Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

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1 Corso di Fondamenti di Informatica Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica (A-K) Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello Ing. Agnese Pinto 1 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

2 Sommario Obiettivi della programmazione in linguaggi di alto livello La macchina astratta C Struttura di un programma in C Istruzioni principali del linguaggio C Esempi di programmi in quasi C 2 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

3 Linguaggi di alto livello Colmano il gap tra i due requisiti fondamentali di un linguaggio per la descrizione di algoritmi: Precisione ed assenza di ambiguità interpretativa per l esecuzione di operazioni (requisito richiesto dalla macchina) Sintesi per la facilità di comprensione del programmatore (requisito richiesto dall uomo) Vantaggi: Possibilità di riferirsi agli elementi del programma (celle di memoria, istruzioni, valori costanti) con identificatori (nomi simbolici) Es. a cella di memoria Possibilità di esprimere le istruzioni e il controllo della sequenza della loro esecuzione in modo vicino al linguaggio naturale 3 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

4 Macchina astratta C La macchina astratta del (nucleo) del linguaggio C è: in grado di comprendere ed eseguire programmi in C un astrazione della macchina di Von Neumann 4 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

5 Macchina astratta C Componenti: CPU Memoria centrale: divisa in celle elementari, contenenti un dato (valore numerico o carattere), con numero di bit variabile Bus Astrazione delle interfacce con le periferiche: Standard Input: unica unità di ingresso diviso in celle elementari, contenenti un dato (valore numerico o carattere), con numero di bit variabile Standard Output: unica unità di uscita diviso in celle elementari, contenenti un dato (valore numerico o carattere), con numero di bit variabile 5 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

6 Elementi e terminologia di base Stringa: successione finita di caratteri, supposti immagazzinati in celle consecutive Variabili: contenitore di informazioni - celle di memoria, il cui contenuto può cambiare durante l esecuzione del programma Identificatori simbolici: successione di lettere e cifre (come separatore si usa il simbolo _ ), che comincino per lettera N.B. il C è case sensitive Identificatori predefiniti e riservati: associati a priori ad elementi del linguaggio e non utilizzabili per le variabili Parole chiave: altri termini del linguaggio predefiniti e riservati 6 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

7 Struttura di un programma in C Un programma C è composto da un intestazione seguita da una sequenza di istruzioni racchiusa tra i simboli { e } L intestazione è costituita dall identificatore predefinito main seguito da una coppia di parentesi ( ) (che conterranno i parametri da passare al programma) Le istruzioni corrispondono a costrutti (statement) del linguaggio di programmazione; ognuna di esse termina con il simbolo ; 7 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

8 C: principali istruzioni 1. Istruzioni di sequenza: Istruzioni di assegnamento x = 23; x = x+1; w = 'a'; y = z; area_trap = (base_min+base_mag)*h/2; Istruzioni di ingresso e uscita scanf(): identificatore predefinito di input; le parentesi contengono informazioni relative alla variabile da leggere printf(): identificatore predefinito di output; le parentesi contengono informazioni relative alla variabile da scrivere printf((a-z)/10); temp = (a-z)/10; printf(temp); printf( a ); printf( alfa ); printf( a ); printf( l ); printf( f ); printf( a ); 8 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

9 Istruzioni composte 2. Istruzioni composte (diramazioni e cicli) producono effetti diversi a seconda del verificarsi o meno di condizioni sul valore delle variabili condizione (espressione booleana): espressione su variabili booleane il cui valore può essere vero o falso costruita tramite: operatori relazionali (==;!=; <; >; <=; >=) operatori logici (!; ; &&) esempi: x == 0 alfa > beta && x!= 3!((a + b)*3 > x a < c) 9 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

10 Diramazioni e cicli 2.1 Istruzioni di diramazione (o selezione) if(x == 0) z = 5; else y = z + w*y; if(x == 0) {z = 5;} else {y = z + w*y;} if ((x+y)*(z-2) > (23+v)) {z = x + 1; y = 13 + x;} if ((x == y && z >3) w!= y) z = 5; else {y = z + w*y; x = z;} Istruzioni di selezione non corrette: if (x == 0) else y = z; y = 34; if (x == 0) a; else b + c; 10 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

11 Diramazioni e cicli 2.2 Istruzioni di ciclo (o loop o iterazione) while (x >= 0) x = x 1; while (z!= y) {y = z x; x = x*3;} 11 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

