I linguaggi di alto livello

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1 I linguaggi di alto livello 1

2 Sommario Introduzione alla programmazione Caratteristiche dei linguaggi di programmazione I linguaggi di programmazione di alto livello Compilatori e interpreti L arte della programmazione Storia del linguaggio C Lo standard ANSI 2

3 Introduzione alla programmazione 3

4 Cos è un linguaggio Definizione 1 - Un linguaggio è un insieme di parole e di metodi di combinazione delle parole usati e compresi da una comunità di persone È una definizione poco precisa perché Non evita le ambiguità dei linguaggi naturali Non si presta a descrivere processi computazionali automatici Non aiuta a stabilire proprietà Definizione 2 - Il linguaggio è uno strumento matematico che consente di rispondere a domande come: Quali sono gli elementi linguistici primitivi? Quali sono le frasi lecite? Si può decidere se una frase appartiene o no al linguaggio? Come si stabilisce il significato di una frase? 4

5 Lessico, sintassi e semantica Lessico: l insieme di regole formali per la scrittura di parole in un linguaggio Sintassi: l insieme di regole formali per la scrittura di frasi in un linguaggio, che stabiliscono cioè la grammatica del linguaggio stesso Semantica: l insieme dei significati da attribuire alle frasi (sintatticamente corrette) costruite nel linguaggio Nota: una frase può essere sintatticamente corretta e tuttavia non avere significato! Sento il micino che cinguetta e annaffio nel giardino le mie mimose blu 5

6 Esempio: la sintassi di un numero naturale <cifra-non-nulla> := <cifra> := 0 <cifra-non-nulla> <naturale> := 0 <cifra-non-nulla>{<cifra>} Diagramma sintattico 6

7 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 1 Benché siano macchine in grado di compiere operazioni complesse, i calcolatori devono essere guidati per mezzo di istruzioni appartenenti ad un linguaggio specifico e limitato, a loro comprensibile Un linguaggio di programmazione è costituito, come ogni altro tipo di linguaggio, da un alfabeto, con cui viene costruito un insieme di parole chiave (il vocabolario) e da un insieme di regole sintattiche per l uso corretto delle parole del linguaggio A livello hardware, i calcolatori riconoscono solo comandi semplici, del tipo copia un numero, addiziona due numeri, confronta due numeri 7

8 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 2 I primi linguaggi di programmazione coincidevano con l insieme delle istruzioni eseguibili dall hardware Le istruzioni hardware sono codificate in codice binario: ogni informazione è rappresentata, all interno della macchina, come una sequenza di bit Enorme sforzo programmativo richiesto per codificare algoritmi semplici I comandi realizzati in hardware definiscono il set di istruzioni macchina e i programmi che li utilizzano direttamente sono i programmi in linguaggio macchina 8

9 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 3 In linguaggio macchina ogni operazione richiede l attivazione di numerose istruzioni base qualunque entità, istruzioni, variabili, dati, è rappresentata da numeri binari: i programmi sono difficili da scrivere, leggere e manutenere Il linguaggio macchina riflette l organizzazione della macchina più che la natura del problema da risolvere Dalla nascita dei primi calcolatori, si è cercato di diminuire lo sforzo ed aumentare la produttività dell utente, anche a costo di caricare la macchina di maggiori compiti 9

10 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 4 La prima evoluzione dei linguaggi di programmazione ha portato ad una codifica di tipo simbolico, anziché binaria, dei programmi Tali versioni simboliche dei linguaggi hardware sono note come linguaggi assemblatori, dal termine usato per indicare i programmi traduttori che, ricevendo come dato la versione simbolica di un programma, producono come risultato la corrispondente forma binaria direttamente eseguibile dalla macchina Per la prima volta, con la nascita degli assembler, fu applicato il principio che è meglio risparmiare il tempo dell uomo anche a costo di sprecare tempo-macchina (una parte del tempo è dedicata alla traduzione di programmi, non alla loro esecuzione) 10

