Projeto e Implementação de um Software para auxilio no Ensino de Linguagens Regulares

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1 Prjet e Implementaçã de um Sftware para auxili n Ensin de Linguagens Regulares Jsé Rbsn de Assis 1, Marln Oliveira da Silva 1. Faculdade de Ciências Exatas e Cmunicaçã (FACEC) Universidade Presidente Antôni Carls (UNIPAC) Barbacena - MG rbsbq@htmail.cm, marlns.br@gmail.cm Resum. Este artig apresenta a mdelagem e a implementaçã d SisLR Sistema de Linguagens Regulares, sftware educativ vltad para auxíli n ensin das linguagens regulares. O SisLR permite a alun a criaçã e validaçã ds autômats através de uma interface gráfica interativa e de fácil usabilidade, tentand assim amenizar a dificuldade encntrada pels aluns quand iniciam estud das linguagens frmais. 1. Intrduçã A teria das linguagens frmais fi riginalmente desenvlvida na década de 1950 cm bjetiv de desenvlver terias relacinadas cm as linguagens naturais. Após esse estud fi verificad que essa teria apresentava fundaments teórics essenciais para estud das linguagens artificiais (linguagens regulares, livres de cntext), em especial, para as linguagens riginárias da cmputaçã (MENEZES, 2005). Linguagens regulares, livres de cntext, sensíveis a cntext e recursivamente enumeráveis sã assunts abrdads pel estud das linguagens frmais. Linguagens frmais é uma disciplina em que a mairia ds aluns apresentam dificuldades n iníci de seus estuds, iss devid a alt grau de abstraçã exigid, principalmente n estud das linguagens regulares n qual é intrduzid cnceit de autômats. Iss pôde ser cmprvad através de uma pesquisa, detalhada na seçã 5 desse trabalh, feita cm aluns d 6º períd d curs de Ciência da Cmputaçã da Universidade Presidente Antni Carls (UNIPAC) que estã estudand a disciplina. Uma pssível sluçã para tentar amenizar essa dificuldade encntrada pels aluns, está n us de sftwares educativs que pssibilitem a simulaçã, a criaçã e a validaçã de autômats, através de uma interface gráfica de grande usabilidade. Este tip de aplicaçã permite uma mair cmpreensã e aplicaçã ds cnceits estudads na teria das linguagens frmais. Este trabalh apresenta a mdelagem e a implementaçã de uma ferramenta educativa e interativa, denminada Sistema de Linguagens Regulares (SisLR), que auxilie n estud de cnteúds relacinads a linguagens regulares.

2 Este artig está rganizad da seguinte frma: a Seçã 2 apresenta a fundamentaçã teórica; a Seçã 3 apresenta s trabalhs relacinads e suas características; a Seçã 4 mstra a mdelagem e a implementaçã da ferramenta SisLR; a Seçã 5 apresenta análise e a discussã ds resultads btids cm us da ferramenta. Finalmente, a Seçã 6 cnclui artig apresentand as sugestões de trabalhs futurs. 2. Fundamentaçã Teórica Nesta seçã sã apresentads cnceits básics relacinads a estud de linguagens regulares Linguagens Regulares Linguagens regulares cnstituem a classe de linguagens cm menr pder de representaçã, segund a hierarquia de Chmsky, send pssível desenvlver algritms de recnheciment de grande eficiência e de fácil implementaçã. Há várias aplicações envlvend us de Linguagens Regulares, cm exempl pdems citar a analise léxica, e mais recentemente sistemas de animaçã, hipertexts e hipermídias (MENEZES, 2005). Linguagens regulares pdem ser representadas pr um Autômat Finit Determinístic (DFA - Deterministic Finite Autmata), Autômat Finit Nã Determinístic (NFA - Nt Deterministic Finite Autmata) e pr uma Expressã Regular (ER) Autômat Finit Um autômat finit é um mdel matemátic (máquina abstrata) de um sistema cm entradas e saídas discretas. Pde ser determinístic (DFA) u nã-determinístic (NFA), n qual nã-determinístic significa que mais de uma transiçã para fra de um estad pde ser pssível para mesm símbl de entrada. Tant s autômats finits determinístics quant s nã determinístics sã capazes de recnhecer precisamente s cnjunts regulares (MENEZES, 2005) Autômat Finit Determinístic (DFA) Um autômat finit determinístic é uma estrutura matemática cnstituída de três tips de entidades: um cnjunt de estads, um alfabet e um cnjunt de transições. Ds estads, destaca-se um cm estad inicial, e destaca-se um subcnjunt de estads cm send cmpst ds estads finais. Um autômat finit Determinístic (DFA) é uma quíntupla (K,Σ,δ,q 0,F), n qual (VIEIRA,2004): K é um cnjunt finit, nã vazi, de estads; Σ: é um alfabet finit de entrada;