12 Esempi in pseudo C main() { scanf(x); scanf(y); if (x > y) z = x; else z = y; printf(z); } /*Programma NumeroMaggiore prima versione */ /*Programma NumeroMaggiore seconda versione */ main() { scanf(x); scanf(y); if (x > y) printf(x); else printf(y); } 12 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

13 Esempi in pseudo C main() { zero = 0; scanf (dato); while (dato!=0) } scanf(dato); printf( uno ); /*ProgrammaCercaIlPrimoZero */ 13 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

14 Esempi in pseudo C /*ProgrammaSommaSequenza */ main() { somma = 0; scanf(numero); while (numero!= 0) { somma = somma + numero; scanf(numero); } printf(somma); } 14 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

15 Esempi in pseudo C main() { scanf(x); scanf(y); scanf(z); /*Programma per la valutazione di un triangolo */ /*Lettura dei dati di ingresso */ } /*Verifica che i dati possano essere le lunghezze dei lati di un triangolo */ if ((X < Y + Z) && (Y < X + Z) && (Z < X + Y)) /*Distinzione tra i vari tipi di triangolo */ if (X == Y && Y == Z) printf("i dati letti corrispondono a un triangolo equilatero"); else if (X == Y Y == Z X == Z) printf("i dati letti corrispondono a un triangolo isoscele"); else printf("i dati letti corrispondono a un triangolo scaleno"); else printf("i dati letti non corrispondono ad alcun triangolo"); 15 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

16 Variabili strutturate Arricchiscono il corredo di base della macchina astratta C Consentono di trattare l informazione aggregata 16 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

17 Variabili strutturate: array Array: sequenza di celle di memoria consecutive ed omogenee identificabile come una qualsiasi altra variabile composto da elementi che sono a loro volta variabili, accessibili mediante un indice (in C il primo elemento di ogni array è sempre lo 0-esimo) elemento indicato tra parentesi quadre dopo l identificatore dell array esempi: scanf(s[2]); a[3] = s[1] + x; if (a[4] > s[1] + 3) s[2] = a[2] + a[1]; x = a[i]; a[i] = a[i+1]; a[i*x] = s[a[j+1] 3]*(y a[y]); 17 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

18 Dallo pseudo-c al C Che cosa manca per poter far girare i programmi precedenti: le direttive al compilatore la parte dichiarativa l I/O formalizzato in C nella parte esecutiva 18 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

19 Struttura di un programma in C Un programma C deve contenere, nell ordine: Una sezione contenente direttive di precompilazione: servono per l inclusione delle librerie contenenti funzioni da utilizzare nelle parte esecutiva L identificatore predefinito main seguito dalle parentesi () Due sezioni, comprese all interno del blocco main tra parentesi {}: la sezione dichiarativa: esplicita tutti gli elementi che verranno adoperati nel programma, insieme alle loro principali caratteristiche la sezione esecutiva: consiste in una successione di istruzioni 19 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

20 Direttiva di precompilazione In molti linguaggi (quali il C), molte operazioni vengono delegate a delle librerie Le funzioni sono divise in gruppi, quali I/O, gestione della memoria, operazioni matematiche e manipolazione di stringhe Per ogni gruppo di funzioni esiste un file sorgente, chiamato file header, contenente le informazioni necessarie per utilizzare le funzioni (Dichiarazione costanti, funzioni, parametri delle funzioni, etc.) I nomi dei file header terminano, per convenzione, con l estensione.h (ad es., stdio.h è il file header dello standard I/O nel linguaggio C) 20 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

21 Sezione dichiarativa Tutto ciò che dovrà essere successivamente usato va dichiarato, in particolare: dichiarazione delle costanti dichiarazione delle variabili Perché questa fatica inutile? Aiuta la diagnostica (ovvero la individuazione di errori): x = alfa; alba = alfa + 1; Senza dichiarazione, alba è una nuova variabile! Principio importante: meglio un po più di fatica nello scrivere un programma che nel leggerlo e capirlo! 21 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

22 Sezione dichiarativa Una dichiarazione di variabile consiste in: Uno specificatore di tipo, seguito da una lista di uno o più identificatori di variabili separati da virgola Ogni dichiarazione termina con ; Esempi: float x,y; int i,j; char simb; 22 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

23 Sezione dichiarativa Dichiarazione di costante: const float PiGreco = 3.14; const float PiGreco = , e = 2.718; const int N = 100, M = 1000; const char CAR1 = 'A', CAR2 = 'B'; Un eventuale assegnamento a una costante sarebbe segnalato come errore dal compilatore. Esempi: AreaCerchio = PiGreco*RaggioCerchio*RaggioCerchio; è equivalente a: AreaCerchio = 3.14*RaggioCerchio*RaggioCerchio; (se si fa riferimento alla prima dichiarazione di PiGreco) 23 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