11 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 5 Negli anni 50, tutti i programmi erano scritti in linguaggio macchina o in assembly In assembly le istruzioni corrispondono univocamente alle istruzioni macchina, ma vengono espresse tramite nomi simbolici (parole chiave) piuttosto che mediante codici numerici il riferimento alle variabili viene effettuato per mezzo di nomi piuttosto che con indirizzi di memoria I programmi scritti in assembly necessitano di un apposito programma assemblatore per tradurre le istruzioni tipiche del linguaggio in istruzioni macchina 11

12 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 6 Il passo successivo nell evoluzione dei linguaggi di programmazione tese a rendere la codifica degli algoritmi il più possibile vicina al problema da risolvere, anziché all architettura della macchina destinata all esecuzione del programma I primi due linguaggi di alto livello, FORTRAN e COBOL, hanno costrutti fortemente ispirati alla notazione usata, negli anni 50, per l elaborazione numerica e gestionale 12

13 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 7 Negli anni 60: Grande sforzo per razionalizzare la definizione e le tecniche di implementazione dei linguaggi, reso necessario dallo sviluppo quantitativamente impetuoso delle applicazioni Definizione dell ALGOL 60, il capostipite dei moderni linguaggi, basato sui principi della programmazione strutturata Proliferazione selvaggia, favorita dalle industrie, di nuovi linguaggi, sia general purpose che rivolti a specifici settori applicativi 13

14 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 8 Negli anni 70: Si diffondono i linguaggi strutturati, quali il SIMULA 67, capostipite dei linguaggi Object-Oriented, l ALGOL 68, ma soprattutto il PASCAL, primo esempio di prodotto di origine accademica che abbia conosciuto vasto successo ed applicazione nel mondo dell industria In modo simile, il C, concepito come un assembler strutturato per trasportare facilmente UNIX, ha finito per diventare il linguaggio più affermato nella programmazione di sistema 14

15 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 9 Il periodo a cavallo tra gli anni 70 ed 80 è segnato da tendenze contraddittorie: Viene lanciata dal Dipartimento della Difesa americano l iniziativa per la definizione e la realizzazione di un nuovo linguaggio, che l ente intende imporre come proprio standard ADA dovrebbe rappresentare il punto di maturazione perfetta di tutti i principi di progettazione software e dei meccanismi linguistici elaborati negli anni precedenti Si moltiplicano i nuovi linguaggi tesi a rendere più gradevole ed efficiente la programmazione tradizionale e si ha l affermarsi definitivo dei linguaggi object-oriented (C++, Visual BASIC, Java) 15

16 I linguaggi di programmazione: Cenni storici - 10 Nei linguaggi di alto livello ogni singola istruzione consente di effettuare un operazione semplice, ma completa I linguaggi di alto livello sono elementi intermedi di una varietà di linguaggi ai cui estremi si trovano il linguaggio macchina, da un lato, ed i linguaggi naturali, come l italiano e l inglese, dall altro I linguaggi di programmazione differiscono comunque dai linguaggi naturali: sono infatti meno espressivi ma più precisi Sono semplici e poveri (poche parole chiave, poche regole), ma privi di qualsiasi ambiguità 16

17 Astrazione - 1 In informatica si parla di programmazione di basso livello quando si utilizza un linguaggio molto vicino alla macchina Si parla invece di programmazione di alto livello quando si utilizzano linguaggi più sofisticati ed astratti, slegati dal funzionamento fisico della macchina Si viene così a creare una gerarchia di linguaggi, dai meno evoluti (il linguaggio macchina o l assembler) ai più evoluti (Pascal, Perl, Java, etc.) In questa gerarchia il linguaggio C si pone ad un livello intermedio 17

18 Astrazione - 2 Esistono, quindi, diversi livelli di astrazione: Linguaggio macchina e Assembler Implicano la conoscenza dettagliata delle caratteristiche della macchina (registri, dimensione dati, set di istruzioni) Semplici algoritmi implicano la specifica di molte istruzioni Linguaggi di alto livello Il programmatore può astrarre dai dettagli legati all architettura ed esprimere i propri algoritmi in modo simbolico Sono indipendenti dalla macchina hardware sottostante 18

