Programmazione II. Lezione 16. Daniele Sgandurra 14/12/2010.

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1 Programmazione II Lezione 16 Daniele Sgandurra 14/12/2010 1/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

2 Sommario 1 2/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

3 Parte I 3/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

4 Un tipo di dato è una collezione di valori omogenei ed effettivamente presentati, dotata di un insieme di operazioni che manipolano tali valori. Omogeneità: i valori condividono alcune proprietà strutturali. Operazioni: ad es., assieme agli interi sono associate le operazioni di somma, sottrazione, moltiplicazione e divisione. Rappresentabilità: devono potere avere una rappresentazione finita: ad es., non esiste un tipo dei numeri reali veri e propri. 4/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

5 Tipi: a Cosa Servono? (1) Progettazione: supporto all organizzazione concettuale: dominare la complessità dei problemi; esplicitare i concetti tipici attraverso nuovi tipi; aumento di leggibilità (documentazione) e di sicurezza (controlli). Programmazione: supporto alla correttezza: evitare errori hardware (es., errori di indirizzamento) ed errori logici (es., somma di intero e stringa); vincolo di tipo (violazione = errori semantici): type checker; polimorfismo: es., stessa funzione su strutture di tipi diversi; sicurezza (safety): problemi in fase d esecuzione (es., dangling reference): linguaggi sicuri e non (violazioni a run-time dei vincoli di tipo). 5/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

6 Tipi: a Cosa Servono? (2) Traduzione: supporto all implementazione: informazioni per la macchina astratta: dimensione della memoria richiesta per l allocazione (disponibili staticamente); ottimizzazioni sulle operazioni d accesso (es., offset nei RdA): s t r u c t Professore { c h a r Nome [ 2 0 ] ; i n t Codice_Corso ; } se p è una variabile di tipo Professore, è possibile accedere ai suoi campi con p.nome o p.codice corso e l accesso ai campi avviene mediante offset relativo all indirizzo base di p. 6/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

7 Sistemi di Tipi Sistema di Tipi Complesso delle informazioni e delle regole che governano i tipi di un linguaggio, costituito da: 1 l insieme dei tipi predefiniti; 2 i meccanismi per definire nuovi tipi; 3 i meccanismi per il controllo dei tipi: regole di equivalenza: due tipi formalmente diversi possono essere equivalenti livello semantico; regole di compatibilità: un valore di un tipo diverso da quello atteso può essere comunque utilizzato; regole di inferenza: attribuzione di un tipo ad un espressione complessa. 4 se e quali vincoli controllare staticamente o dinamicamente. Un sistema di tipi è sicuro relativamente ai tipi (type-safe) quando nessun programma può ignorare le differenze di tipo definite dal sistema: non ci sono errori inattesi generati da violazioni di tipo a run-time: es., accesso a memoria non allocata; es., chiamata di un valore che non sia una funzione. 7/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

8 Classificazione di Tipi In base ai valori: denotabili: se possono essere associati a un nome; esprimibili: se possono essere il risultato di un espressione complessa (cioè, diversa da un semplice nome); memorizzabili: se possono essere memorizzati in una variabile. Esempio: tipo delle funzioni (int int): valore denotabile: possiamo associare un nome ad una funzione: i n t succ ( i n t x ){ r e t u r n x + 1 ; } valore esprimibile solo nei linguaggi funzionali e non negli imperativi: es., funzioni risultato della valutazione di un espressione. valore memorizzabile: assegnare una funzione a una variabile: linguaggi funzionali (ML, Haskell, Scheme). 8/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

9 Controlli Statici e Dinamici (1) Linguaggi a tipizzazione statica: controlli a compile-time (es., Java): controlli anticipati; correttezza garantita per ogni sequenza d esecuzione: controlli a run-time inutili: maggiore efficienza; la progettazione del linguaggio è più complessa se il linguaggio deve anche essere type-safe; compilazione lenta e complessa ma facilitati debugging/testing. Linguaggi a tipizzazione dinamica: controlli a run-time (es., Lisp): ogni oggetto ha un descrittore che ne contiene il tipo; la macchina astratta controlla la correttezza degli operandi nelle operazioni: il compilatore ha generato codice di controllo opportuno. caratteristiche: previene errori di tipo (troppo tardi?); inefficiente. 9/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