24 Istruzioni di I/O Output: printf ( stringa di controllo, elementi da stampare); Stringa di controllo, costituita da: caratteri semplici: di stampa immediata caratteri di conversione: tramutati in speciali visualizzazioni (introdotti da \) caratteri di formato: specificano il tipo delle variabili da stampare (introdotti da %) L insieme degli elementi da stampare è una lista di variabili, di costanti o di espressioni composte con variabili e costanti Esempi: printf ("Lo stipendio annuo dei dipendenti di categoria %d è pari a %f", cat_dipend, stip_medio); printf("%s\n%c%c\n\n%s\n", "Questo programma è stato scritto da", iniz_nome, iniz_cognome, "Buon lavoro!"); 24 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

25 Istruzioni di I/O Input: scanf ( stringa di controllo, elementi da leggere); La stringa di controllo contiene caratteri di formato, che specificano il tipo delle variabili da leggere Gli elementi da leggere sono indicati tramite i nomi delle variabili destinate a contenere la lettura preceduti dall operatore unario & Esempio: scanf("%c%c%c%d%f", &c1, &c2, &c3, &i, &x); 25 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

26 Direttiva #include Per includere un file header in un programma in linguaggio C, occorre inserire nel codice sorgente: include <nomefile.h> La direttiva include è rivolta al preprocessore Si chiama: Direttiva di Precompilazione Esempio: Per utilizzare printf() e scanf() è necessario inserire nel sorgente la direttiva di precompilazione: include <stdio.h> 26 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

27 Esempi /* PrimoProgrammaC */ #include <stdio.h> main() { printf("questo è il mio primo programma in C\n"); } NB: niente dichiarazioni! 27 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

28 Esempi /* Programma SommaDueInteri */ #include <stdio.h> main() { int a, b, somma; printf ( Inserisci due addendi interi\n ); scanf("%d%d", &a, &b); somma = a + b; printf("la somma di a+b è:\n%d \narrivederci!\n", somma); } Se vengono inseriti i dati 3 e 5, l effetto dell esecuzione del programma sullo Standard Output è il seguente: La somma di a+b è: 8 Arrivederci! Se fossero stati omessi i primi due simboli \n nella stringa di controllo? 28 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

29 Un vero programma in C #include <stdio.h> main() { int numero, somma; somma = 0; scanf("%d", &numero); while (numero!= 0) { somma = somma + numero; scanf("%d", &numero); } printf("la somma dei numeri digitati è: %d\n", somma); } /* Programma SommaSequenza */ 29 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

30 Interpretazione e Compilazione Il programma di traduzione da un linguaggio di alto livello al linguaggio macchina può: tradurre ed eseguire frase per frase (interprete) tradurre tutte le frasi e solo successivamente eseguire (assemblatore o compilatore) 30 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

31 Interpretazione Un Interprete è un programma che legge il programma sorgente e, per ogni istruzione: 1. verifica la correttezza sintattica 2. effettua la traduzione nella corrispondente sequenza di istruzioni in linguaggio macchina 3. esegue direttamente la sequenza di istruzioni in linguaggio macchina Svantaggio: istruzioni eseguite più volte (p. es. cicli) vengono verificate e tradotte più volte Vantaggio: facile sviluppo e correzione dei programmi 31 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

32 Compilazione Un Compilatore è un programma che legge il programma sorgente e lo traduce interamente in un programma scritto in linguaggio macchina (programma oggetto). In particolare: 1. verifica la correttezza sintattica di ciascuna istruzione 2. il programma oggetto è generato solo in assenza di errori sintattici 3. la correttezza semantica è verificata solo in fase di esecuzione Svantaggio: difficile correzione dei programmi Vantaggio: istruzioni eseguite più volte (p. es. cicli) vengono verificate e tradotte solo una volta 32 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

33 Interpretazione vs Compilazione Velocità di esecuzione: Bassa per i linguaggi interpretati Alta per i linguaggi compilati Facilità di messa a punto dei programmi: Alta per linguaggi interpretati Bassa per i linguaggi compilati 33 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

34 Fasi della programmazione C Le fasi: 1. Editazione 2. Pre-elaborazione 3. Compilazione 4. Linking 5. Caricamento 6. Esecuzione 34 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