19 Evoluzione dei linguaggi di programmazione 19

20 Linguaggi di programmazione di alto livello - 1 Consentono al programmatore di trattare oggetti complessi senza doversi preoccupare dei dettagli della particolare macchina sulla quale il programma viene eseguito Richiedono un compilatore o un interprete che sia in grado di tradurre le istruzioni del linguaggio di alto livello in istruzioni macchina di basso livello, eseguibili dal calcolatore Un compilatore è un programma traduttore complesso, infatti mentre esiste una corrispondenza biunivoca fra istruzioni in assembler ed istruzioni macchina ogni singola istruzione di un linguaggio di alto livello corrisponde a molte istruzioni in linguaggio macchina: quanto più il linguaggio si discosta dal linguaggio macchina, tanto più il lavoro di traduzione del compilatore è difficile 20

21 Linguaggi di programmazione di alto livello - 2 I linguaggi che non dipendono dall architettura della macchina offrono due vantaggi fondamentali: i programmatori non devono cimentarsi con i dettagli architetturali di ogni calcolatore i programmi risultano più semplici da leggere e da modificare ð portabilità, leggibilità, manutenibilità 21

22 Linguaggi di programmazione di alto livello - 3 Portabilità: i programmi scritti per un calcolatore possono essere utilizzati su qualsiasi altro calcolatore, previa ricompilazione Leggibilità: la relativa similitudine con i linguaggi naturali rende i programmi più semplici, non solo da scrivere, ma anche da leggere Manutenibilità: facilità nell effettuare modifiche di tipo correttivo, perfettivo, evolutivo e adattivo La possibilità di codificare algoritmi in maniera astratta si traduce in una migliore comprensibilità del codice e quindi in una più facile analisi di correttezza 22

23 Linguaggi di programmazione di alto livello - 4 Eventuale svantaggio dell uso dei linguaggi di alto livello è la riduzione di efficienza È possibile utilizzare successioni di istruzioni macchina diverse per scrivere programmi funzionalmente equivalenti: il programmatore ha un controllo limitato sulle modalità con cui il compilatore traduce il codice Tuttavia i compilatori attuali ricorrono a trucchi di cui molti programmatori ignorano l esistenza La ragione fondamentale per decretare la superiorità dei linguaggi di alto livello consiste nel fatto che la maggior parte dei costi di produzione del software è localizzata nella fase di manutenzione, per la quale leggibilità e portabilità sono cruciali 23

24 Linguaggi di programmazione di alto livello - 5 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) 24

25 Linguaggi di programmazione di alto livello - 6 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 25

26 Linguaggi di programmazione di alto livello - 7 Sulla base dell ambito in cui si colloca il problema da risolvere, è opportuno adottare un linguaggio piuttosto che un altro: Calcolo scientifico: Fortran, C Intelligenza artificiale: Prolog, Lisp, C Applicazioni gestionali: Cobol, SQL, C Sistemi operativi: Assembler, C Applicazioni visuali: C++, Java, Visual Basic Applicazioni Web: Java, PHP, ASP 26

27 I programmi traduttori - 1 Affinché un programma scritto in un qualsiasi linguaggio di programmazione sia comprensibile (e quindi eseguibile) da parte di un calcolatore, occorre tradurlo dal linguaggio originario al linguaggio della macchina Ogni traduttore è in grado di comprendere e tradurre un solo linguaggio Il traduttore converte il testo di un programma scritto in un particolare linguaggio di programmazione (sorgente) nella corrispondente rappresentazione in linguaggio macchina (eseguibile) 27

28 I programmi traduttori - 2 Compilatore: opera la traduzione di un programma sorgente (scritto in linguaggio di alto livello) in un programma direttamente eseguibile dal calcolatore PRIMA si traduce tutto il programma POI si esegue la versione tradotta Interprete: traduce ed esegue il programma sorgente, istruzione per istruzione Traduzione ed esecuzione sono intercalate 28

29 I programmi traduttori

30 Il compilatore - 1 Eseguire un programma scritto in un linguaggio compilato Il programma P scritto in linguaggio L viene dato in ingresso a un programma P Comp P Comp è il programma compilatore del linguaggio L (ad esempio il programma compilatore del C) L esecuzione da parte di un calcolatore di P Comp su P (dove P è il dato di ingresso) produce P exe ð FASE di COMPILAZIONE (compile time) L esecuzione da parte di un calcolatore di P exe su particolari dati in input produce i relativi risultati ð FASE di ESECUZIONE (run time) 30

