Sommario. Esempi di algoritmi. Il concetto di algoritmo. Sistemi Informativi in Rete Fondamenti di programmazione dei calcolatori

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1 Sommario Sistemi Informativi in Rete Fondamenti di programmazione dei calcolatori Introduzione Il concetto di algoritmo I linguaggi di programmazione La programmazione dei calcolatori in Java III Facoltà di Architettura Sede Bovisa Gianpaolo Cugola Dipartimento di Elettronica e Informazione cugola@elet.polimi.it cugola Gianpaolo Cugola 2 Il concetto di algoritmo Esempi di algoritmi Algoritmo: sequenza di passi, definiti con precisione e chiaramente comprensibili per l esecutore, che portano alla realizzazione di un compito Le istruzioni di montaggio di un modellino Le istruzioni di istallazione di un software La procedura per il calcolo del massimo comune divisore di un insieme di numeri interi Una ricetta di cucina Gianpaolo Cugola 3 Gianpaolo Cugola 4

2 Caratteristiche degli algoritmi: Precisione In un algoritmo i singoli passi devono essere indicati con precisione e la sequenza non deve dare adito a fraintendimenti Un controesempio: In una ricetta: sale q.b. Caratteristiche degli algoritmi: Comprensibilità In un algoritmo i singoli passi devono essere chiaramente comprensibili per l esecutore La comprensibilità dipende dall esecutore Un controesempio: Le istruzioni di istallazione di un elettrodomestico in una lingua sconosciuta all utente Gianpaolo Cugola 5 Gianpaolo Cugola 6 Caratteristiche degli algoritmi: Correttezza Un algoritmo è corretto se perviene alla soluzione del compito cui è preposto senza difettare di alcun passo fondamentale Un controesempio: Se nelle istruzioni di istallazione di un elettrodomestico viene omessa la verifica della tensione è possibile che un utente disattento inserisca la spina senza verificare e causi un cortocircuito Caratteristiche degli algoritmi: Efficienza Un algoritmo è efficiente se perviene alla soluzione del problema nel minor tempo possibile e/ o usando la minima quantità di risorse fisiche Un controesempio: N on è efficiente una ricetta la cui sequenza di istruzioni, una volta realizzata, ci costringa a scaldare di nuovo delle pietanze che avevamo precedentemente cotto N on è efficiente una ricetta che porti ad uno spreco di ingredienti Gianpaolo Cugola 7 Gianpaolo Cugola 8

3 Un esempio: somma di due numeri con un pallottoliere Si deve scrivere un algoritmo per la somma di due numeri mediante pallottoliere Il numero indicato da ogni fila del pallottoliere è rappresentato da altrettante palline poste sulla sinistra della fila. Le palline non utilizzate sono poste a destra Ipotesi semplificatrici: Supponiamo che il primo addendo sia rappresentato dalla prima fila di palline, il secondo dalla seconda fila e il risultato debba essere rappresentato dalla terza fila Supponiamo anche che il numero di palline sia sempre sufficiente Somma di due numeri con il pallottoliere: soluzione Si sposti una pallina da sin. a des. sulla prima fila e contemporaneamente si sposti una pallina da des. a sin. sull ultima fila Si ripeta il passo precedente fino all esaurimento delle palline sulla prima fila Si sposti una pallina da sin. a des. sulla seconda fila e contemporaneamente si sposti una pallina da des. a sin. sull ultima fila Si ripeta il passo precedente fino all esaurimento delle palline sulla seconda fila Il numero di palline che si trova sulla sin. sulla terza fila rappresenta il valore cercato Gianpaolo Cugola 9 Gianpaolo Cugola 10 La soluzione precedente è un algoritmo? Ci si può chiedere se la soluzione precedente rappresenti veramente un algoritmo Possiamo osservare che: La procedura consiste nell esecuzione di un insieme limitato e semplice di operazioni elementari Scelta di una fila Spostamento di una pallina Controllo se una riga sia vuota Qualsiasi esecutore capace di compiere tali operazioni elementari è capace di eseguire l algoritmo Esercizio Si scriva un algoritmo per cercare il numero di telefono di una persona noto nome, cognome e indirizzo usando l elenco telefonico Suggerimenti: Usare una scomposizione per passi Considerare anche il caso in cui la persona non sia in elenco Provare a descrivere diverse procedure di ricerca Gianpaolo Cugola 11 Gianpaolo Cugola 12

