Indice. Prefazione. 3 Oggetti e Java 53

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1 Indice Prefazione xv 1 Architettura dei calcolatori Calcolatori e applicazioni Alcuni esempi di applicazioni Applicazioni e interfacce Architettura dei calcolatori Hardware e software Macchina di von Neumann Tecnologia dei calcolatori Codifica dei dati Microprocessore Memoria centrale Memorie secondarie Il sistema operativo Architettura di un sistema operativo Calcolatori e programmazione 21 2 Oggetti software Programmi e programmazione Introduzione agli oggetti software Esempi di oggetti software L oggetto software System.out L oggetto software Math Un oggetto software per la lettura dalla tastiera Robot e labirinti Oggetti software Classi e costruzione di oggetti software Costruzione di oggetti software Componenti di una classe Esempi di classi La classe Math Le classi Robot e Labirinto Il linguaggio UML 50 3 Oggetti e Java 53

2 vi Indice 3.1 Introduzione alla programmazione in Java Il linguaggio di programmazione Java Classi Java Programmi Java API di Java Programmazione in Java Introduzione a Java (per esempi) Scrittore sullo schermo Calcolo di una radice quadrata Perimetro di un triangolo Lettura e somma di due numeri interi Robot in un labirinto Una classe per istanziare oggetti 82 4 Strumenti per la programmazione Strumenti per la programmazione Editing ed editor Compilazione e compilatori Esecuzione Compilatori e interpreti Compilazione ed esecuzione di programmi Java Java Development Kit Che cosa fare in pratica Errori di programmazione Ambienti integrati di sviluppo 97 5 Problemi, algoritmi e oggetti Problemi e algoritmi Comprensione del problema Identificazione di un algoritmo per il problema Dall algoritmo all oggetto Qualità degli algoritmi Introduzione agli algoritmi (per esempi) Un linguaggio per scrivere algoritmi Progettazione di algoritmi Problemi di ingresso-uscita Lettura e somma di due numeri interi Somma di una sequenza di numeri interi Lunghezza di una sequenza Somma dei pari e dei dispari in una sequenza Somma di una sequenza di dieci numeri Somma dei primi N numeri interi positivi Traccia dell esecuzione di un metodo o di un algoritmo La formula di Gauss Attraversamento di labirinti Attraversamento di labirinti lineari 132

3 Indice vii Attraversamento di labirinti Le basi del linguaggio Java Sintassi e semantica Introduzione alla sintassi di Java Introduzione alla semantica di Java Semantica delle espressioni Semantica delle istruzioni Sintassi, semantica ed errori Introduzione alle istruzioni di Java Leggibilità Stile e convenzioni di codifica Commenti Scelta dei nomi Indentazione Ordine delle istruzioni e delle dichiarazioni Repertorio di istruzioni Uso di oggetti Tipi ed espressioni Uso di oggetti Operazioni e messaggi Operazioni e metodi Invocazione di metodi Accesso a proprietà di oggetti Descrizione di oggetti e classi Descrizione di metodi Descrizione di metodi che restituiscono un valore Descrizione di variabili Selezione di metodi Creazione di oggetti e costruttori Variabili e assegnazione Variabili e assegnazione Variabili e aree di memoria Dichiarazione di variabili Assegnazione e accesso Costanti Variabili riferimento Errori di programmazione Classificazione degli errori Errori sintattici Errori di semantica statica Errori di semantica dinamica 194

4 viii Indice 10.5 Errori logici Discussione Tipi ed espressioni Tipi Espressioni Tipi primitivi per numeri interi Introduzione al tipo primitivo int Valutazione delle espressioni Rappresentazione dei numeri interi Altri tipi primitivi numerici interi Tipi primitivi per numeri reali La classe Math Conversione tra tipi Conversione implicita Conversione esplicita Il tipo primitivo char Algebra di Boole e tipo primitivo boolean Algebra di Boole Il tipo primitivo boolean Tipi riferimento e stringhe Tipi riferimento Stringhe e oggetti String Uso di variabili riferimento Uso di oggetti String Stringhe e tipi primitivi Conversione da tipi primitivi a stringhe Conversione da stringhe a tipi primitivi Il metodo charat Concatenazione di stringhe Confronto tra stringhe Sulla composizione dell invocazione di metodi Riferimenti e uguaglianza Il letterale null Istruzioni condizionali e blocco Introduzione alle istruzioni di controllo Istruzione condizionale if-else Blocco (istruzione composta) Istruzione condizionale if Istruzioni condizionali annidate Cascata di istruzioni if-else Il problema dell else mancante Uso di predicati complessi Linee guida 252