10 Controlli Statici e Dinamici (2) Programmi sicuri che la tipizzazione statica può interpretare come errati: controllo statico: più conservatore: i n t x ; i f (0 == 1) x = p i p p o ; e l s e x = ; la condizione del primo ramo del condizionale non è mai verificata, ma il controllo statico segnala un errore di tipo. Controllo sui tipi in generale: problema indecidibile: per prudenza un controllo statico esclude anche casi non pericolosi, come il precedente. In molti linguaggi (es., Pascal), controllo statico + dinamico: es., utilizzo di vettori con controllo degli indici a run-time. 10/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

11 Indecidibilità del Problema della Verifica di Errore di Tipo i n t x ; P ; x = p i p p o ; Se si potesse sapere sempre se il programma P termina, allora si può segnalare che ci sarebbe un errore di tipo. Ma se P non termina? Allora l errore di tipo non si verificherebbe, quindi il programma sarebbe corretto. Essendo la terminazione indecidibile, anche il problema del controllo della correttezza dei tipi è indecidibile. 11/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

12 (1) Tipi scalari (o semplici): tipi i cui valori non sono costituiti da aggregazioni di altri valori. Dichiarazione nuovi tipi: type nuovotipo = espressione; in C: t y p e d e f espressione nuovotipo ; Tipo dei valori booleani (o logici) costituito da: valori: due valori di verità, vero e falso; operazioni: alcune tra le operazioni logiche and, or, not, etc; valori memorizzabili, esprimibili e denotabili; rappresentazione in memoria tramite un byte (anche se basta un bit) per motivi di allineamento. Tipo dei caratteri costituito da: valori: un insieme di codici di caratteri fissato al momento della definizione del linguaggio (es., ASCII, UNICODE); operazioni: fortemente dipendenti dal linguaggio; solitamente, sono presenti l uguaglianza, i confronti; valori memorizzabili, esprimibili e denotabili; rappresentazione in memoria tramite un byte (ASCII) o due (UNICODE). 12/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

13 (2) Tipo dei numeri interi costituito da: valori: sottoinsieme finito dei numeri interi fissato al momento della definizione del linguaggio o della macchina astratta (problemi di portabilità); solitamente, nell intervallo [ 2 t, +2 t 1]; operazioni: operazioni aritmetiche e confronti; valori memorizzabili, esprimibili e denotabili; rappresentazione in memoria tramite un numero pari di byte (due, quattro, o otto) in complemento a due. Tipo dei reali (o numeri in virgola mobile) costituito da: valori: sottoinsieme finito dei numeri razionali fissato al momento della definizione del linguaggio o della macchina astratta (problemi di portabilità); operazioni: operazioni aritmetiche e confronti; valori memorizzabili, esprimibili e denotabili; rappresentazione in memoria tramite quattro, otto o dieci byte in standard IEEE /29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

14 (3) Tipo dei reali in virgola fissa costituito da: valori: sottoinsieme finito dei numeri razionali fissato al momento della definizione del linguaggio o della macchina astratta (problemi di portabilità); operazioni: operazioni aritmetiche e confronti; valori memorizzabili, esprimibili e denotabili; rappresentazione in memoria tramite un quattro, otto byte in complemento a due con un numero fissato di bit per la parte decimale. Tipo dei complessi costituito da: valori: sottoinsieme finito dei numeri complessi fissato al momento della definizione del linguaggio o della macchina astratta (problemi di portabilità); operazioni: operazioni aritmetiche e confronti; valori memorizzabili, esprimibili e denotabili; rappresentazione in memoria tramite una coppia di valori in virgola mobile. Tipo primitivo formato da un solo valore void: valori: uno solo, indicato con (); operazioni: nessuna; utilità: per indicare il tipo delle operazioni che modificano lo stato ma non restituiscono alcun valore (es., assegnamento, non in C). 14/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