4 Algoritmi e calcolatori Le istruzioni macchina I calcolatori elettronici sono i più diffusi esecutori automatici di algoritmi N el caso dei calcolatori elettronici gli algoritmi sono descritti da programmi scritti in un opportuno linguaggio comprensibile al calcolatore detto linguaggio macchina Tale linguaggio differisce nei suoi dettagli da calcolatore a calcolatore Per essere più precisi da processore a processore D altra parte è possibile individuare un insieme di caratteristiche comuni a tutti i linguaggi macchina Gianpaolo Cugola 13 Un programma scritto in linguaggio macchina è formato da una sequenza di istruzioni appartenenti al set di istruzioni del particolare processore Ogni istruzione è formata da: Un codice operativo Zero o più operandi Tanto il codice operativo quanto gli operandi sono rappresentati nella memoria del calcolatore sotto forma di numeri binari Gianpaolo Cugola 14 Classi di istruzioni Un ipotetico linguaggio macchina Il set di istruzioni di un qualsiasi linguaggio macchina può essere diviso in quattro classi principali di istruzioni: Istruzioni per il trasferimento dati tra memoria e registri del processore e viceversa Operazioni aritmetiche e logiche sui dati Istruzioni per il controllo del flusso di programma Istruzioni per la gestione dell I/ O Consideriamo un ipotetico processore semplificato con due soli registri A e B N el seguito descriveremo alcune possibili istruzioni macchina per tale processore E faremo alcuni esempi di programmi scritti usando tale linguaggio Gianpaolo Cugola 15 Gianpaolo Cugola 16

5 Le istruzioni per il trasferimento dati tra registri e memoria Le istruzioni loada e loadb servono per spostare il contenuto di una cella di memoria nei registri A e B rispettivamente Esempio: loada ind1 Le istruzioni storea e storeb servono per spostare il contenuto dei registri A e B rispettivamente in una cella di memoria il cui indirizzo è indicato come parametro Esempio: storea ind1 Le operazioni aritmetiche Il linguaggio macchina in esame fornisce le seguenti istruzioni per lo svolgimento delle operazioni aritmetiche di base Operazioni su interi: add, dif, mul, div Operazioni su reali: addr, difr, mulr, divr Le istruzioni operano sui registri A e B e pongono il risultato nel registro A N el caso di divisione tra interi il registro B viene usato per contenere il resto dell operazione Gianpaolo Cugola 17 Gianpaolo Cugola 18 Le operazioni logiche Le operazioni di I/O Il linguaggio macchina in esame fornisce le seguenti istruzioni per lo svolgimento delle operazioni logiche di base and, or, not Le istruzioni operano sui registri A e B e pongono il risultato nel registro A N el caso di operazione not viene usato il solo registro A L istruzione read legge un dato dalla periferica di input e pone il dato letto nella cella di memoria il cui indirizzo viene passato come parametro Esempio: read ind1 L istruzione write scrive il dato presente nella cella di memoria il cui indirizzo viene passato come parametro sulla periferica di output Esempio: write ind1 Gianpaolo Cugola 19 Gianpaolo Cugola 20

6 Le istruzioni per il controllo del flusso - 1 L istruzione di salto incondizionato jump salta all indirizzo specificato come parametro L istruzione di salto condizionato jumpz salta all indirizzo specificato come parametro se l ultima operazione matematica ha dato risultato nullo Il processore controlla il valore del registro di stato del processore Il salto viene effettuato solo se il bit di zero vale 1 Le istruzioni per il controllo del flusso - 2 L istruzione jsr salta ad una subroutine A differenza della jump viene conservata in una apposita zona di memoria (lo stack) l indirizzo dell istruzione successiva alla jsr L istruzione rts ritorna da una subroutine Il valore della prima cella dello stack viene utilizzato per impostare il valore del program counter (e poi rimosso dallo stack) Gianpaolo Cugola 21 Gianpaolo Cugola 22 Altre istruzioni I linguaggi reali L istruzione halt termina l esecuzione del programma Il linguaggio presentato utilizza solo 22 istruzioni Sono sufficienti 5 bit per codificare tutti i codici operativi Il linguaggio presentato manca di numerose istruzioni rispetto ad un linguaggio macchina reale Il set di istruzioni del VAX della Digital include oltre 300 istruzioni Gianpaolo Cugola 23 Gianpaolo Cugola 24