5 Indice ix Errori comuni Istruzioni ripetitive Istruzioni ripetitive Istruzione ripetitiva while Istruzione ripetitiva for Istruzione for con variabile contatore Istruzione ripetitiva do-while Confronto tra istruzioni ripetitive Linee guida Istruzioni ripetitive e cicli Errori comuni Ciclo infinito Errore di uno Istruzioni ripetitive annidate Terminazione precoce Definizione di metodi Introduzione alla definizione di metodi Definizione di un semplice metodo Uso di classi e metodi Metodi e variabili locali Metodi con parametri Metodi che restituiscono un valore Sovraccarico di nomi Auto-referenziazione Classi e applicazioni Visibilità delle variabili Programmazione strutturata (e non) Effetti collaterali Metodi di supporto Il modificatore private Legame dei parametri Legame dei parametri per valore Legame dei parametri per riferimento Linee guida Correttezza Introduzione alla correttezza Correttezza dei metodi Specifica di un metodo Correttezza di un metodo Correttezza e responsabilità Verifica di correttezza Test a scatola nera Test a scatola trasparente 331

6 x Indice Metodi di test Individuazione e correzione degli errori Test di un insieme di metodi Iterazione Accesso a sequenze Accumulazione Conteggio Verifica esistenziale Verifica universale Ricerca File di testo Definizione di classi Classi per istanziare oggetti Esempio: la classe Punto Variabili d istanza Accesso a variabili d istanza Metodi d istanza Costruttori Ulteriori aspetti nella definizione di classi Auto-referenziazione Il metodo tostring Il metodo equals Sovraccarico del costruttore Metodi di classe Variabili di classe Classi e oggetti Occultamento dell informazione Esempio: la classe Rettangolo Classi per oggetti dati Array Il problema degli studenti da promuovere Array Array in Java Uso di array Dichiarazione di variabili array e tipi array Creazione di array Accesso a un array Il problema degli studenti da promuovere Lunghezza di un array Array e metodi Letterali array Array e accesso posizionale Somma degli elementi di un array 393

7 Indice xi Visualizzazione degli elementi di un array Calcolo del massimo elemento di un array di interi Verifica se un array è crescente Coppia di elementi uguali Array paralleli Clonazione di array Uguaglianza tra array Elementi positivi di un array di interi Array e oggetti Parametro del metodo main Ricerca sequenziale Ricerca binaria Fusione di sequenze ordinate Array di array Array bidimensionali Creazione e uso di array bidimensionali Array di array Gestione di array di array Visualizzazione degli elementi di un array di array Somma degli elementi di un array di array Uguaglianza tra array di array Clonazione di array di array Modello runtime Modello runtime e gestione della memoria Esecuzione di metodi e costruttori Esecuzione di metodi: un esempio Esecuzione di metodi: discussione Gestione degli oggetti Gestione di oggetti: un esempio Gestione di oggetti: discussione Vita delle variabili Ricorsione Definizioni induttive Definizione induttiva di insiemi Definizione induttiva di funzioni Metodi ricorsivi Definizione di metodi ricorsivi Esecuzione di metodi ricorsivi Progettazione di metodi ricorsivi Errori comuni Ricorsione lineare e non lineare Tipi ricorsivi Tipi ricorsivi e metodi ricorsivi 462

8 xii Indice 22.4 Ricorsione e stringhe Ricorsione e array Ricerca binaria Quando usare (o non usare) la ricorsione Complessità Complessità dei metodi Modello di costo Analisi di caso peggiore Complessità asintotica Modello di costo asintotico Operazione dominante Complessità di algoritmi e problemi Complessità della ricerca in un array Complessità della ricerca sequenziale Complessità della ricerca binaria Discussione Ordinamento Ordinamento di un array Ordinamento di array e API di Java Ordinamento per selezione Complessità dell ordinamento per selezione Ordinamento a bolle Complessità dell ordinamento a bolle Ordinamento per inserzione Complessità dell ordinamento per inserzione Ordinamento per fusione Complessità dell ordinamento per fusione Ordinamento veloce Complessità dell ordinamento veloce Risultati sperimentali Ereditarietà epolimorfismo Estensione di classi Polimorfismo L operatore instanceof Conversione esplicita La classe Object Estensione di classi e progettazione di classi Il modificatore protected Classi astratte Interfacce Collezioni Introduzione al Java Collections Framework 527

