Corso di Programmazione Linguaggi di Programmazione. Linguaggio. Messaggio

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1 Materiale didattico preparato dal dott. Stefano Ferilli Corso di Programmazione Linguaggi di Programmazione Dott. Pasquale Lops Università degli Studi di Bari Dipartimento di Informatica Corso di Programmazione - DIB 1/47 Linguaggio Insieme di sequenze di simboli appartenenti ad un definito lessico, posti in sequenza secondo una opportuna grammatica o sintassi) Per descriverlo è necessario un meta-linguaggio Linguaggio che parla di un linguaggio Corso di Programmazione - DIB 2/47 Messaggio Sequenza di frasi espresse in un linguaggio Analizzabile dal punto di vista Sintattico Si verifica la forma linguistica in cui è codificato (sintassi) Semantico Si individua il significato associato alla forma linguistica (semantica) Corso di Programmazione - DIB 3/47

2 Comunicazione Diretta Requisiti per i due interlocutori: l estensore del messaggio al momento della sua formulazione e il ricevitore al momento della ricezione diano al messaggio eguale significato Corso di Programmazione - DIB 4/47 Comunicazione Indiretta Cause: Il ricevitore non conosce il linguaggio usato per la stesura del messaggio Estensore e ricevitore hanno un diverso grado di conoscenza del linguaggio Tra i due mancano adeguate convenzioni per un interpretazione unica del messaggio Occorre un traduttore Corso di Programmazione - DIB 5/47 Programma Messaggio di comunicazione fra l uomo e la macchina Insieme di frasi costruite secondo regole molto rigide Eliminazione di ambiguità nell interpretazione dei comandi da parte della macchina Necessità di linguaggi molto precisi Le istruzioni obbediscono a rigorose regole grammaticali Corso di Programmazione - DIB 6/47

3 Sistema di Calcolo Gerarchia di componenti software e hardware Software applicativo (es. pacchetti ad usi speciali) Insieme di programmi da utilizzare per applicazioni particolari Generalmente scritti in un linguaggio ad alto livello Forniti direttamente da costruttori di computer o ditte specializzate nella produzione di programmi Software di sistema (sistemi operativi, traduttori, ecc.) Insieme dei programmi che forniscono servizi e svolgono funzioni vitali per il software applicativo Hardware (CPU, memorie, dispositivi di I/O, ecc.) Corso di Programmazione - DIB 7/47 Comunicazione Uomo-Macchina Processore nudo La macchina comprende il linguaggio macchina Costituito da un insieme di istruzioni elementari Ogni istruzione è una stringa di cifre binarie che specifica un operazione e la cella di memoria implicata nell operazione Processore vestito Macchina in grado di comprendere un linguaggio di livello superiore Usato per facilitare il compito di programmare la soluzione di un problema Corso di Programmazione - DIB 8/47 Linguaggio Naturale Usato per la comunicazione verbale fra esseri umani Fonti di ambiguità: Evoluzione Neologismi, Arcaismi Polisemia Parole con significati differenti a seconda del contesto Intrinseca una vecchia porta la sbarra Inadatto alla comunicazione con la macchina Corso di Programmazione - DIB 9/47

4 Linguaggi di Programmazione A basso livello Più vicini alla struttura reale della macchina ed al suo linguaggio Ad alto livello Più vicini al linguaggio dei problemi Più facili da comprendere per l uomo Portabili Utilizzabili, senza modifiche, su diversi tipi di macchine Corso di Programmazione - DIB 10/47 Linguaggi di Programmazione ad alto livello Procedurali Descrivono i passi necessari per ottenere i risultati desiderati come Basati sui concetti di Variabile Assegnamento Non procedurali Esprimono le proprietà dei risultati che si vogliono ottenere cosa Esempio Radice quadrata di y Quel valore x tale che x*x = y Corso di Programmazione - DIB 11/47 Linguaggi di Programmazione Sintassi L insieme delle regole che indicano quali sono le istruzioni formali permesse Poche, semplici, rigide Il programma va accuratamente controllato dal punto di vista formale per garantire la correttezza sintattica Codifica ambigua o non interpretabile Controllo delegato al traduttore Corso di Programmazione - DIB 12/47