35 Editazione Editazione del codice in un file: Il file dovrà terminare con l estensione.c Il programma che consente l editazione è detto editor Il programma editato è memorizzato su di un dispositivo di memorizzazione secondaria e viene detto programma sorgente (source program) Esempio: #include<stdio.h> void main() { int n1,n2,sum; printf( Inserire un numero intero ); scanf( %d,&n1); printf( Inserire un numero intero ); scanf( %d,&n2); sum=n1+n2; } Supponiamo di nominare il source file dell esempio somma.c 35 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

36 Pre-elaborazione Precompilazione del programma ed espansione delle macro: Il programma che esegue la precompilazione è detto preprocessore e viene eseguito in maniera automatica prima che avvenga la compilazione Il preprocessore obbedisce a comandi detti direttive del preprocessore o macro che indicano le manipolazioni da effettuare sul programma prima della compilazione: Inclusione di altri file in quello da compilare Sostituzione di simboli speciali con un testo del programma Le linee per il preprocessore di macro iniziano con il simbolo # Esempio: #define max 40 #include<stdio.h> Prima della compilazione del programma ogni occorrenza di max è sostituita con il valore 40 La riga #include<stdio.h> viene sostituita dal contenuto del file stdio.h. Ciò consente al programma di usare le funzioni di libreria printf e scanf 36 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

37 La libreria standard del C Principali componenti: <stdef.h> definizioni comuni <assert.h> diagnostica <ctype.h> gestione di caratteri <local.h> localizzazione <math.h> funzioni matematiche <stdio.h> I/O <stdlib.h> utilità generiche <string.h> gestione di stringhe 37 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

38 Traduzione Il traduttore (compilatore o interprete) trasforma le istruzioni del programma in istruzioni in linguaggio macchina In particolare, il compilatore traduce il codice sorgente C nel codice in linguaggio macchina, detto codice oggetto 38 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

39 Traduzione: codice oggetto Un programma può essere suddiviso in parti, dette moduli Ciascun modulo può essere compilato separatamente La compilazione separata dei vari moduli genera moduli oggetto distinti Nel codice oggetto di ciascun modulo di programma solo i nomi delle variabili definite nel modulo (indirizzi simbolici) verranno trasformati in indirizzi rilocabili: espressi in forma logica, indipendente dall allocazione fisica del programma in memoria calcolati come se il programma fosse caricato a partire dall indirizzo zero 39 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

40 Linking Il collegamento tra moduli è eseguito dal linker, che: trasforma i vari moduli oggetto in un unico programma eseguibile collega il programma dell utente a librerie di utility disponibili nell ambiente di programmazione di ciascun linguaggio: librerie standard librerie definite dal programmatore risolve riferimenti a variabili definite esternamente a ciascun modulo trasformando i relativi indirizzi simbolici in indirizzi rilocabili Il linker produce il codice o programma eseguibile 40 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

41 Indirizzi di un programma Indirizzamento di un programma eseguibile: assoluto: indirizzi calcolati a partire da una specifica cella di memoria; si attua se: la memoria è partizionata staticamente e i programmi vengono allocati in modo rigido tutta la memoria è assegnata ad un unico programma utente rilocabile: calcolati come se il programma debba essere caricato in memoria a partire dalla cella zero 41 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

42 Caricamento in memoria Il caricamento in memoria centrale necessario all esecuzione è effettuato da un programma detto loader Il loader preleva dal disco il programma eseguibile e lo trasferisce in memoria gestendone gli indirizzi: se il programma è in formato assoluto il loader lo deve caricare in una specifica zona di memoria se il programma oggetto è in formato rilocabile il loader effettua la rilocazione 42 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

43 Rilocazione degli indirizzi Tipi di rilocazione degli indirizzi: Statica: avviene al momento del caricamento (loading) in memoria modificando istruzione per istruzione gli indirizzi che compaiono nel programma in indirizzi assoluti non richiede ulteriori elaborazioni in esecuzione sugli indirizzi caricati come assoluti Dinamica: non comporta una modifica del codice, caricato in formato rilocabile gli indirizzi assoluti sono calcolati durante l esecuzione utilizzando il registro base che contiene l indirizzo assoluto della cella di memoria a partire dalla quale è caricato il programma 43 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello

44 Esecuzione del programma L esecuzione del programma eseguibile in memoria (in linguaggio macchina) è effettuata dalla CPU 44 di 44 Codifica degli algoritmi in linguaggio di alto livello