9 Indice xiii 26.2 Collezioni Insiemi Iteratori Liste Mappe Interfacce grafiche Interfacce grafiche La classe JFrame Componenti Struttura di un interfaccia grafica Gestori di layout Eventi, sorgenti e ascoltatori Gestione di eventi Gestione di più sorgenti di eventi Programmazione ad eventi Programmazione visuale 555

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11 Prefazione L informatica è la disciplina che si occupa, sia dal punto di vista scientifico che da quello tecnologico, del trattamento automatico delle informazioni, che avviene mediante l elaborazione dei dati. Da una parte, dunque, l informatica si occupa della rappresentazione delle informazioni mediante dati, che sono informazioni elementari. Ad esempio, il sistema informatico di una università deve mantenere informazioni circa i suoi studenti, che poi si concretizzano, in pratica, mediante dati come i nomi e le matricole degli studenti. Dall altra parte, l informatica si occupa dell elaborazione di queste informazioni, per memorizzarle e ritrovarle oppure per produrre nuove informazioni. Ad esempio, il sistema informatico dell università deve consentire di memorizzare nuove informazioni circa gli esami sostenuti dagli studenti, ma anche di produrre le relative certificazioni. L informatica è una disciplina scientifica; è la scienza del trattamento dell informazione, che studia nozioni come le informazioni, i problemi e gli algoritmi, ad un livello astratto, concettuale e metodologico, con formalismi ispirati alla logica e alla matematica. L informatica è anche una disciplina tecnologica; èla tecnologia dell elaborazione dei dati, che si occupa della gestione dei dati e della realizzazione dei programmi, ad un livello concreto, pragmatico, tecnologico, legato al calcolatore. Fondamenti di informatica: Oggetti e Java Questo libro fornisce un introduzione all informatica ed alla programmazione orientata agli oggetti. Esso è principalmente rivolto agli studenti di corsi universitari di informatica dei primi anni di facoltà di discipline scientifiche. Come testo di fondamenti di informatica, vengono presentati i principali aspetti dell informatica come disciplina per la soluzione automatica di problemi, quali l architettura dei calcolatori e gli elementi di base della programmazione, nonché aspetti metodologici e qualitativi, come la progettazione di algoritmi, la correttezza e la complessità. L obiettivo è fornire al lettore degli strumenti, sia tecnologici che metodologici e culturali, che siano efficaci e duraturi per affrontare in modo flessibile la rapida evoluzione tecnologica dell informatica. Questo testo parla anche di oggetti; nella programmazione a oggetti, un oggetto è un componente software. Il lettore apprenderà primaausare degli oggetti già disponibili, conoscendone il funzionamento esterno ma ignorandone le caratteristiche interne, e poi a realizzare dei nuovi oggetti, comprendendone le carat-

12 xvi Prefazione teristiche interne e le modalità di sviluppo. Questo testo segue un approccio a oggetti, nel senso che molti concetti vengono dapprima descritti dall esterno, per comprendere come si usano, e poi dall interno, per comprendere come funzionano e quali sono le relazioni tra caratteristiche interne ed esterne. Questo testo è un introduzione alla programmazione, e in particolare alla programmazione orientata agli oggetti. Esso presenta, in modo equilibrato, sia gli aspetti tradizionali della programmazione imperativa e strutturata, come l uso delle istruzioni di controllo, che gli aspetti più moderni della programmazione a oggetti, come l uso di oggetti e la definizione di classi. Il linguaggio di programmazione utilizzato in questo testo è Java. Si tratta di un linguaggio di programmazione moderno, che consente di presentare sia gli aspetti della programmazione strutturata che quelli della programmazione a oggetti. Tuttavia, questo non è un testo sulla programmazione in Java; il linguaggio Java, di cui tra l altro vengono presentate solo le caratteristiche principali, viene utilizzato come mezzo per illustrare i concetti, e non come fine. Il libro è ricco di esempi, illustrazioni ed esercizi, ma anche di linee guida e indicazioni dei principali errori comuni, per introdurre il lettore nel mondo della programmazione a oggetti con il linguaggio Java. Contenuti e uso didattico I contenuti di questo testo possono essere logicamente suddivisi in varie tematiche, come segue. 1. Il funzionamento e l architettura dei calcolatori, presentati come strumenti programmabili in grado di memorizzare ed elaborare dati (Capitolo 1). 2. Una panoramica introduttiva alla programmazione orientata agli oggetti e alla risoluzione di problemi (Capitoli da 2 a 5). 3. Una presentazione dettagliata sull uso di oggetti e sugli aspetti fondamentali della programmazione strutturata, nonché un introduzione alla verifica di correttezza dei programmi (Capitoli da 6 a 17). Questi capitoli forniscono al lettore una semantica precisa degli elementi fondamentali della programmazione. 4. Gestione di array (Capitoli 19 e 20). 5. Un introduzione al modello di esecuzione dei programmi e alla tecnica di programmazione della ricorsione (Capitoli 21 e 22). 6. Studio di alcuni algoritmi classici su array, di ricerca e ordinamento, anche con riferimento all efficienza e alla complessità dei programmi (Capitoli 19, 23 e 24). 7. Un introduzione alla programmazione orientata agli oggetti, in cui viene presentata la definizione di classi, l ereditarietà e il polimorfismo, nonché laloro applicazione nel contesto della gestione di collezioni e in quello della programmazione di interfacce grafiche (Capitoli 18 e da 25 a 27). Questo testo può essere utilizzato in corsi universitari di Fondamenti di informatica in modo abbastanza flessibile. Può essere usato, nella sua completezza, per