31 Il compilatore - 2 Esempio di compilatore Dobbiamo sottoporre un curriculum, in inglese, ad una azienda, ma non conosciamo l inglese Abbiamo bisogno di un traduttore che traduca quanto scritto da noi dall italiano all inglese contattiamo il traduttore il traduttore riceve il testo da tradurre il traduttore fornisce il testo tradotto possiamo sottoporre il nostro curriculum all azienda 31

32 Il compilatore - 3 Compilatore Analisi lessicale ð token (parole) Analisi sintattica ð albero sintattico Analisi semantica ð tabella dei simboli 32

33 Il compilatore - 4 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 33

34 Il compilatore - 5 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) 34

35 Il compilatore

36 Il compilatore - 7 L analizzatore sintattico (o parser) permette la costruzione dell albero di derivazione del particolare programma basato sulla grammatica del linguaggio 36

37 Il compilatore - 8 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.) 37

38 Il compilatore - 9 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 38

39 Il compilatore - 10 Traduzione da algoritmo a codice C e da C ad Assembler 39

40 Il compilatore - 11 Interazione fra compilatore, SO e hardware 40

41 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 41

42 Compilatore e linker - 2 Il ruolo del linker 42

43 Compilatore e linker - 3 Da sorgente ad eseguibile 43

44 L interprete - 1 Eseguire un programma scritto in un linguaggio interpretato Il programma P scritto in linguaggio L viene dato in ingresso a un programma P Int P Int è il programma interprete del linguaggio L (ad esempio il programma interprete del Python) L esecuzione da parte di un calcolatore di P Int su P, con i dati di ingresso a P, produce i relativi risultati 44

45 L interprete - 2 Esempio di interprete Dobbiamo incontrare un manager cinese per motivi di lavoro ma non conosciamo il cinese Abbiamo bisogno di un interprete che traduca il nostro dialogo contattiamo l interprete parliamo in italiano, in presenza dell interprete contemporaneamente l interprete comunica al manager cinese quanto detto da noi (e viceversa) Il compito dell interprete si svolge contestualmente all incontro col manager cinese 45

46 L interprete - 3 Interazione fra interprete, SO e hardware 46

47 Compilatori e interpreti - 1 Riassumendo I compilatori traducono un intero programma dal linguaggio L al linguaggio macchina della macchina prescelta: traduzione e esecuzione procedono separatamente al termine della compilazione è disponibile la versione tradotta del programma la versione tradotta è però specifica per quella macchina per eseguire il programma basta avere disponibile la versione tradotta (non è necessario ricompilare) Gli interpreti invece traducono e immediatamente eseguono il programma istruzione per istruzione, infatti: traduzione ed esecuzione procedono insieme al termine non vi è alcuna versione tradotta del programma originale se si vuole rieseguire il programma occorre anche ritradurlo 47

48 L esecuzione di un programma compilato è generalmente più veloce dell esecuzione di un programma interpretato (nella compilazione si possono attuare processi di ottimizzazione dell eseguibile), tuttavia Compilatori e interpreti - 2 L interprete ha il vantaggio di tradurre solo le istruzioni che effettivamente esegue, riducendo al minimo l operazione di traduzione nel caso in cui l esecuzione venga terminata o un gruppo di istruzioni non facciano parte del flusso esecutivo corrente Un compilatore ha il vantaggio di tradurre una sola volta l intero programma e reiterare certe istruzioni (iterazioni) per il numero di volte richiesto dalla particolare esecuzione 48

49 Compilatori ed interpreti - 3 I linguaggi interpretati sono tipicamente più flessibili e semplici da utilizzare (nei linguaggi compilati esistono maggiori limitazioni alla semantica dei costrutti) Per distribuire un programma interpretato si deve necessariamente distribuire il codice sorgente, rendendo possibili operazioni di plagio Nei programmi interpretati, è facilitato il rilevamento di errori di run-time 49

