Argomento del corso: una trattazione generale dei linguaggi di programmazione Completare le conoscenze acquisite finora: Linguaggi di programmazione

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1 Linguaggi di programmazione Introduzione al corso Argomento del corso: una trattazione generale dei linguaggi di programmazione Completare le conoscenze acquisite finora: assembly ARM Scheme Java C Una minuscola parte dei linguaggi disponibili, difficile impararli tutti; ma esistono: regole, principi, caratteristiche comuni ai vari linguaggi di programmazione; argomenti di questo corso. Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 1 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 2 / 38 Presentazione generali di: Obiettivi caratteristiche dei linguaggi programmazione, meccanismi funzionamento (es. identificatori ambiente, gestione della memoria,... ) implementazione: compilatori, interpreti,... Fornire un quadro generale dei linguaggi di programmazione diverse famiglie di linguaggi, similitudi e differenze. Mettere in risalto: gli aspetti comuni dei linguaggi, punti critici della loro comprensione. Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 3 / 38 Alcuni obiettivi pratici Rendere più facile l apprendimento di nuove linguaggi: alcuni linguaggi sono piuttosto simili: albero genealogico. i concetti base sono ancora più simili, sono comuni a molti linguaggi: iterazione, ricorsione, astrazione Fare un uso migliore dei linguaggi: capire le caratteristiche complesse: passaggi dei parametri, uso della memoria usare i linguaggi nella loro completezza, comprendere i costi di implementazione: scegliere tra modi alternativi di fare la stessa cosa: ricorsione di coda Capire come implementare features che non supportate esplicitamente: mancanza di strutture di controllo adeguate, ricorsione in Fortran, riscrivere un algoritmo ricorsivo in uno iterativo, eliminazione meccanica Introduzione al corsodella ricorsione Linguaggi di programmazione 4 / 38

2 Libri di testo Pro e contro M. Gabbrielli, S. Martini. Linguaggi di programmazione - Principi e paradigmi. McGraw-Hill articoli e manuali reperibili nella pagina web del corso. Corso e contenuti in gran parte standard. Diversi libri di testo con contenuti e ordine di presentazione sovrapponibili Michael Scott. Programming language pragmatics Elsevier, MK Morgan Kaufmann. Sebasta. Concept in progamming language Pearson Gabbrielli-Martini, semplice, chiaro, senza banalizzare, pregio principale, specie in confronto ad altri libri di testo; astratto: tende a essere formale; mancano: argomenti più complessi; pochi riferimenti ai linguaggi di programmazione più usati, si preferisce usare un pseudo linguaggio, esempi reperibili negli altri libri di testo, a lezione farò qualche riferimento in più. Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 5 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 6 / 38 Pagina web del corso Organizzazione raggiungibile dalla mia home page, copia della pagina disponibile anche su elearning, stabile e abbastanza completa, probabilmente verrà aggiornata, completata nel corso dell anno. periodo didattico: secondo orario modificabile su richiesta Immagini e Multimedialità, mercoledì: spostamenti orario causa consiglio di dipartimento, venerdì: orario di ricevimento mercoledì: 11:30 13:00. Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 7 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 8 / 38

3 Esame Perché tanti linguaggi di programmazione? Tradizionale: scritto domande di teoria, esercizi, esercizi da svolgere a casa e discutere durante l esame orale, orale obbligatorio per tutti. Più paradigmi di programmazione: Imperativo: von Neumann (Fortran, Pascal, Basic, C) orientato agli oggetti (Smalltalk, Eiffel, C ++?) linguaggi di scripting (Perl, Python, JavaScript, PHP) Dichiarativo: funzionale (Scheme, ML, pure Lisp, FP) logico, basato su vincoli (Prolog, VisiCalc, RPG) Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 9 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 10 / 38 Perché tanti linguaggi di programmazione? evoluzione: nel tempo si scoprono nuove tecniche, principi migliori fattori economici: interessi proprietari, vantaggio commerciale diverse priorità: codice efficiente, pulizia del codice, flessibilità diversi usi: calcolo scientifico (Fortan), analisi dei dati (R), sistemi embedded (C), applicazioni web (JavaScript, PHP),... Cosa rende un linguaggio di successo? buon supporto: librerie, codice preesistente, IDE (tutti i linguaggi più diffusi) supporto da uno sponsor importante (C#, Visual Basic, Objetive C, Switft, Go) ampia diffusione a costi minimi, portabilità (JavaScript, Java, Pascal) espressivo, flessibile, potente (C, Lisp, APL, Perl) possibilità di ottenere codice veloce / compatto (Fortran, C) facile da implementare (BASIC, Forth) Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 11 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 12 / 38