13 Prefazione xvii corsi per complessivi crediti formativi universitari oppure, in modo parziale, per un numero di crediti inferiore. Sono possibili diversi percorsi formativi. Con riferimento alla suddivisione in tematiche indicata in precedenza, la presentazione delle prime tre tematiche è fondamentale, e su di esse è possibile basare un corso di 5-6 crediti. La quarta e quinta tematica, insieme allo studio della definizione di classi (Capitolo 18), costituisce materiale per ulteriori 3-4 crediti. Infine, la sesta e la settima tematica riguardano contenuti tra loro indipendenti, e ciascuna di esse può essere usata per erogare degli ulteriori 1-2 crediti. Vale la pena ricordare che un credito formativo universitario (CFU) corrisponde a circa 25 ore complessive di studio, che normalmente vengono suddivise in circa 10 ore di didattica frontale (lezioni ed esercitazioni) e circa 15 ore di studio individuale. Il lettore è invitato a suddividere questo tempo dedicato allo studio individuale in modo equo tra studio tradizionale (libro, carta e penna) e studio al calcolatore (per verificare in pratica quanto studiato e per risolvere gli esercizi proposti). Materiale didattico aggiuntivo Materiale didattico di supporto e aggiuntivo a questo testo è disponibile presso il seguente sito web: In particolare sono disponibili: una libreria di classi chiamata fiji di supporto alla programmazione in Java, sviluppata appositamente per questo testo, con la relativa documentazione; il codice sorgente per gli esempi mostrati nel testo; le soluzioni di alcuni esercizi proposti nel testo, nonché degli ulteriori esercizi. Per i docenti sono disponibili anche dei lucidi che possono essere usati durante l erogazione di un corso basato su questo testo. Per segnalazioni di errori e per altri suggerimenti, l Autore può essere contattato attraverso il sito stesso. Esperienze e ringraziamenti L organizzazione e i contenuti di questo testo riflettono l esperienza didattica dell Autorein corsidi Fondamenti di informaticatenuti pressola Facoltà di Ingegneria dell Università di Roma Tre a partire dal Alla concezione di questo testo hanno contribuito, direttamente o indirettamente, numerosi colleghi e collaboratori, tra cui Alfonso Miola, Giuseppe Di Battista, Giuseppe Liotta, Paolo Atzeni, Paolo Merialdo, Valter Crescenzi, Carla Limongelli, Maurizio Patrignani, Maurizio Pizzonia, Walter Didimo, Fabio Vernacotola e Michele Ricciardi. A ciascuno di essi, nonché a coloro che ho dimenticato, va il mio più sincero ringraziamento. Soprattutto, sono debitore nei confronti dei miei numerosi studenti che nel corso degli anni, pur apprezzando il materiale

14 xviii Prefazione didattico da me prodotto costituito da dispense spesso incomplete e contenenti errori, hanno contributo alla crescita e all evoluzione di quel materiale e mi hanno spinto a completare questo testo. Ringrazio anche tutti i collaboratori della McGraw-Hill che mi hanno sostenuto, con molta pazienza, nella realizzazione di questo libro, e in modo particolare Rossana Cecchi, Chiara Tartara e Alessandra Porcelli. Voglio infine ringraziare mia moglie Paola e i miei figli Matteo e Gabriele, a cui è dedicata quest opera. Luca Cabibbo