50 L arte della programmazione - 1 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 Documentazione Manutenzione Programmazione 50

51 L arte della programmazione - 2 Definizione del problema Definizione degli ingressi e delle uscite quali variabili quale dominio per ogni variabile Risoluzione delle ambiguità Scomposizione in (sotto-)problemi più semplici Definizione dell algoritmo Soluzione in pseudocodice Soluzione mediante diagramma a blocchi strutturato 51

52 L arte della programmazione - 3 Codifica Traduzione dell algoritmo in istruzioni del linguaggio di programmazione Debugging, correzione degli errori sintattici e semantici Errori sintattici Espressioni non valide o non ben formate nel linguaggio di programmazione Errori semantici Comportamento non aderente alle aspettative/alla intenzionalità del programmatore 52

53 L arte della programmazione - 4 Validazione Test su tutte le condizioni operative del programma Test su input estremi (es., vettori di dimensione 0 o 1, variabili nulle) Documentazione Inserimento di commenti esplicativi nelle varie parti del programma per facilitarne la comprensione (dopo molto tempo dalla stesura o per terze persone) Manutenzione Modifica del programma per soddisfare al cambiamento delle specifiche con cui deve operare 53

54 I commenti - 1 Perché commentare e documentare i programmi? I programmi vengono utilizzati più volte nel corso di tempi lunghi (mesi, anni) per fare cambiamenti (aggiunta di caratteristiche) risolvere errori Commentare il programma serve a rendere chiaro ed evidente lo scopo delle diverse parti del codice 54

55 I commenti - 2 Inoltre: Si devono evitare commenti inutili Si deve evitare di inserirne troppo pochi Un buon metodo per verificare il livello di documentazione è quello di leggere solo i commenti (e non il codice) ed ottenere una chiara idea su cosa fa un programma e come lo fa 55

56 Storia del linguaggio C 56

57 Storia del linguaggio C - 1 Il linguaggio C venne definito alla fine degli anni 60 da Dennis M. Ritchie, degli AT&T Bell Labs, come linguaggio di programmazione di sistema Il linguaggio C doveva essere un linguaggio di livello sufficientemente alto per garantire ai programmi leggibilità e manutenibilità un linguaggio sufficientemente semplice da stabilire una corrispondenza immediata con la macchina sottostante indipendente dall hardware e quindi portabile Il linguaggio C si dimostrò così flessibile, ed il codice macchina prodotto così efficiente che, nel 1973, Ritchie e Ken Thompson riscrissero UNIX in C 57

58 Storia del linguaggio C - 2 Oggi molti sistemi operativi sono sviluppati in C o C++ I vantaggi fondamentali della scrittura di sistemi operativi in linguaggio di alto livello sono la velocità di sviluppo e la manutenibilità Come effetto collaterale si ottiene un sistema operativo che può essere trasferito su architetture diverse, tramite ricompilazione su macchina target: porting Nel 1977, Ritchie e Brian Kernighan pubblicarono The C Programming Language, che formalizza lo standard K&R Inizialmente il linguaggio C veniva usato soprattutto sui sistemi UNIX (PCC - Portable C Compiler) ma, con la diffusione dei PC, compilatori C furono prodotti per nuove architetture e nuovi sistemi operativi 58

59 ANSI C Nel 1983, l American National Standards Institute (ANSI), costituì la commissione X3J11, che doveva formulare uno standard per il C, che includesse le nuove caratteristiche che il linguaggio aveva progressivamente maturato, mantenendone la portabilità La versione finale dello standard C fu approvata dall ANSI nel 1989 Lo Standard ANSI C è descritto nel documento American National Standard for Information Systems - Programming Language C Lo standard è stato rivisto ed aggiornato nel

60 Caratteristiche del linguaggio C Linguaggio di medio/alto livello; basso livello di controllo degli errori nella fase di compilazione Variabili tipizzate, con notevoli possibilità di conversione mediante il type casting, che permette di forzare una variabile a cambiare tipo a run-time Abbina ad un livello medio/alto di astrazione, un buon controllo delle operazioni a basso livello 60