Corso di Programmazione Linguaggi di Programmazione

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1 Corso di Programmazione Linguaggi di Programmazione Dott. Stefano Ferilli Università degli Studi di Bari Dipartimento di Informatica

2 Linguaggio Insieme di sequenze di simboli appartenenti ad un definito lessico, giustapposti in sequenza secondo una opportuna grammatica (o sintassi) Per descriverlo è necessario un meta-linguaggio Linguaggio che parla di un linguaggio

3 Messaggio Sequenza di frasi espresse in un linguaggio Analizzabile dal punto di vista Sintattico Si verifica la forma linguistica in cui è codificato (sintassi) Semantico Si individua il significato associato alla forma linguistica (semantica)

4 Comunicazione Diretta Requisiti per i due interlocutori: l estensore del messaggio al momento della sua formulazione e il ricevitore al momento della ricezione diano al messaggio eguale significato

5 Comunicazione Indiretta Cause: Il ricevitore non conosce il linguaggio usato per la stesura del messaggio Estensore e ricevitore hanno un diverso grado di conoscenza del linguaggio Tra i due mancano adeguate convenzioni per un interpretazione unica del messaggio Occorre un traduttore

6 Programma Messaggio di comunicazione fra l uomo e la macchina Insieme di frasi costruite secondo regole molto rigide Eliminazione di ambiguità nell interpretazione dei comandi da parte della macchina Necessità di linguaggi molto precisi Le istruzioni obbediscono a rigorose regole grammaticali

7 Sistema di Calcolo Gerarchia di componenti software e hardware Software applicativo (es. pacchetti ad usi speciali) Insieme di programmi da utilizzare per applicazioni particolari Generalmente scritti in un linguaggio ad alto livello Forniti direttamente da costruttori di computer o ditte specializzate nella produzione di programmi Software di sistema (sistemi operativi, traduttori, ecc.) Insieme dei programmi che forniscono servizi e svolgono funzioni vitali per il software applicativo Hardware (CPU, memorie, dispositivi di I/O, ecc.)

8 Comunicazione Uomo-Macchina Processore nudo La macchina comprende il linguaggio macchina Costituito da un insieme di istruzioni elementari Ogni istruzione è una stringa di cifre binarie che specifica un operazione e la cella di memoria implicata nell operazione Processore vestito Macchina in grado di comprendere un linguaggio di livello superiore Usato per facilitare il compito di programmare la soluzione di un problema

9 Linguaggio Naturale Usato per la comunicazione verbale fra esseri umani Fonti di ambiguità: Evoluzione Neologismi, Arcaismi Polisemia Parole con significati differenti a seconda del contesto Intrinseca una vecchia porta la sbarra Inadatto alla comunicazione con la macchina

10 Linguaggi di Programmazione A basso livello Più vicini alla struttura reale della macchina ed al suo linguaggio Ad alto livello Più vicini al linguaggio dei problemi Più facili da comprendere per l uomo Portabili Utilizzabili, senza modifiche, su diversi tipi di macchine

11 Linguaggi di Programmazione ad alto livello Procedurali Descrivono i passi necessari per ottenere i risultati desiderati come Basati sui concetti di Variabile Assegnamento Non procedurali Esprimono le proprietà dei risultati che si vogliono ottenere cosa Esempio Radice quadrata di y Quel valore x tale che x*x = y

12 Linguaggi di Programmazione Sintassi L insieme delle regole che indicano quali sono le istruzioni formali permesse Poche, semplici, rigide Il programma va accuratamente controllato dal punto di vista formale per garantire la correttezza sintattica Codifica ambigua o non interpretabile Controllo delegato al traduttore

13 Linguaggi di Programmazione Semantica Riguarda il contenuto informativo ed il significato di una frase Il lavoro più grosso è verificare e controllare il programma sul fronte logico per garantire la correttezza a livello semantico Informazione trasmessa non corrispondente allo scopo desiderato Connessa all analisi del problema e l algoritmo

14 Io ho andato Sintassi e Semantica Esempio Errata sintatticamente La penna sta mangiando Corretta sintatticamente Forma Errata semanticamente Significato