5 Linguaggi di Programmazione Semantica Riguarda il contenuto informativo ed il significato di una frase Il lavoro più grosso è verificare e controllare il programma sul fronte logico per garantire la correttezza a livello semantico Informazione trasmessa non corrispondente allo scopo desiderato Connessa all analisi del problema e l algoritmo Corso di Programmazione - DIB 13/47 Sintassi e Semantica Esempio Io ho andato Errata sintatticamente La penna sta mangiando Corretta sintatticamente Forma Errata semanticamente Significato Corso di Programmazione - DIB 14/47 Traduttore Programma che traduce in linguaggio macchina programmi in un linguaggio di livello superiore Analizza i messaggi (comandi) e verifica che siano scritti (codificati) in un linguaggio a lui noto Correttezza sintattica Attribuisce alle sequenze di simboli l opportuno significato in modo da eseguire le giuste azioni Interpretazione unica di ogni istruzione Fa parte del software di sistema Livello intermedio della gerarchia software-hardware Corso di Programmazione - DIB 15/47

6 Traduttori Nei programmi ad alto livello operano su due tipi di entità: Istruzioni Molto più potenti che nel linguaggio macchina Strutture di dati (liste, sequenze, alberi, ecc.) Non direttamente disponibili al livello di linguaggio macchina Devono essere rappresentate in termini di bit, indirizzi e legami tra locazioni Corso di Programmazione - DIB 16/47 Traduttori Processore vestito Linguaggio di Traduzione Programmazione Processore nudo Linguaggio Macchina Interpreti Compilatori Specifici per ogni linguaggio Forniti entrambi dai sistemi di sviluppo del software per i linguaggi supportati Corso di Programmazione - DIB 17/47 Interpretazione Dopo l analisi sintattica, la traduzione procede passo passo con l esecuzione Traduzione ed esecuzione istruzione per istruzione Ogni istruzione tradotta tante volte quante viene eseguita Programma Dati Interprete Risultati Corso di Programmazione - DIB 18/47

7 Compilazione Il programma originale (Sorgente) è analizzato sintatticamente e tradotto in codice oggetto, quindi eseguito Traduzione completamente effettuata prima che cominci l esecuzione Ogni istruzione è tradotta una sola volta Programma Dati Compilatore Codice Oggetto Macchina Fisica Risultati Corso di Programmazione - DIB 19/47 Interpreti vs. Compilatori Programma sorgente residente in memoria + Semplici Efficienti Tempo e Spazio + Interattivi + Errori comprensibili Riferiti al sorgente Programma sorgente non residente in memoria + Ottimizzabili + Efficienti Tempo e Spazio Interattivi + Errori scoperti prima Riferiti al codice oggetto Corso di Programmazione - DIB 20/47 Processo di Compilazione Fasi Analisi Lessicale Divisione della stringa di caratteri del programma in token Segni di interpunzione, nomi di dati, operatori, parole riservate Analisi Sintattica Definizione della struttura sintattica del programma usando le regole grammaticali del linguaggio Generazione del Codice Generazione di appropriate istruzioni in linguaggio macchina per ogni elemento sintattico del programma L insieme finale di queste istruzioni è il programma oggetto Corso di Programmazione - DIB 21/47

8 Processo di Compilazione Le fasi sono tra loro interrelate I moduli di programma responsabili dell analisi sintattica possono utilizzare I moduli dell analisi lessicale per ottenere un token I moduli di generazione del codice per produrre il codice oggetto dell istruzione analizzata Per capire come vengono effettuate le analisi è necessaria la teoria dei linguaggi Corso di Programmazione - DIB 22/47 Alfabeto Insieme finito e non vuoto di simboli primitivi (caratteri) tramite i quali è possibile costruire gli elementi base del linguaggio Esempio: Alfabeto dei numeri reali A = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, +,,.} Corso di Programmazione - DIB 23/47 Concatenazione di Simboli di un alfabeto L oggetto ottenuto prendendo nell ordine i simboli da concatenare Esempio: Dato l alfabeto per i numeri reali La concatenazione di 3 e 4 è 34 La concatenazione di +, 4, 7,. e 5 è La concatenazione di 4,., 7,. e 5 è 4.7.5!!!! Non tutte le sequenze di simboli che si possono costruire sono frasi significative del linguaggio Corso di Programmazione - DIB 24/47