3 δ: K x Σ K é a funçã de transiçã, funçã ttal; q 0 : é denminad estad inicial e q 0 Є K ; F é cnjunt de estads finais e F C K Autômat Finit Nã Determinístic (NFA) Um NFA é uma abstraçã de um DFA, que permite a inserçã d nã-determinism. Desta frma, pde haver múltiplas pssibilidades de açã para um dad par estad X símbl. Em um NFA, nã-determinism pde ser implementad de duas frmas: Múltiplas saídas cm mesm símbl e transições em vazi (ξ) (MENEZES, 2005). O prcessament de um NFA é semelhante a prcessament de um DFA, apenas cm uma diferenciaçã - um DFA prcessa em linha, enquant um NFA prcessa através de uma árvre de pssibilidades, em que se um ds rams alcançarem um estad final, este será caminh d prcessament (MENEZES, 2005). 2.3 Expressões Regulares Tda Linguagem regular pde ser descrita pr uma expressã denminada expressã regular (ER). Trata-se de um frmalism dentacinal, também cnsiderad geradr, pis pde inferir cm cnstruir (gerar) as palavras de uma linguagem. Uma ER é definida recursivamente a partir de cnjunts (linguagens) básics e perações de cncatenaçã e uniã (MENEZES, 2005). 3. Trabalhs Relacinads Nesta seçã sã apresentadas ferramentas de auxíli n ensin de linguagens regulares. Cada ferramenta será mstrada através de uma breve descriçã, apntand suas principais características. EduLing (DOGNINI, 2003) - desenvlvida em Object Pascal, vltada para auxíli e aprendizagem de linguagens regulares. O EduLing apresenta funções cm: criaçã e validaçã de uma ER e de um DFA, transfrmaçã de ER para um DFA u NFA e a de um DFA para uma ER. A ferramenta EduLing apresenta as seguintes características: interface gráfica interativa para criaçã e manipulaçã de autômats; tutrial sbre a disciplina que auxilia alun na cmpreensã da mesma; permite salvar e carregar s autômats criads; permite a visualizaçã pass a pass quand da validaçã de um DFA; apresenta limitações na parte de expressões regulares e autômats; nã permite a criaçã e validaçã de um NFA.

4 Auger (SLYMANSKI, 2004) - desenvlvida em Object Pascal, vltada para api a ensin de autômats finits. O Auger apresenta funções cm: criaçã de um DFA u NFA, validaçã de um DFA, transfrmaçã de um NFA para um DFA e a minimizaçã de um DFA. A ferramenta Auger apresenta as seguintes características: sftware apresenta uma interface gráfica interativa para a criaçã e manipulaçã de autômats; pssui uma ajuda de cm utilizar a ferramenta explicand funcinament d sftware; tutrial sbre a disciplina; permite salvar e carregar s autômats criads; visualizar pass a pass u cntinuamente a validaçã de um DFA; nã permite a manipulaçã de ER s e nã permite a validaçã de NFA. Language Emuladr (VIEIRA; VIEIRA; VIEIRA, 2002) - desenvlvida em Java, vltada para auxili n ensin de linguagens frmais. Language Emulatr apresenta cm funções: criaçã e manipulaçã de ER s, gramáticas regulares, DFA s, NFA s, máquinas de Mre e de Mealy e suas equivalências. A ferramenta Language Emuladr apresenta as seguintes características: a ferramenta nã apresenta uma interface gráfica interativa para criaçã e manipulaçã de autômats; nã permite salvar e carregar s autômats criads; apresenta limitações na validaçã de um NFA; Java Frmal Language and Autmata Package JFLAP (OLIVEIRA, 2005) - desenvlvida em Java, vltada para auxíli n estud Linguagens Frmais. JFLAP é uma ferramenta que permite criar e simular diverss tips de autômats e cnverter diferentes representações de linguagens. A ferramenta JFLAP apresenta as seguintes características: sftware apresenta uma interface gráfica interativa para a criaçã e manipulaçã de autômats; uma ajuda de cm utilizar a ferramenta; permite salvar as linguagens criadas; é uma excelente ferramenta para usuáris já familiarizads cm assunt, mas trna-se cnfusa a quem esta iniciand pr abranger várias linguagens frmais.