15 Traduttore Programma che traduce in linguaggio macchina programmi in un linguaggio di livello superiore Analizza i messaggi (comandi) e verifica che siano scritti (codificati) in un linguaggio a lui noto Correttezza sintattica Attribuisce alle sequenze di simboli l opportuno significato in modo da eseguire le giuste azioni Interpretazione unica di ogni istruzione Fa parte del software di sistema Livello intermedio della gerarchia software-hardware

16 Traduttori Nei programmi ad alto livello operano su due tipi di entità: Istruzioni Molto più potenti che nel linguaggio macchina Strutture di dati (liste, sequenze, alberi, ecc.) Non direttamente disponibili al livello di linguaggio macchina Devono essere rappresentate in termini di bit, indirizzi e legami tra locazioni

17 Traduttori Processore vestito Linguaggio di Programmazione Traduzione Processore nudo Linguaggio Macchina Interpreti Compilatori Specifici per ogni linguaggio Forniti entrambi dai sistemi di sviluppo del software per i linguaggi supportati

18 Interpretazione Dopo l analisi sintattica, la traduzione procede passo passo con l esecuzione Traduzione ed esecuzione istruzione per istruzione Ogni istruzione tradotta tante volte quante viene eseguita Programma Dati Interprete Risultati

19 Compilazione Il programma originale (Sorgente) è analizzato sintatticamente e tradotto in codice oggetto, quindi eseguito Traduzione completamente effettuata prima che cominci l esecuzione Ogni istruzione è tradotta una sola volta Programma Dati Compilatore Codice Oggetto Macchina Fisica Risultati

20 Interpreti vs. Compilatori Programma sorgente residente in memoria + Semplici Efficienti Tempo e Spazio + Interattivi + Errori comprensibili Riferiti al sorgente Programma sorgente non residente in memoria + Ottimizzabili + Efficienti Tempo e Spazio Interattivi + Errori scoperti prima Riferiti al codice oggetto

21 Processo di Compilazione Fasi Analisi Lessicale Divisione della stringa di caratteri del programma in token Segni di interpunzione, nomi di dati, operatori, parole riservate Analisi Sintattica Definizione della struttura sintattica del programma usando le regole grammaticali del linguaggio Generazione del Codice Generazione di appropriate istruzioni in linguaggio macchina per ogni elemento sintattico del programma L insieme finale di queste istruzioni è il programma oggetto

22 Processo di Compilazione Le fasi sono tra loro interrelate I moduli di programma responsabili dell analisi sintattica possono utilizzare I moduli dell analisi lessicale per ottenere un token I moduli di generazione del codice per produrre il codice oggetto dell istruzione analizzata Per capire come vengono effettuate le analisi è necessaria la teoria dei linguaggi

23 Alfabeto Insieme finito e non vuoto di simboli primitivi (caratteri) tramite i quali è possibile costruire gli elementi base del linguaggio Esempio: Alfabeto dei numeri reali A = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, +,,.}

24 Concatenazione di Simboli di un alfabeto L oggetto ottenuto prendendo nell ordine i simboli da concatenare Esempio: Dato l alfabeto per i numeri reali La concatenazione di 3 e 4 è 34 La concatenazione di +, 4, 7,. e 5 è La concatenazione di 4,., 7,. e 5 è 4.7.5!!!! Non tutte le sequenze di simboli che si possono costruire sono frasi significanti del linguaggio

25 Stringa o Parola su un alfabeto Sequenza di simboli ottenuta come concatenazione di un numero finito di elementi dell alfabeto Λ denota la stringa non contenente alcun simbolo (parola vuota) La concatenazione di due parole Parola formata dai simboli della prima seguiti da quelli della seconda Esempi: Λp = pλ = p per ogni parola p la concatenazione di +3 con 4.5 è +34.5

26 Prodotto di Insiemi di Parole su un alfabeto Insieme ottenuto concatenando ogni parola di un insieme con ogni parola dell altro Esempio: concatenando {1, 21, 1.4} con {2, 398} si ottiene {12, 1398, 212, 21398, 1.42, }

27 Potenza di un Alfabeto A A è un particolare insieme di parole su A Si possono considerare i prodotti AA AAA Esempio: per l alfabeto dei numeri reali fanno parte di A Le ultime due stringhe non fanno parte dei numeri reali

