Programmazione. Valerio Perticone, Sergio Perticone

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1 Programmazione Valerio Perticone, Sergio Perticone

2 Programmazione La programmazione è un processo che parte dall'analisi di un problema computazionale ed arriva, mediante un'opportuna codifica formale, alla creazione di un programma (software) Ma che significa computazionale?

3 Computazione Analizziamo una comune definizione matematica: Radice quadrata di x La radice quadrata di x è quel numero y che moltiplicato per sé stesso è uguale ad x Questa definizione è esauriente per comprendere il significato di radice quadrata Ma non fornisce informazioni su come calcolarla!

4 Conoscenza La definizione precedenza è un esempio di conoscenza proposizionale A noi interessa conoscere un algoritmo che ci permetta in pratica di risolvere il nostro problema (calcolare la radice quadrata) Erone di Alessandria (I secolo d.c.) ha descritto una procedura per calcolarlo, che costituisce uno di primi esempi di algoritmo (conoscenza procedurale)

5 Algoritmo di Erone Passo 1: Fissa una soglia t ad un valore arbitrariamente basso Passo 2: Scegli un valore arbitrario y Passo 3: Poni d uguale alla differenza in valore assoluto tra y² e x Passo 4: Se tale d è inferiore a t, allora y è la soluzione quindi termina Passo 5: Altrimenti, sostituisci y con la media tra y e x/y Passo 6: Vai al punto 3

6 Domanda Quello descritto è un programma? No, benché sia una procedura, non c è alcuna forma di codifica formale dell algoritmo

7 Codifica Il concetto di codifica è strettamente collegato ai protocolli di comunicazione Quando comunichiamo seguiamo istintivamente alcune regole implicite che sono note nella società in cui ci troviamo (una forma di galateo ) Esempio: la stretta di mano è un gesto comunemente associato al saluto (ma assume significato di lealtà sportiva in seguito ad una partita)

8 Codifica Con l evoluzione della scrittura e del linguaggio, oggi associamo particolari segni o suoni a significati che sono molto lontani dall oggetto Esempio: SOS nel codice Morse

9 Codifica Nel linguaggio matematico il concetto di codifica è più rigoroso e richiede che non siano presenti ambiguità La definizione formale di codifica si associa al concetto matematico di funzione In particolare sono richieste funzioni iniettive

10 Linguaggi di programmazione Un linguaggio di programmazione è un linguaggio utilizzato per il controllo di una macchina Il programmatore codifica le istruzioni da compiere utilizzando il linguaggio della macchina Una macchina può essere un computer, uno smartphone, una lavatrice,

11 Un po di storia Prima dell invenzione del computer sono stati definiti linguaggi di programmazione arcaici per esprimere in maniera rigorosa il processo di calcolo Characteristica universalis (Gottfried Leibniz, 1666) Macchina analitica di Babbage (Ada Lovelace, 1843) Lambda calcolo (Alonzo Church, 1936) Macchina di Turing (Alan Turing, 1936) Sono tutti precedenti all invenzione del computer!

12 Linguaggi di programmazione Oggi esistono numerosi linguaggi di programmazione, dotati di alcune peculiarità e specializzazioni nell ambito di applicazione Esempi: Java MATLAB R Python

13 Caratteristiche comuni Istruzioni Variabili Operatori aritmetici e logici Strutture per il controllo del flusso Procedure

14 Istruzioni Un programma è descritto da un codice sorgente (o semplicemente sorgente). Il sorgente è composto da un numero finito di istruzioni disposte su righe separate istruzione 1 istruzione 2 // commento... istruzione n Il flusso del programma è dato dalla sequenza di istruzioni eseguite Se non specificato diversamente, l esecuzione avviene nell ordine in cui compaiono le istruzioni È possibile aggiungere commenti per specificare il significato delle istruzioni. I commenti non sono interpretati dalla macchina.