7 I programmi Un esempio di programma Un programma consiste di due parti La parte istruzioni contenente il codice del programma La parte dati costituita dalle celle di memoria destinate a contenere i dati sui quali il programma opera Il processore esegue un programma dalla prima istruzione fino all istruzione halt Il programma deve acquisire due numeri interi da terminale e stamparne il prodotto a video Codice: 0 read 8 1 read 9 2 loada 8 3 loadb 9 4 mul 5 storea 8 6 write 8 7 halt 8 int 9 int Gianpaolo Cugola 25 Gianpaolo Cugola 26 Esercizio I linguaggi di alto livello Si usi il linguaggio precedente per scrivere un programma che legge due numeri A e B e scrive a video B volte il primo numero A Si usi il linguaggio precedente per scrivere un programma che legge due numeri A e B e scrive a video il prodotto di A per B N on si faccia uso dell istruzione mul ma delle sole istruzioni add e dif La programmazione in linguaggio macchina è improponibile per programmi di una certa complessità Troppo difficile scrivere direttamente numeri binari Le singole istruzioni sono troppo poco potenti algoritmi troppo complessi anche per i compiti più semplici Per ovviare a tale problema, a partire dalla seconda metà degli anni 50 sono stati sviluppati dei linguaggi di alto livello più semplici da utilizzare Il calcolatore continua ad eseguire solo il linguaggio macchina il trucco risiede nella disponibilità di appositi programmi capaci di tradurre i linguaggi di alto livello in linguaggio macchina Gianpaolo Cugola 27 Gianpaolo Cugola 28

8 Linguaggi di alto livello alcune possibili classificazioni Una classificazione in base al meccanismo di esecuzione Linguaggi interpretati Linguaggi compilati Una classificazione in base al paradigma di programmazione Linguaggi procedurali Linguaggi funzionali Linguaggi logici Linguaggi orientati agli oggetti Una ulteriore classificazione (valida per linguaggi procedurali) Linguaggi tipizzati Linguaggi non tipizzati Gianpaolo Cugola 29 Linguaggi compilati e interpretati Il calcolatore capisce solo il linguaggio macchina I programmi scritti in linguaggi di alto livello devono essere tradotti in linguaggio macchina prima di essere eseguiti Di ciò si occupa il compilatore In alternativa, alcuni linguaggi di alto livello hanno associato un interprete Si tratta di un programma capace di capire quel particolare linguaggio e di eseguirne i programmi Traducendo in linguaggio macchina ogni istruzione via via che la si incontra durante l esecuzione Gianpaolo Cugola 30 Linguaggi compilati e interpretati Linguaggi compilati e interpretati sorgente codifica eseguibile (linguaggio macchina) compilazione sorgente codifica Il Fortran, Ada, il C, il C++ e la maggior parte dei linguaggi utilizzati in ambito industriale sono linguaggi compilati TCL, Python, Perl, Basic, JavaScript sono linguaggi interpretati N el caso di JavaScript l interprete è parte del browser esecuzione esecuzione tramite interprete Gianpaolo Cugola 31 Gianpaolo Cugola 32