28 A n Potenza di un Alfabeto A Parole costituite da n simboli dell alfabeto A A 0 = {Λ} A 1 = A A 2 = AA A 3 = AAA n è detta lunghezza della parola

29 Chiusura di un Alfabeto A Bisogna delimitare l universo linguistico esprimibile Tutte le possibili parole di lunghezza finita costituite da simboli dell alfabeto A + = A 1 A 2 A n Insieme di tutte le parole su A di lunghezza finita Unione di tutti gli insiemi di parole di varia lunghezza A * = {Λ} A + Chiusura di A

30 Linguaggio su un alfabeto A Un sottoinsieme di A * Tra le parole di A * ci sono parole ammesse nel linguaggio e parole non ammesse Linguaggio Generato da una Grammatica Insieme delle frasi costruite, a partire dall alfabeto, secondo le regole specificate da una grammatica

31 Simboli Non Terminali Non fanno parte dell alfabeto Sono variabili Rappresentano opportune sequenze di simboli Nomi che specificano le categorie sintattiche Componenti delle frasi del linguaggio generato dalla grammatica Il loro insieme è detto alfabeto dei simboli non terminali Su di esso è costruito il metalinguaggio

32 Simboli Non Terminali Linguaggio naturale Esempio Parole classificate in frase, soggetto, predicato, articolo, nome, verbo, ecc. <soggetto > <articolo> <nome> il cane Linguaggio algebrico <formula> <variabile> = <espressione aritmetica> x = y + z * 12

33 Regola o Produzione Coppia ordinata di parole (p, q) tale che, se A è l alfabeto dei simboli terminali N è l alfabeto dei simboli non terminali p e q possono appartenere tanto ad A* N* Scriviamo p q la stringa p produce la stringa q la stringa p può essere riscritta come q p ( Λ) è detta parte sinistra q è detta parte destra

34 Regola o Produzione Convenzione Le parti destre di produzioni con la stessa parte sinistra si possono riunire come alternative in un unica parte destra, separate col simbolo ( oppure ) Esempio p q p r p s p t si può compattare in p q r s t

35 Grammatica Insieme delle regole che consentono di definire, tra tutte le possibili sequenze di simboli di lunghezza finita che si possono costruire, quelle lecite (frasi) Le regole di formazione delle frasi del linguaggio si dicono regole di produzione Coinvolgono simboli dell alfabeto ed altri simboli che rappresentano categorie sintattiche

36 Grammatica Quadrupla [Chomsky] G = < A, N, α, P > A alfabeto terminale N alfabeto non terminale α scopo della grammatica (simbolo di partenza) P insieme delle regole di produzione

37 Grammatica Esempio Grammatica che genera il linguaggio dei numeri pari A = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} N = {α, β} α indica il numero pari Scopo per cui costruiamo la grammatica β indica un numero qualunque P = { α βα , β β0 β1 β2 β8 β9 }

38 Grammatica Esempio A = {il, la, cane, donna, mangia, dorme} N = { <frase>, <soggetto>, <articolo>, <nome>, <verbo>} α = <frase> P = { <frase> <soggetto> <verbo> <soggetto> il <nome> la <nome> il <nome> il cane la <nome> la donna <verbo> dorme mangia }

39 Generazione di Stringhe Una stringa di terminali e non, S 1, genera un altra stringa S 2 Direttamente (S 1 S 2 ) Indirettamente (S 1 * S 2 ) se quest ultima si ottiene dalla prima applicando Una produzione Una sequenza di produzioni della grammatica

40 Derivabilità Una sequenza di simboli S 2 è derivabile da un altra S 1 se Entrambe sono stringhe di terminali e non S 1 ha almeno un non terminale γ C è una regola che, sostituendo γ con S 3 in S 1, porta a S 2 La frase w costruita sui simboli terminali di G, con simbolo iniziale α, è derivabile se n, s 1,,s n (A N) * α s 1 s n w

41 Derivabilità Una frase w è generata da G se si ottiene applicando ripetutamente le regole di P, partendo da α La struttura del linguaggio dipende dalle regole di produzione che determinano le modalità di formazione delle frasi del linguaggio generato dalla grammatica Una grammatica è libera da contesto se le sue regole sono del tipo b w b simbolo non terminale w sequenza di simboli terminali e/o non terminali