15 (4) Enumerazioni: insieme finito di costanti, ciascuna caratterizzata dal proprio nome: es., type nano = {Brontolo, Cucciolo, Dotto, Eolo, Gongolo, Mammolo, Pisolo }; introduce un nuovo tipo di nome nano costituito da un insieme di 7 elementi contraddistinti dal proprio nome; operazioni: confronti; programmi più leggibili; controllo dei tipi migliorato. Intervalli: sottoinsieme contiguo dei valori di un altro tipo scalare: es, in Pascal: t y p e Tombola = ; AlcuniNani = Cucciolo.. Eolo ; introduce un intervallo di 90 interi e un intervallo costituito dai valori Cucciolo, Dotto e Eolo. programmi più leggibili; controllo dei tipi migliorato; controlli a run-time per l appartenenza. 15/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

16 Tipi non scalari ottenuti per combinazione di tipi più semplici: record (o strutture): collezione di valori eterogenei; array (o vettori): collezione di valori omogenei; insiemi: sottoinsiemi di un tipo (base, ordinale); puntatori: l-valori per accedere indirettamente ad altri valori; tipi ricorsivi: definiti per ricorsione. 16/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

17 Record (1) Collezione costituita da un numero finito (e, spesso, ordinato) di elementi diversi (campi) distinti dal loro nome: Esempio: ciascun campo può essere di tipo diverso (struttura dati eterogenea). type Studente = s t r u c t { i n t matricola ; f l o a t altezza ; }; Spesso, la sola operazione possibile è la selezione di una componente: Studente s =... ; s. matricola = ; s. altezza = ; 17/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

18 Record (2) In molti linguaggi, i record possono essere annidati: type Aula = s t r u c t { c h a r nome [ 5 ] ; i n t capienza ; s t r u c t { c h a r dipartimento [ 1 0 ] ; i n t telefono ; } responsabile ; } Il terzo campo (responsabile) è un record di due campi di tipo anonimo. Se a è un Aula con a.responsabile.telefono indichiamo il secondo campo del terzo campo di a. L uguaglianza (assegnamento) tra record non sempre è definita: se non presenti, vanno confrontati (assegnati) i campi uno alla volta. 18/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

19 Record (3) I campi di un record sono memorizzati in locazione contigue: spesso, per motivi di allineamento, ci possono essere dei buchi tra i campi. Nell esempio, solo 23 byte su 28 sono significativi (se l ordine non è assicurato dalla macchina astratta, si possono usare solo 6 parole). 19/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

20 Record Varianti Forma particolare di record in cui alcuni campi sono mutuamente esclusivi. Causa di molte complicazioni. t y p e Stud = r e c o r d nome : a r r a y [ ] o f c h a r ; matricola : i n t e g e r ; c a s e fuoricorso : b o o l e a n o f t r u e : ( ultimoanno : maxint ) ; f a l s e : ( inpari : b o o l e a n ; anno : ( primo, secondo, terzo ) ) end ; Il terzo campo (fuoricorso) è il tag (discriminante) del record variante: se true, il record ha un ulteriore campo ultimoanno (di tipo intervallo); se false, il record ha due ulteriori campi: inpari (boolean) e anno (enumerazione). 20/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

21 Unioni (1) In C non esiste il record variante, ma l unione: nella definizione e uso, analogo al record (struct); solo uno dei campi può essere attivo in qualsiasi momento; i campi (anche di tipo diverso) condividono la rappresentazione in memoria. s t r u c t Stud{ c h a r [ 6 ] nome ; i n t matricola ; i n t fuoricorso ; u n i o n{ i n t ultimoanno ; s t r u c t { i n t inpari ; i n t anno ; } stud_in_corso ; } campivarianti ; } 21/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

