Metodologie di programmazione in Fortran 90

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1 Metodologie di programmazione in Fortran 90 Ing. Luca De Santis DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica Anno accademico 2007/2008 Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 1 / 18

2 Cosa vedremo in questa lezione 1 Verifica della correttezza dei programmi 2 Metodologie di progettazione di programmi 3 Esempio di applicazione della metodologia Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 2 / 18

3 Errori di programmazione Verifica della correttezza dei programmi Scrivere un programma non banale senza commettere errori è praticamente impossibile Gli errori sono chiamati bug E la loro correzione debugging Diverse tipologie di errori: Errori sintattici Errori di run-time Errori logici Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 3 / 18

4 Verifica della correttezza dei programmi Correttezza di un programma Sintassi: insieme di regole grammaticali Correttezza sintattica: Il programma è scritto correttamente rispetto alle regole sintattiche del Fortran 90? Esempi di programmi Fortran 90 sintatticamente scorretti, ovvero con errori sintattici: PROGAM al posto di PROGRAM END PROGRAM al posto di END PROGRAM ciao Il compilatore controlla solamente la correttezza sintattica Semantica: significato (delle istruzioni, del programma) Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 4 / 18

5 Verifica della correttezza dei programmi Correttezza di un programma Sintassi: insieme di regole grammaticali Semantica: significato (delle istruzioni, del programma) Correttezza semantica: Il programma fa quanto previsto dalle specifiche? Il compilatore non è in grado di controllare la correttezza semantica, che è a carico del programmatore! Errori semantici in un programma generano errori logici e di run-time Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 4 / 18

6 Verifica della correttezza dei programmi Differenza fra sintassi e semantica ESEMPIO: Differenza fra sintassi e semantica (in italiano): In italiano una regola grammaticale afferma che una frase può essere composta nel seguente modo: <soggetto> <verbo> <complemento oggetto> Due frasi grammaticalmente (sintatticamente) corrette: 1. la scimmia mangia la banana 2. la banana mangia la scimmia La frase 1 ha un significato chiaro, la 2 no! CONCLUSIONE: Possiamo scrivere programmi Fortran 90 sintatticamente corretti, ma semanticamente SCORRETTI, ovvero che NON FANNO CIÒ CHE DOVREBBERO FARE! Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 5 / 18

7 Debugging Verifica della correttezza dei programmi La metodologia completa per la correzione (o debugging) dei programmi non viene trattata in questo corso. Queste sono alcune regole da seguire: 1. Isolare la parte di codice responsabile dell errore. Di quale parte del codice sono assolutamente sicuro che sia corretta? 2. Metodo delle stampe: Inserire nel programma, al termine di ogni passo importante, istruzioni di stampa delle variabili manipolate. Serve per capire in quali condizioni si verifica l errore. Esempio: resto_ore = MOD(ore,2) WRITE(*,*) RESTO_ORE =, resto_ore... resto_minuti = MOD((minuti + resto_ore*60),2) WRITE(*,*) RESTO_MINUTI =, resto_minuti Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 6 / 18

8 Debugging (cont.) Verifica della correttezza dei programmi 3. SE le informazioni ottenute sono SUFFICIENTI la capire la causa dell errore: ALLORA correggere l errore ALTRIMENTI tornare al punto 2, cambiando/aggiungendo stampe OPPURE ritornare al punto 1, considerando un altra parte del programma Alcuni suggerimenti Attenzione a Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 7 / 18

9 Verifica della correttezza dei programmi Debugging (cont.) 3. SE le informazioni ottenute sono SUFFICIENTI la capire la causa dell errore: ALLORA correggere l errore ALTRIMENTI tornare al punto 2, cambiando/aggiungendo stampe OPPURE ritornare al punto 1, considerando un altra parte del programma Alcuni suggerimenti Non utilizzare istruzioni eccessivamente lunghe Controllare le parentesi e i tipi dato delle variabili Verificare che tutte le variabili siano state inizializzate in modo corretto Attenzione a Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 7 / 18

10 Verifica della correttezza dei programmi Debugging (cont.) 3. SE le informazioni ottenute sono SUFFICIENTI la capire la causa dell errore: ALLORA correggere l errore ALTRIMENTI tornare al punto 2, cambiando/aggiungendo stampe OPPURE ritornare al punto 1, considerando un altra parte del programma Alcuni suggerimenti Attenzione a Non correggere parti del programma già corrette! Non introdurre nuovi errori durante la correzione! Evidenziare con un commento le modifiche apportate! Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 7 / 18

11 Progettazione di un programma Metodologie di progettazione di programmi Cosa abbiamo: Specifica, in linguaggio naturale, del problema. Chiarisce cosa debba fare il programma. Cosa dobbiamo produrre: Un programma in Fortran 90, corretto rispetto alle specifiche. Vogliamo due tipi di correttezza: sintattica e semantica. Metodo da usare: Ne esistono vari, noi ci concentreremo su una molto semplice ed efficace: Metodologia Top-Down Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 8 / 18