9 Stringa o Parola su un alfabeto Sequenza di simboli ottenuta come concatenazione di un numero finito di elementi dell alfabeto Λ denota la stringa non contenente alcun simbolo (parola vuota) La concatenazione di due parole Parola formata dai simboli della prima seguiti da quelli della seconda Esempi: Λp = pλ = p per ogni parola p la concatenazione di +3 con 4.5 è Corso di Programmazione - DIB 25/47 Prodotto di Insiemi di Parole su un alfabeto Insieme ottenuto concatenando ogni parola di un insieme con ogni parola dell altro Esempio: concatenando {1, 21, 1.4} con {2, 398} si ottiene {12, 1398, 212, 21398, 1.42, } Corso di Programmazione - DIB 26/47 Potenza di un Alfabeto A A è un particolare insieme di parole su A Si possono considerare i prodotti AA AAA Esempio: per l alfabeto dei numeri reali fanno parte di A Le ultime due stringhe non fanno parte dei numeri reali Corso di Programmazione - DIB 27/47

10 A n Potenza di un Alfabeto A Parole costituite da n simboli dell alfabeto A A 0 = {Λ} A 1 = A A 2 = AA A 3 = AAA n è detta lunghezza della parola Corso di Programmazione - DIB 28/47 Chiusura di un Alfabeto A Bisogna delimitare l universo linguistico esprimibile Tutte le possibili parole di lunghezza finita costituite da simboli dell alfabeto A + = A 1 A 2 A n Insieme di tutte le parole su A di lunghezza finita Unione di tutti gli insiemi di parole di varia lunghezza A * = {Λ} A + Chiusura di A Corso di Programmazione - DIB 29/47 Linguaggio su un alfabeto A Un sottoinsieme di A * Tra le parole di A * ci sono parole ammesse nel linguaggio e parole non ammesse Linguaggio Generato da una Grammatica Insieme delle frasi costruite, a partire dall alfabeto, secondo le regole specificate da una grammatica Corso di Programmazione - DIB 30/47

11 Simboli Non Terminali Non fanno parte dell alfabeto Sono variabili Rappresentano opportune sequenze di simboli Nomi che specificano le categorie sintattiche Componenti delle frasi del linguaggio generato dalla grammatica Il loro insieme è detto alfabeto dei simboli non terminali Su di esso è costruito il metalinguaggio Corso di Programmazione - DIB 31/47 Simboli Non Terminali Esempio Linguaggio naturale Parole classificate in frase, soggetto, predicato, articolo, nome, verbo, ecc. <soggetto > <articolo> <nome> il cane Linguaggio algebrico <formula> <variabile> = <espressione aritmetica> x = y + z * 12 Corso di Programmazione - DIB 32/47 Regola o Produzione Coppia ordinata di parole (p, q) tale che, se A è l alfabeto dei simboli terminali N è l alfabeto dei simboli non terminali p e q possono appartenere tanto ad A* N* Scriviamo p q la stringa p produce la stringa q la stringa p può essere riscritta come q p ( Λ) è detta parte sinistra q è detta parte destra Corso di Programmazione - DIB 33/47