4 Qualità di un linguaggio: Leggibilità chiarezza, naturalità, semplicità: supporto all astrazione: è facile modificare del codice. Scrivibilità è facile passare dagli algoritmi al codice, semplice da imparare: (BASIC, Pascal, Scheme) polimorfismo: stesso codice su dati diversi; ortogonalità: diverse caratteristiche si integrano in modo naturale tra loro, poche eccezione (es. tipi dato e passaggio parametri a procedure) Affidabilità facilità di verifica, Costo Introduzione efficienza al corso Linguaggi di programmazione 13 / 38 Aspetti di un linguaggio di programmazione sintassi: quali sequenze di caratteri costituiscono programmi, la loro struttura, semantica: come si comporta un programma, l effetto della loro esecuzione, pragmatica: utilizzo pratico; come scrivere buon codice; convenzioni, stili nello scrivere i programmi, implementazione: come il codice viene convertito in istruzioni macchina, eseguito, librerie: codice fornito con il linguaggio per implementare funzionalità base, tools: per editing, debugging, gestione del codice. Nel corso consideriamo principalmente i primi 4 aspetti, gli ultimi due importanti ma molto variabili. Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 14 / 38 Macchina astratta. Sistema di calcolo diviso in un gerarchia di macchine virtuali (astratte) M i. Ciascuna costruita sulla precedente, a partire dal livello hardware. Ciascuna caratterizzata da un linguaggio, L i, con cui scrivere codice. Esecuzioni del codice Come eseguire un programma, per esempio, scritto in L Java, quindi relativo alla macchina astratta M Java (macchina Java) si sfrutta uno dei livelli di macchina sottostanti, per esempio una M JVM (Java Virtual Machine) che qualcuno ha già implementato, si esegue una traduzione nel linguaggio relativo L JVM (Java ByteCode) Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 15 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 16 / 38

5 Compilazione vs. Interpretazione Compilazione pura: Il compilatore traduce il programma sorgente di alto livello in un programma di destinazione equivalente (tipicamente in linguaggio macchina), Programma sorgente e compilatore non necessari durante l esecuzione del codice. Interpretazione pura L interprete riceve programma sorgente e dati, e traduce, passo passo, le singole istruzione che vengono eseguite immediatamente. L interprete, programma sorgente, sono presenti durante l esecuzione del programma. L interprete è il luogo del controllo durante l esecuzione. Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 17 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 18 / 38 Compilazione Compilazione vs. Interpretazione Migliori prestazioni: si evitano traduzioni e controlli a tempo di esecuzione sono possibili controlli prima dell esecuzione (type-checking statico) Interpretazione: maggiore flessibilità (Scheme), più semplice da implementare, esecuzione diretta del codice, più semplice il debugging. Compilazione vs. Interpretazione Nei casi reali, traduzione in codice macchina, avviene con più passi di traduzione, la maggior parte delle implementazioni prevedono una combinazione tra compilazione e interpretazione linguaggi interpretati pre-processing seguita dall interpretazione linguaggi compilati generazione codice intermedio esempi: Pascal P-code, Java bytecode, Microsoft COM + Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 19 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 20 / 38

6 Preprocessing vs. Compilazione schema precedente può descrivere un pre-processing (semplice elaborazione dell input) in questo caso caso parliamo di linguaggi interpretati, compilazione traduzione da una lingua all altra, prevede un analisi complessiva del dell input compilazione implica una comprensione semantica di ciò che viene elaborato; il preprocessing no un pre-processore non garantisce assenza di errori nel tradotto Supporto a run-time: raramente compilatore produce solo codice macchina, anche istruzioni virtuali chiamate al sistema operativo chiamate a funzioni di libreria es. funzioni matematiche (sin, cos, log, ecc.), input-output traduzione a livello di sistema operativo o a livello di libreria un programma linker unisce codice library subroutine Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 21 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 22 / 38 Assemblaggio post-compilazione Il compilatore produce assembly (non codice macchina) Traduzioni da linguaggio a linguaggio (C++) prime implementazioni C++ generano un programma intermedio in C: facilita il debugging (assembly più leggibile) isola il compilatore da modifiche nel formato delle istruzioni (solo l assemblatore, condiviso tra molti compilatori, deve essere modificato) Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 23 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 24 / 38