12 Metodologie di progettazione di programmi Algoritmo L algoritmo (da Al-Khuwarizmi, matematico Arabo del IX secolo) è una sequenza di regole: non ambigue eseguibili la cui esecuzione deve terminare, ovvero non può proseguire indefinitamente. Tutti i programmi sono descrivibili mediante un algoritmo Le maggiori difficoltà nel risolvere un problema mediante un programma non è nello scrivere codice ma nel determinare l algoritmo giusto L algoritmo è indipendente dal linguaggio di programmazione Una volta determinato un algoritmo questo può essere implementato in qualsiasi linguaggio di programmazione Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 9 / 18

13 Metodologie di progettazione di programmi Metodologia Top-Down Principio di base: Divide et Impera Risolvere problemi piccoli è spesso più semplice che risolvere problemi molto grandi! Suddividere iterativamente il problema in tanti sotto-problemi Il processo di progettazione dei programmi 1. Definizione del problema 2. Definizione dei dati di input e di output 3. Progettazione dell ALGORITMO Utilizzando la metodologia top-down 4. Codifica dell algoritmo in un linguaggio di programmazione 5. Test del programma Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 10 / 18

14 Fasi principali nella progettazione Metodologie di progettazione di programmi Scomposizione e raffinamento iterativo del problema Possono essere applicate molte volte prima di ottenere un buon livello di dettaglio Scomposizione: si determinano grossolanamente i vari sotto-problemi Raffinamento: si definiscono con precisione, per ogni sotto-problema, le regole dell algoritmo di risoluzione Scrittura di un algoritmo, utilizzando: Linguaggio intermedio fra il linguaggio naturale e il linguaggio di programmazione (pseudocodifica). Diagrammi di flusso Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 11 / 18

15 Metodologie di progettazione di programmi Pseudocodice e diagrammi di flusso Pseudocodice Ibrido linguaggio di programmazione - linguaggio naturale Strumento molto flessibile ed efficace Non sono necessari programmi specifici La codifica può essere scritta nel codice stesso! Facile traduzione in istruzioni del linguaggio di programmazione Diagrammi di flusso Rappresentazione grafica delle istruzioni Vantaggio principale: notazione intuitiva Svantaggio principale: tendono a degenerare ( spaghetti programming ) Sconsigliati come strumento progettuale OK per la presentazione di algoritmi da non modificare Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 12 / 18

16 Metodologie di progettazione di programmi Codifica e test del programma Codifica algoritmo in Fortran 90: Editing, ovvero scrittura del file contenente il codice Compilazione, ovvero generazione del codice oggetto (Istruzioni comprensibili per il calcolatore) Compilazione, ovvero generazione di un programm a eseguibile sul calcolatore Alcune suggerimenti: Commentare le dichiarazioni di variabili Migliorare la leggibilità del codice (commenti, indentazione, etc) Riportare nel codice i punti dell algoritmo (tracciabilita ) Nel caso di errori di compilazione, solo il primo è sicuramente significativo Se questa fase ha avuto successo, si è ottenuto un programma corretto sintatticamente Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 13 / 18

17 Metodologie di progettazione di programmi Verifica della correttezza di un programma Test del programma (La metodologia completa non viene trattata in questo corso). Alcune semplici regole da seguire: Un solo test non basta! L insieme dei test deve fare eseguire tutte le istruzioni del programma almeno una volta! Atteggiamento mentale: lo scopo del test è trovare gli errori! un test ha successo se viene scoperto almeno un errore! Controllare ogni singolo modulo indipendentemente Semplice metodologia di verifica: 1. Scelta dei dati di test 2. Calcolo (con altri metodi!, spesso a mano) delle soluzioni esatte su di essi 3. Esecuzione del programma sui dati scelti 4. Confronto con le soluzioni esatte Se questa fase ha avuto successo, si è sulla buona strada per la correttezza semantica Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 14 / 18

18 Esempio di applicazione della metodologia Esempio: metà di una quantità di tempo Specifica del problema in linguaggio naturale Scrivere un programma che: 1. Legga tre interi o, m, s che rappresentano una quantità di tempo q inferiore ad un giorno, espressa in ore, minuti e secondi 2. Stampi una quantità di tempo pari alla metà di q, nello stesso formato ed arrotondata per difetto. Si assuma che i dati in input rispettino le condizioni 0 o 23 e 0 m, s 59. L output fornito dal programma deve rispettare le stesse condizioni. Definizione dei dati di input e output Progetto dell algoritmo: primo livello di scomposizione Progetto dell algoritmo: raffinamento del punto 2 Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 15 / 18

19 Esempio di applicazione della metodologia Esempio: metà di una quantità di tempo Specifica del problema in linguaggio naturale Definizione dei dati di input e output Input: tre interi o, m, s che rappresentano una quantità di tempo q inferiore ad un giorno, espressa in ore, minuti e secondi (0 o 23 e 0 m, s 59). Output: quantità di tempo pari alla metà di q, nello stesso formato ed arrotondata per difetto. Progetto dell algoritmo: primo livello di scomposizione Progetto dell algoritmo: raffinamento del punto 2 Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 15 / 18