12 Regola o Produzione Convenzione Le parti destre di produzioni con la stessa parte sinistra si possono riunire come alternative in un unica parte destra, separate col simbolo ( oppure ) Esempio p q p r p s p t si può compattare in p q r s t Corso di Programmazione - DIB 34/47 Grammatica Insieme delle regole che consentono di definire, tra tutte le possibili sequenze di simboli di lunghezza finita che si possono costruire, quelle lecite (frasi) Le regole di formazione delle frasi del linguaggio si dicono regole di produzione Coinvolgono simboli dell alfabeto ed altri simboli che rappresentano categorie sintattiche Corso di Programmazione - DIB 35/47 Grammatica Quadrupla [Chomsky] G = < A, N, α, P > A alfabeto terminale N alfabeto non terminale α scopo della grammatica (simbolo di partenza) P insieme delle regole di produzione Corso di Programmazione - DIB 36/47

13 Grammatica Esempio Grammatica che genera il linguaggio dei numeri pari A = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} N = {α, β} α indica il numero pari Scopo per cui costruiamo la grammatica β indica un numero qualunque P = { α βα , β β0 β1 β2 β8 β9 } Corso di Programmazione - DIB 37/47 Grammatica Esempio A = {il, la, cane, donna, mangia, dorme} N = { <frase>, <soggetto>, <articolo>, <nome>, <verbo>} α = <frase> P = { <frase> <soggetto> <verbo> <soggetto> il <nome> la <nome> il <nome> il cane la <nome> la donna <verbo> dorme mangia } Corso di Programmazione - DIB 38/47 Generazione di Stringhe Una stringa di terminali e non, S 1, genera un altra stringa S 2 Direttamente (S 1 S 2 ) Indirettamente (S 1 * S 2 ) se quest ultima si ottiene dalla prima applicando Una produzione Una sequenza di produzioni della grammatica Corso di Programmazione - DIB 39/47

14 Forma (Normale) di Backus-Naur BNF Notazione per scrivere la grammatica Usata per specificare la sintassi di un linguaggio di programmazione Simboli non terminali scritti fra parentesi angolari < > Simbolo sostituito da ::= Corso di Programmazione - DIB 40/47 Forma di Backus-Naur Esempio Grammatica per i numeri pari (infiniti) <numero pari>::= <numero><numero pari> <numero> ::= <numero> 0 <numero> è ottenibile? <numero pari>::= <numero><numero pari> ::= <numero>2 ::= <numero>32 ::= <numero>932 ::= <numero>4932 ::= Corso di Programmazione - DIB 41/47 Forma di Backus-Naur Esempio Grammatica per le stringhe palindrome Simmetria speculare <frase> ::= Λ <frase> ::= a<frase>a <frase> ::= b<frase>b È possibile derivare infinite stringhe Corso di Programmazione - DIB 42/47

15 Carte Sintattiche Grafi costituiti da blocchi uniti da frecce Blocchi arrotondati Simboli terminali del linguaggio Blocchi rettangolari Simboli non terminali Rimandi alla corrispondente carta sintattica Frecce Indicano le vie percorribili per costrutti validi I bivi rappresentano possibilità alternative Corso di Programmazione - DIB 43/47 Carte Sintattiche Iniziando dalla carta principale, seguire le frecce Quando si dipartono scegliere una strada Attraversando un blocco arrotondato Trascriverne il contenuto Attraversando un blocco rettangolare, passare alla carta corrispondente e seguirla Ogni carta ha esattamente un inizio e una fine, come il blocco Corso di Programmazione - DIB 44/47 Carte Sintattiche Ogni traiettoria percorsa nel verso delle frecce definisce un costrutto sintattico valido del linguaggio Tutti i simboli terminali incontrati nel percorso ed in quella data sequenza costituiscono una frase legale del linguaggio Corso di Programmazione - DIB 45/47

16 Carte Sintattiche Esempio Corso di Programmazione - DIB 46/47 Carte Sintattiche Esempio Identificatore: Lettera seguita (eventualmente) da lettere o cifre <identificatore> ::= <lettera> <lettera><stringa alfanumerica> <stringa alfanumerica> ::= <lettera> <cifra> <lettera><stringa alfanumerica> <cifra><stringa alfanumerica> <lettera> ::= a b c d e f g h z <cifra> ::= lettera lettera cifra Corso di Programmazione - DIB 47/47