42 Tipi di Grammatiche Dipendenti dalle restrizioni imposte alle produzioni 0 (Nessuna restrizione) p q p, q (A N) * 1 (Dipendenti dal contesto) xay xby a N; x,y,b (A N) * ; b Λ 2 (Non contestuali) p q p N; Λ q (A N) * 3 (Regolari) p ax p N; a A * ; x N

43 Albero Sintattico Rappresentazione grafica del processo di derivazione Radice = scopo della grammatica Relazione padre-figlio = applicazione di regole di produzione Foglie = simboli terminali La sequenza di foglie, lette da sinistra verso destra, è detta frontiera Grafo orientato e ordinato aciclico

44 Albero Sintattico di un Programma Albero che si ricava dalle regole di produzione della grammatica di un linguaggio di programmazione Radice: <programma> Foglie caratteri alfanumerici simboli speciali parole chiave operatori

45 Analisi Sintattica Procedimento di costruzione della derivazione di una frase rispetto ad una grammatica G Effettuato da un analizzatore sintattico (parser) Programma che opera su una stringa, e se questa appartiene al linguaggio generato dalla grammatica, ne produce una derivazione altrimenti si ferma segnalando il punto dove si è verificato l errore A seconda dell ordine seguito nel costruire le derivazioni, è detta ascendente o discendente

46 Analisi Sintattica Esempio Produzioni: 1. S asab 2. S b 3. A ba 4. A a 5. B cb 6. B a Una frase è a 2 b 3 a 4 = aabbbaaaa S 1 a S 1 A 4 B 6 a S 2 A 3 B 6 a a b b A 3 a b A 4 a

47 Analisi Sintattica Ascendente Esempio 9 S 1 a 6 S 1 7 A 4 8 B a S 2 A 3 B 6 a a b b A 3 a 3 2 b A 4 a

48 Analisi Sintattica Discendente Esempio 1 S 1 a 2 S 1 8 A 4 9 B a S 2 A 3 B 6 a a b b A 3 a 5 6 b A 4 a

49 Forma (Normale) di Backus- Naur BNF Notazione per scrivere la grammatica Usata per specificare la sintassi di un linguaggio di programmazione Simboli non terminali scritti fra parentesi uncinate < > Simbolo sostituito da ::=

50 Forma di Backus-Naur Esempio Grammatica per i numeri pari (infiniti) <numero pari>::= <numero><numero pari> <numero> ::= <numero> 0 <numero> è ottenibile? <numero pari>::= <numero><numero pari> ::= <numero>2 ::= <numero>32 ::= <numero>932 ::= <numero>4932 ::= 64932

51 Forma di Backus-Naur Esempio Grammatica per le stringhe palindrome Simmetria speculare <frase> ::= Λ <frase> ::= a<frase>a <frase> ::= b<frase>b È possibile derivare infinite stringhe

52 Carte Sintattiche Grafi costituiti da blocchi uniti da frecce Blocchi arrotondati Simboli terminali del linguaggio Blocchi rettangolari Simboli non terminali Rimandi alla corrispondente carta sintattica Frecce Indicano le vie percorribili per costrutti validi I bivi rappresentano possibilità alternative

53 Carte Sintattiche Iniziando dalla carta principale, seguire le frecce Quando si dipartono scegliere una strada Attraversando un blocco arrotondato Trascriverne il contenuto Attraversando un blocco rettangolare, passare alla carta corrispondente e seguirla Ogni carta ha esattamente un inizio e una fine, come il blocco

54 Carte Sintattiche Ogni traiettoria percorsa nel verso delle frecce definisce un costrutto sintattico valido del linguaggio Tutti i simboli terminali incontrati nel percorso ed in quella data sequenza costituiscono una frase legale del linguaggio

55 Carte Sintattiche Esempio Identificatore: Lettera seguita (eventualmente) da lettere o cifre <identificatore> ::= <lettera> <lettera><stringa alfanumerica> <stringa alfanumerica> ::= <lettera> <cifra> <lettera><stringa alfanumerica> <cifra><stringa alfanumerica> <lettera> ::= a b c d e f g h z <cifra> ::= lettera lettera cifra