7 Bootstrap: sollevarsi tirando i lacci dei propri stivali (Barone Munchausen) Implementare il compilatore scrivo un nuovo compilatore per C, come programma in C. circolo vizioso evitato usando versioni differenti Pascal e P-code Meccanismo per semplificare la creazioni di compilatori, semplifica la diffusione di un linguaggio. P-code: codice intermedio, Pascal fornisce: Compilatore Pascal, scritto in Pascal: CPascal Pascal PCode, Compilatore Pascal, scritto in P-Code: CPCode Pascal PCode (traduzione del predente) Interprete PCode, scritto in Pascal: IPascal PCode A mano costruisco: Interprete PCode, scritto nel mio linguaggio macchina: I PCode LM Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 25 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 26 / 38 Interprete Pascal Compilatore Pascal Preso un programma Pascal PrPa posso: ottenere la sua traduzione in PCode: PrPC = ILM PCode (CPCode Pascal PCode, PrPa) eseguire la traduzione: ILM PCode (PrPC, Dati) Se, a mano, trasformo il C Pascal PCode Pascal CPCode Pascal LM. CLM Pascal LM = I PCode LM = I PCode LM in CPascal Pascal LM, posso: (CPCode Pascal PCode, CPascal Pascal LM ) (CPCode Pascal LM, CPascal Pascal LM ) e ottengo un compilatore da Pascal in linguaggio macchina, scritto in linguaggio macchina. Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 27 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 28 / 38

8 Compilatore Pascal Compilazione dinamica, just-in-time si ritarda la compilazione fino all ultimo momento. implementazioni efficienti di Java (JVM) analogamente compilatore C# produce.net Common Intermediate Language (CIL), tradotto in codice macchina immediatamente prima dell esecuzione. Lisp o Prolog invocano il compilatori just-in-time, per tradurre il nuovo sorgente creato in linguaggio macchina o per ottimizzare il codice per un particolare set di input. Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 29 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 30 / 38 Firmware, microcodice, Una panoramica della compilazione Compilazione divisa in più fasi. Le istruzioni a livello macchina non sono implementate direttamente nell hardware; circuiti di controllo del processore microprogramma, funziona con un interprete, Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 31 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 32 / 38

9 Analisi lessicale - Scansione: Analisi sintattica - Parsing divide il programma in token, le unità più piccole e significative scanner: lavoro è semplice, semplifica le fasi successive possibile progettare un parser che esamina caratteri anziché token come input, ma inefficiente la scansione è il riconoscimento di una linguaggio regolare, si analizza l intero programma, definendo la sua struttura programmi definiti a linguaggi liberi dal contesto, riconosciuti tramite PDA alternativamente grammatica definita da diagrammi sintattici (vedi cerchi e le frecce in manuale Pascal) riconosciuto tramite DFA Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 33 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 34 / 38 L analisi semantica Modulo intermedio costruisce l albero della sintassi astratta esegue controlli sul codice statici (es type checking) non implementabili dal parser (contex free grammar) altri controlli (ad esempio, indice di matrice fuori limite) eseguibili sola a tempo di esecuzione (dinamici) Si produce codice intermedio codice intermedio: indipendente dal processore, facilità di ottimizzazione o compattezza (richieste contrastanti) codice intermedio assomiglia spesso a codice macchina per qualche macchina astratta; per esempio. una macchina stack o una macchina con molti registri Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 35 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 36 / 38

10 L ottimizzazione Tabella dei simboli prende un programma a codice intermedio e ne produce un altro che fa la stessa cosa più velocemente o con meno memoria il termine è improprio; si migliora il codice: fase facoltativa La fase di generazione del codice produce linguaggio assembly o linguaggio macchina rilocabile (a volte) Alcune ottimizzazioni specifiche della macchina (uso di istruzioni speciali o modalità di indirizzamento, ecc.) Possono essere eseguite durante o dopo la generazione del codice target tutte le fasi si basano su una tabella dei simboli tiene traccia di tutti gli identificatori nel programma e di ciò che il compilatore sa di loro può essere mantenuta (in qualche modo) per essere utilizzata da un debugger, anche dopo che la compilazione è stata completata Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 37 / 38 Introduzione al corso Linguaggi di programmazione 38 / 38