9 Una strada intermedia tra compilazione e interpretazione Java è un linguaggio particolare Viene compilato in un linguaggio intermedio (il java byte code) Che viene interpretato dalla Java Virtual Machine Questo al fine di garantire indipendenza dalla piattaforma Lo stesso programma java, una volta compilato in java byte code può essere eseguito su qualsiasi piattaforma per la quale sia disponibile una JVM Lo stesso approccio è stato seguito da Microsoft con C# Java: un po linguaggio compilato, un po linguaggio interpretato sorgente Java codifica eseguibile (java byte code) compilazione esecuzione tramite interprete del java byte code Gianpaolo Cugola 33 Gianpaolo Cugola 34 I linguaggio procedurali Variabili e procedure Sono i più vicini al linguaggio macchina Come i linguaggi macchina forniscono: Istruzioni matematiche Istruzioni di I/ O Istruzioni per il controllo di flusso Si basano sui concetti di variabile e procedura Variabile: Si tratta di un astrazione sul concetto di cella di memoria Ogni variabile ha un nome e, nel caso di linguaggi tipizzati, anche un tipo Esempio: var a; int j; Procedura: Una procedura (o funzione) realizza una certa operazione Opera su un insieme di parametri e restituisce un valore in uscita Esempio (JavaScript): function prodotto(i, j) { var risultato = 0; while(j > 0) { risultato = risultato + i; j = j - 1; } return risultato; } Si noti la differenza rispetto al concetto di variabile presente in matematica Gianpaolo Cugola 35 Gianpaolo Cugola 36

10 I linguaggi funzionali I linguaggi logici Si basano sul concetto di funzione inteso in senso matematico Una funzione in un linguaggio funzionale opera su dei valori per produrre un nuovo valore N on ha effetti collaterali N on esiste un concetto di variabile come astrazione sulla cella di memoria Esempio (lisp): (defun prodotto (i j) (if (= j 0) 0 (+ i (prodotto i (- j 1))) ) ) Gianpaolo Cugola 37 Si basano sulla logica del primo ordine E possibile asserire dei fatti e delle regole di deduzione Esempio: prodotto(i, 0, 0). prodotto(i, 1, I). prodotto(i, J, R) :- X is J - 1, prodotto(i, X, S), R is S + I. Gianpaolo Cugola 38 Dai linguaggi procedurali ai linguaggi orientati agli oggetti I linguaggi procedurali sono centrati sui concetti di variabile e procedura Un linguaggio OO è centrato sui concetti di classe e oggetto Un programma scritto in un linguaggio OO consiste di oggetti che interagiscono Esempio: Un programma per gestire i conti correnti di una banca conterrà oggetti di tipo, Customer, Transaction, ATM,... Ogni oggetto è istanza di una certa classe che rappresenta il tipo di quell oggetto Oggetti e stati Ogni oggetto, in ogni istante dell esecuzione del programma, è caratterizzato da uno stato Lo stato di un oggetto è dato dal valore degli attributi dell oggetto Lo stato cambia nel tempo nome dell oggetto nome e valore degli attributi account1 number = 3267 balance = nome della classe di cui l oggetto è istanza account1 deposit number = 3267 balance = nuovo valore Gianpaolo Cugola 39 Gianpaolo Cugola 40

11 Classi e istanze Messaggi e metodi In un programma scriviamo istruzioni per creare nuovi oggetti quando necessario Per creare un oggetto dobbiamo darne una definizione attraverso una classe Una classe definisce un insieme di oggetti simili Una classe è una sorta di stampo per creare nuovi oggetti Un oggetto è detto istanza della classe che abbiamo usato come stampo per crearlo Si dice anche che l oggetto appartiene alla classe nome della classe account1 account2 relazione di istanziazione Gianpaolo Cugola 41 In un programma OO si costruiscono oggetti e li si istruiscono a svolgere dei compiti Per istruire una classe o un oggetto a svolgere dei compiti gli inviamo un messaggio In risposta ad un messaggio viene eseguito un metodo Un metodo è la sequenza di istruzioni che la classe o l oggetto eseguono per svolgere il compito richiesto Gianpaolo Cugola 42 Messaggi e metodi: esempio new deposit getmonthlyfee deposit account1 number = 3267 balance = montlyfee = 5.0 deposit account2 number = 3268 balance = 0.0 montlyfee = 5.0 getmonthlyfee new è un metodo di classe deposit e getmonthlyfee sono metodi di istanza Ancora su messaggi e metodi Tutte le istanze di una stessa classe hanno gli stessi metodi Ciò significa che possono gestire gli stessi messaggi Per questo indichiamo graficamente i metodi di istanza dentro la classe 5.0 getmonthlyfee Gianpaolo Cugola 43 Gianpaolo Cugola 44

