, 4, 10, 3, 6 2, 5, 7, 1, 12, 4, 10, 3, 6 2, 5, 7, 1, 12, 4, 10, 3, 6 1, 2, 5, 7, 12, 4, 10, 3, 6 1, 2, 5, 7, 12, 4, 10, 3, 6 1, 2, 4, 5, 7, 12, 10, 3, 6 1, 2, 4, 5, 7, 10, 12, 3, 6 1, 2, 3, 4, 5, 7, 10, 12, 6 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 12

39 Selection sort 5, 2, 7, 1, 12, 4, 0, 3, 6 1, 2, 5, 7, 12, 4, 10, 3, 6 1, 2, 5, 7, 12, 4, 10, 3, 6 1, 2, 3, 5, 7, 12, 4, 10, 6 1, 2, 3, 4, 5, 7, 12, 10, 6 1, 2, 3, 4, 5, 7, 12, 10, 6 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 12, 10 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 12, 10 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 12 Vedi anche esempi visuali su

40 Insertion sort - flowchart

41 Selection sort flowchart

42 Insertion sort - pseudocodice 1 for j 2 to length[a] do 2 key A[j] 3 // Insert A[j] into the sorted sequence A[1..j-1] 4 i j while i > 0 and A[i] > key do 6 A[i + 1] A[i] 7 i i A[i + 1] key

43 Selection sort - pseudocodice for i 1 to length[a] do min_idx i for j i + 1 to length[a] do if A[j] < A[min_idx] min_idx j 6 // A[min_idx]: smallest elem. in A[ i..end ] 7 swap A[i] A[min_idx]

44 Insertion sort codice C

45 Complessità di insertion sort Sia n la lunghezza del nostro array Al primo ciclo dobbiamo fare al massimo uno spostamento Al secondo al massimo due Allo n-simo ciclo al massimo n Numero di operazioni: al max n Complessità