15 Variabili Le variabili possono essere considerate come scatole etichettate il cui contenuto può essere modificato o osservato quando necessario Regole: ogni variabile va dichiarata prima di essere utilizzata ogni variabile ha un nome univoco ogni variabile ha associato un tipo

16 Pseudocodice Per presentare algoritmi spesso si utilizza lo pseudocodice Corrisponde ad un linguaggio di programmazione inventato e non veramente implementato, ma sufficientemente formale In questo caso s ignorano, ove possibile, tipi e dichiarazioni di variabili

17 Assegnamento Per assegnare un valore ad una variabile di nome x, useremo l operatore di assegnamento = x = 42 // la variabile x adesso conterrà il valore intero 42 x = 10 // adesso x contiene 10 y = 4 // la variabile y contiene 4

18 Operatori aritmetici Possiamo manipolare le variabili numeriche utilizzando le comuni operazioni aritmetiche: + (addizione) - (sottrazione) * (prodotto) / (divisione) Tali operatori possono essere combinati in maniera non binaria: area = base * altezza perimetro = base*2 + altezza*2 // esempio binario

19 Operatori unari Esistono operatori unari, ovvero che operano su un solo operando - (segno meno) ++ (incremento) -- (decremento) x = 3 x++ // x è uguale a 4 x-- // x è uguale a 3 x = x + 1 // è equivalente a x++ y = 5 z = -y // z è uguale a -5 w = -z // w è uguale a 5

20 Operatori logici Gli operatori logici valutano un predicato e producono una costante logica booleana che corrisponde al suo valore di verità (Vero o Falso) Sono comunemente indicati con true o false Un tipo di predicato sono, ad esempio, le relazioni d ordine: < (strettamente minore) <= (minore o uguale) > (strettamente maggiore) >= (maggiore o uguale)

21 Operatori logici Esempi: p = 42 > 1 // p sarà uguale a true q = 21 < 21 // q sarà uguale a false m = 21 <= 21 // m sarà uguale a true Esistono inoltre gli operatori di eguaglianza: == (uguale) <> (non uguale) Esempi: p = (10 == 10) q = (12 <> 10) m = (12 <> 12) n = (p == q) // p sarà uguale a true // q sarà uguale a true // m sarà uguale a false // n sarà uguale a true

22 Operatori logici Gli operatori di confronto sono binari e ammettono solamente operandi che possono essere messi in relazione tra loro p = (10 == 10 == 11) q = (23 <= true) // errore // errore

23 Connettivi logici Oltre alle operazioni di eguaglianza, è possibile effettuare altre operazioni con i valori di verità Le seguenti operazioni sono detti connettivi logici: && (congiunzione logica: and) (disgiunzione logica: or)! (negazione logica: not)

24 Tabella di verità Congiunzione logica (AND) && Disgiunzione logica (OR) FALSE FALSE FALSE FALSE FALSE FALSE FALSE TRUE FALSE FALSE TRUE TRUE TRUE FALSE FALSE TRUE FALSE TRUE TRUE TRUE TRUE TRUE TRUE TRUE

25 Connettivi logici Esempi: x = 5 p = (10 < x) (2 < x) q = (x > 1) && (x == 3) m =!(x == 5) n = true false // p sarà uguale a true // p sarà uguale a false // m sarà uguale a false // n sarà uguale a true

26 Precedenza degli operatori Come per la matematica, esistono regole per determinare la precedenza degli operatori. Vale la seguente scala di priorità (in ordine di precedenza): * / + - == <> < <= > >= && Gli operatori binari allo stesso livello seguono la regola associativa da sinistra verso destra. Nel dubbio si utilizzano le parentesi. a = x / y * z b = x / (y * z) // a e b sono diversi!

27 Variabili non scalari Quando trattiamo quantità numeriche abbiamo a che fare con variabili scalari In programmazione sono spesso necessarie grandezze non scalari, ovvero non direttamente rappresentabili tramite un numero Un esempio classico è il vettore (o array) L array è un esempio di struttura dati

28 Array L array è una sorta di contenitore dotato di un numero finito di cellette ordinate Per accedere ad una cella (slot) si utilizza un indice numerico intero Gli indici partono solitamente da 0 (ovvero la prima cella dell array è indicata dal numero 0)

29 Array v = [2, 4, 6, 8] // inizializzo con i valori tra parentesi quadre x = v[0] // x conterrà 2 y = v[3] // y conterrà 8 z = v[4] // errore: indice fuori dai limiti v[2] = 0 // l'array adesso sarà: [2, 4, 0, 8]