12 Metodi di classe e di istanza Stato e attributi I metodi di istanza modificano o leggono lo stato dell istanza a cui sono inviati i corrispondenti messaggi Se esiste un metodo di istanza m è possibile inviare un messaggio m a qualsiasi istanza ma non alla classe corrispondente I metodi di classe agiscono sulla classe e non sulle singole istanze I metodi di classe non possono accedere allo stato delle istanze I metodi di classe, di norma, codificano operazioni relative a tutte le istanze di una classe o a nessuna (è questo il caso del metodo new) Gianpaolo Cugola 45 Lo stato di un oggetto in ogni istante è dato dal valore dei suoi attributi Tutti le istanze della stessa classe hanno gli stessi attributi (numero, nome e tipo) I valori degli attributi possono differire da istanza a istanza Esempio: account1 number = 3267 balance = account2 number = 3270 balance = Gianpaolo Cugola 46 Attributi di classe e di istanza Gli attributi fin quì visti sono detti attributi di istanza Gli attributi di istanza di istanze diverse possono avere valori diversi Alcuni dati sono tipici della classe più che delle singole istanze Esempio: il valore minimo consentito per un conto corrente. E uguale per tutti i conti correnti di una banca In questo caso si parla di attributi di classe Gianpaolo Cugola 47 Attributi di classe e di istanza: esempio 12.0 new deposit setminbalance getminbalance minbalance = deposit account1 number = 3267 balance = montlyfee = 5.0 setminbalance getminbalance deposit account2 number = 3268 balance = 0.0 montlyfee = 5.0 setminbalance getminbalance 12.0 Gianpaolo Cugola

13 Regole generali Esercizi Metodi di classe possono leggere e scrivere solo attributi di classe Messaggi associati a metodi di classe possono essere inviati alla classe o ad una qualsiasi istanza Metodi di istanza possono leggere e scrivere tanto attributi di classe quanto attributi di istanza Messaggi associati a metodi di istanza possono essere inviati solo alle istanze Gianpaolo Cugola 49 Si disegni un diagramma degli oggetti per la classe Automobile e tre auto a1, a2 e a3 Si identifichino metodi e attributi di istanza e di classe L attributo nummaxruote è un attributo di classe o di istanza? Si ripeta l esercizio precedente per la classe CD e per 2 istanze della classe Si provino ad identificare quali classi ed oggetti (con i relativi attributi e metodi) siano utili per un programma che deve mantenere un catalogo di CD Per ogni CD si vuole memorizzare i dati relativi all autore (nome, cognome,...) ed i dati relativi alle canzoni memorizzate (titolo e durata) Suggerimento: serve una classe Catalogo avente l attributo insiemedicd Gianpaolo Cugola 50 Ereditarietà - 1 Ereditarietà - 2 In un programma OO è spesso necessario considerare oggetti simili ma diversi per certi aspetti Esempio: conti correnti e conti di risparmio Si potrebbe usare un unica classe che raccolga tutti gli attributi utili Tanto quelli comuni a tutti i conti, quanto quelli tipici dei soli conti correnti, quanto quelli tipici dei soli conti di risparmio Oppure due classi distinte con duplicazione degli attributi comuni In entrambi i casi non avremmo un buon progetto Soluzione: usare l ereditarietà Una classe può estenderne un altra Ereditandone gli attributi e i metodi e aggiungendo altri attributi e metodi Si parla di sopraclasse e sottoclasse Checking attributi e metodi specifici attributi e metodi comuni Saving attributi e metodi specifici Gianpaolo Cugola 51 Gianpaolo Cugola 52

14 Esercizio Si progetti una gerarchia di ereditarietà per le classi: Person, Friend, ProfessionalContact, Student da usare in un programma per gestire un indirizzario Gianpaolo Cugola 53