22 Unioni (2) La differenza fondamentale tra i record varianti in Pascal e le unioni in C è che il tag non è vincolato: è compito del programmatore metterlo in relazione ai campi seguenti. Ad esempio, è sintatticamente corretto fare: s. fuoricorso = 0 ; s. campivarianti. ultimoanno = ; //ma s. f u o r i c o r s o = f a l s e i f ( s. fuoricorso ) printf ( s. campivarianti. ultimoanno ) e l s e printf ( s. campivarianti. stud_in_corso. anno ) ; Anche in Pascal non si può garantire un legame formale e controllato tra il tag e le varianti. Inoltre, la macchina astratta non può controllare dinamicamente l accesso alle varianti solo se il tag è corretto (non tutti gli errori sono catturabili). 22/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

23 Array Collezione finita di elementi dello stesso tipo (tipo base) indicizzata su un intervallo di tipo ordinale (tipo indice). Specifica: nome; tipo indice; tipo base dei componenti; es., int v[10];: parentesi quadre: array; 10 elementi di tipo int; tipo degli indici: intervallo di 10 elementi, numerati da 0 a 9. Array multidimensionali (array indicizzati su due o più tipi indice): int V [ , ] ; c h a r C [ Dotto.. Mammolo, , ] ; V è una matrice quadrata di elementi, C è una matrice di caratteri. 23/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

24 Array Multidimensionali In alcuni linguaggi, si può ottenere un array multidimensionale anche dichiarando che il tipo degli elementi è a sua volta un array: int V [ ] [ ] ; c h a r C [ Dotto.. Mammolo ] [ ] [ ] ; Operazioni ammesse: selezione di un elemento: es., W[e] indica l elemento di W di indice dato dal valore dell espressione e; per array multidimensionali: es., C[Eolo,1,2] o C[Eolo][1][2]. alcuni linguaggi: assegnamento, uguaglianza, confronti, operazioni aritmetiche (es., elemento per elemento). 24/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

25 Array: Slice Uno slice di un array è una sua porzione costituita da elementi contigui, ad esempio: V[3]: terza riga della matrice V; C[Eolo]: piano della matrice tridimensionale C che si ottiene selezionando la sua prima componente. 25/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

26 Array: Controlli Il controllo dei tipi del linguaggio dovrebbe verificare che ogni accesso a un elemento avvenga entro i limiti dell array: si può fare solo a tempo di esecuzione; linguaggio sicuro: controllo ad ogni accesso; inefficienza. Sicurezza: attacchi buffer overflow; esempio: programma di rete scritto in C: il mittente invia una stringa al destinatario; il destinatario non controlla che la lunghezza della stringa sia minore del buffer allocato; la stringa inviata sovrascrive il buffer e altri campi del RdA; l indirizzo di ritorno cambiato; l esecuzione è ripresa nel codice (maligno) inserito nel buffer. 26/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

27 Array: Memorizzazione Un array è memorizzato in una porzione contigua di memoria: array monodimensionale: allocazione secondo l ordine degli indici. array multidimensionale: ordine di riga: elementi contigui differiscono di un unita nell indice più a destra; ordine di colonna: elementi contigui differiscono di un unita nell indice più a sinistra; più diffuso per colonna: più semplice selezionare lo slice di una riga. diverso impatto sull efficienza del caching. 27/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

28 Array: Calcolo degli Indici Dato un array a n dimensioni, con elementi di tipo T : T V[L 1..U 1 ]...[L n..u n]; Sia S n il numero di unità memorizzabili (byte) necessarie per memorizzare un elemento di tipo T; per calcolare la quantità di memoria necessaria per memorizzare slice sempre più grandi (in ordine di riga): S n 1 = (U n L n + 1)S n... S 1 = (U 2 L 2 + 1)S 2 L indirizzo dell elemento V[i 1,..., i n] si ottiene sommando all indirizzo base di V l offset: (i 1 L 1 )S (i n L n)s n Se le dimensioni sono tutte note staticamente: i 1 S i ns n (L 1 S L ns n) indirizzo calcolato con n moltiplicazioni e n addizioni (la sottrazione finale scompare se gli indici partono da zero). 28/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010

29 Riferimenti [1] Linguaggi di programmazione: principi e paradigmi (Cap. 8). Maurizio Gabbrielli, Simone Martini. 29/29 Programmazione II Lezione 16 14/12/2010