30 Record Un altro tipo di variabile non scalare è il record Un record può contenere valori relativi ad un entità Un record è composto da campi (fields) Si accede ai vari campi utilizzando la notazione punto (variabile.campo)

31 Record Supponiamo di voler creare un record che rappresenta una persona fisica Questo record conterrà i campi nome ed età p = {nome: "Mario", età: 35} // salva in p i dati relativi a Mario x = p.età // salva in x l'età (35) n = p.nome // salva in n il nome ("Mario") p.età++ // p è {nome: "Mario", età: 36} p.nome = "Luigi" // Mario è diventato Luigi

32 Controllo del flusso Nella forma più semplice, il flusso di un programma segue le istruzioni riga per riga Spesso è necessario modificare l ordine di esecuzione delle istruzioni nel caso di algoritmi più elaborati Esistono diversi costrutti per il controllo del flusso, ma quelli fondamentali sono di due tipi: alternativa iterazione

33 Alternativa Usando il costrutto alternativa possiamo eseguire blocchi di codice in base al verificarsi di una condizione logica Ne esistono due tipi: // semplice if (predicato) { blocco di istruzioni } // alternativa con else if (predicato) { blocco se predicato vero } else { blocco se predicato falso } Nello pseudocodice le graffe delimitano le istruzioni appartenenti al blocco

34 Alternativa Esempi if x == 42 { y = 2 // questa istruzione verrà eseguita se x è 42 } else { y = 10 } // altrimenti, il codice eseguito sarà questo if (x < 10) (z == 2) { y = 2 z = 18 }

35 Iterazione Il costrutto iterazione permettere di ripetere più volte un certo blocco di codice fintantoché il predicato è vero La ripetizione viene anche chiamata ciclo (o loop) while (predicato) { blocco } Il predicato viene anche chiamato condizione: il suo valore di verità è controllato una volta sola precedentemente all esecuzione della prima istruzione del blocco

36 Iterazione v = [ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ] n = 8 // lunghezza array i = 0 while i < n { v[i] = v[i] * 2 i++ } Quale sarà il contenuto di v al termine del ciclo?

37 Iterazione Spesso nei programmi si utilizza, per questioni pratiche, un ciclo infinito Basta utilizzare come predicato la costante true introdotta in precedenza while true { // ciclo infinito } Per interrompere l esecuzione del ciclo si utilizza l istruzione break

38 break Supponiamo di dover scrivere un videogioco in cui è presente un numero finito di vite e il gioco termina una volta esaurite le vite Lo pseudocodice avrà questa forma: numerovite = 3 while true { // codice che gestisce il gioco if numerovite == 0 { break } // codice che gestisce i controlli } // codice che mostra game over e termina la partita

39 Procedure Le procedure (o funzioni) permettono di richiamare blocchi di codice in determinati punti dello stesso programma o di programmi diversi Molte procedure sono fornite dai creatori del linguaggio di programmazione o da altri sviluppatori sotto forma di librerie (raccolte di procedure) Alcune procedure restituiscono un valore come risultato

40 Esempi di procedure // assegna ad y il risultato della funzione sqrt applicata a 9 y = sqrt(9) // assegna ad un valore casuale compreso tra 1 e 10 x = random(1, 10) if y == 3 { print(x) } else { abort() } // stampa a schermo il valore di x // termina il programma in maniera anomala

41 Procedure La dichiarazione di una procedura è caratterizzata da una parola chiave che ne precede il nome, dal nome della procedura e dai parametri in ingresso della procedura, racchiusi tra parentesi tonde Nello pseudocodice useremo la parola chiave func // dichiarazione: func somma3(a, b, c) { return a + b + c } // utilizzo: x = somma3(2, 4, 8) // x conterrà 14

42 Procedure func abs(a) { if a < 0 { return -a } return a } Che funzione matematica calcola questa procedura?

43 Algoritmo di Erone // definizione func sqrt(x) { t = y = random(1, x) while true { d = abs(y*y - x) if d < t { return y } y = (y + x/y) / 2 } } // media tra y e x/y // esempio d'uso y = sqrt(9)