20 Esempio di applicazione della metodologia Esempio: metà di una quantità di tempo Specifica del problema in linguaggio naturale Definizione dei dati di input e output Progetto dell algoritmo: primo livello di scomposizione 1. Acquisizione input 2. Elaborazione della metà del tempo 3. Stampa output Algoritmo universale : non molto significativo! Progetto dell algoritmo: raffinamento del punto 2 Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 15 / 18

21 Esempio di applicazione della metodologia Esempio: metà di una quantità di tempo Specifica del problema in linguaggio naturale Definizione dei dati di input e output Progetto dell algoritmo: primo livello di scomposizione Progetto dell algoritmo: raffinamento del punto o2 = o diviso 2 (senza resto) 2.2. resto ore = resto di (o diviso 2) 2.3. m2 = (m + resto ore*60) diviso 2 (senza resto) 2.4. resto minuti = resto di (m + resto ore*60) diviso s2 = (s + resto minuti*60) diviso 2 (senza resto) Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 15 / 18

22 Codifica del programma Esempio di applicazione della metodologia 1! F i l e : meta tem. f 9 0 2! Time stamp : 01/12/ : 0 7 : 3 2 c a d o l i 3! Scopo : c a l c o l o meta q u a n t i t a d i tempo 4 5 PROGRAM m e t a d e l t e m p o 6! Questo programma : 7! legge t r e i n t e r i o,m, s che rappresentano una quantita di tempo q 8! i n f e r i o r e ad un g i o r n o, e s p r e s s a i n ore, m i n u t i e s e c o n d i, 9! stampa una q u a n t i t a d i tempo p a r i a l l a meta d i q, n e l l o s t e s s o 10! formato ed a r r o t o n d a t a p e r d i f e t t o. 11! S i assume che i d a t i i n i n p u t r i s p e t t i n o l e c o n d i z i o n i 12! 0 <= o <= 23 e 0 <= m, s <= 59 13! Anche l o u tput v i e n e f o r n i t o r i s p e t t a n d o t a l i c o n d i z i o n i. 14! ESEMPIO 1 : 15! INPUT : o = 2, m = 20, s = 40 16! OUTPUT: o2 = 1, m2 = 10, s2 = 20 17! ESEMPIO 2 : 18! INPUT : o = 15, m = 55, s = 50 19! OUTPUT: o2 = 7, m2 = 57, s2 = ! SEZIONE DICHIARATIVA 22 IMPLICIT NONE 23 INTEGER : : o, m, s! d a t i d i i n p u t 24 INTEGER : : o2, m2, s2! p e r i l r i s u l t a t o f i n a l e 25 INTEGER : : r e s t o o r e, r e s t o m i n u t i! p e r i r i s u l t a t i i n t e r m e d i Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 16 / 18

23 Codifica del programma (cont.) Esempio di applicazione della metodologia 27! SEZIONE ESECUTIVA 28! ALGORITMO : 29! 1. a c q u i s i z i o n e i n p u t 30! 2. e l a b o r a z i o n e d e l l a meta d e l tempo 31! 3. stampa o u tput 32! RAFFINAMENTO DEL PUNTO 2 : 33! o2 = o d i v i s o 2 ( s e n z a r e s t o ) 34! r e s t o o r e = r e s t o d i o d i v i s o 2 35! m2 = (m + r e s t o o r e 60) d i v i s o 2 ( s e n z a r e s t o ) 36! r e s t o m i n u t i = r e s t o d i (m + r e s t o o r e 60) d i v i s o 2 37! s2 = ( s + r e s t o m i n u t i 60) d i v i s o 2 ( s e n z a r e s t o ) 38 39! WRITE(, ) I n s e r i s c i t r e i n t e r i che r a p p r e s e n t a n o ore, m i n u t i e s e c o n d i : 41 READ (, ) o, m, s 42 43! o2 = o/2! r e s t o o r e = MOD( o, 2 )! m2 = (m + r e s t o o r e 60) / 2! r e s t o m i n u t i = MOD( (m + r e s t o o r e 60),2)! s2 = ( s + r e s t o m i n u t i 60) / 2! ! WRITE(, ) La meta d e l l a q u a n t i t a d i tempo p a r i a 52 WRITE(, ) o, ore,, m, m i n u t i e, s, s e c o n d i v a l e : 53 WRITE(, ) o2, ore,, m2, m i n u t i e, s2, s e c o n d i STOP 56 END PROGRAM m e t a d e l t e m p o Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 17 / 18

24 Verifica della correttezza Esempio di applicazione della metodologia Casi da verificare: 1. senza resti 2. con resto ore, ma senza resto minuti 3. con entrambi i resti Insieme di dati di test: a) o = 2, m = 20, s = 40 b) o = 3, m = 20, s = 40 c) o = 15, m = 55, s = 50 Calcolo (a mano!) dell output atteso a) o = 1, m = 10, s = 20 b) o = 1, m = 40, s = 20 c) o = 7, m = 57, s = 55 Se l output del programma coincide con quello calcolato a mano in questi tre casi, siamo ragionevolmente sicuri della sua correttezza semantica. Altrimenti, dobbiamo correggere il programma, oppure l algoritmo! Fortran 90: Metodologie di programmazione DIS - Dipartimento di informatica e sistemistica 18 / 18