5 4. Mdelagem e implementaçã da ferramenta SisLR. O Sistema de Linguagens Regulares, dravante denminad SisLR, fi desenvlvid para platafrma Windws usand paradigma de prgramaçã rientada a bjets da linguagem Object Pascal d Delphi. Para a fase de prjet d SisLR fi utilizada a Linguagem de Mdelagem Unificada (UML - Unified Mdeling Language) na qual s diagramas fram cnstruíds utilizand-se a ferramenta case ARGOUML (ARGOUML, 2007). Figura 1. Diagrama de Cass de Us d SisLR. O SisLR fi cncebid para ser uma aplicaçã que pssibilitasse a usuári manipular DFA s, NFA s e ER s e suas equivalências (transfrmações entre estes frmalisms), cm pde ser vist n diagrama de cass de us, (Figura 1). Também dispnibiliza a usuári um tutrial sbre a disciplina que explica cada tópic da disciplina cm exempls e exercícis, além de uma ajuda de cm utilizar a ferramenta.

6 Figura 2. Arquitetura em três camadas. O SisLR fi mdelad cm uma arquitetura em três camadas (Figura 2), que permitiu uma mdularizaçã d sistema. Pr exempl, a interface gráfica de criaçã e manipulaçã de autômats, representads na camada de apresentaçã, é independente, u seja, permite que a interface de desenh ds autômats pssa ser mdificada u redesenhada sem a necessidade de alterar utras partes d sftware. A camada de apresentaçã cntém três classes: 1. DesenhaTrans: respnsável pr guardar as infrmações gráficas das transições (p. ex., crdenadas ds cmpnentes n editr gráfic); 2. DesenhaAutmat: nde sã implementads s algritms para criaçã e manipulaçã ds autômats na tela; 3. Mensagens: cria e exibe as mensagens de ajuda a usuári durante a execuçã d prgrama. A camada de dmíni da aplicaçã abrange tda a parte lógica d SisLR, nde sã implementadas as principais funções d prgrama através das seguintes classes: 1. Estad: armazena infrmações referentes a um estad dentr de um autômat, cm: nme e tip; 2. Transiçã: faz referência a uma transiçã dentr de um autômat; 3. Errs: respnsável pr verificar e ntificar errs cmetids na criaçã e manipulaçã de autômats;

7 4. NFA: implementa tdas as perações referentes a um NFA, cm s algritms para: validar um NFA, transfrmá-l em ER e transfrmá-l em DFA; 5. DFA: classe filha da classe NFA, s métds sbrescrits sã usads para validar e transfrmar um DFA em ER. A camada de acess as dads permite armazenament e a recuperaçã de arquivs XML que descrevem s autômats criads pel usuári. Arquivs XML pssibilitam uma interperabilidade mair entre ferramentas de criaçã e ediçã de autômats. Este módul encntra-se em desenvlviment. Figura 3. Tela inicial d SisLR. O funcinament d SisLR crre d seguinte md, a ferramenta permite a usuári determinar inicialmente se deseja criar um NFA u DFA, (Figura 3) em seguida slicita infrmações d autômat, cm linguagem e alfabet (Figura 4). Figura 4. Prpriedades d Autômat. O SisLR permite criar autômats através de uma interface gráfica de fácil manipulaçã, u seja, a ferramenta pssui um editr gráfic nde usuári adicina estads e faz transições cm mviments simples d muse.

8 Infrmações d autômat. Editr Gráfic Infrmações da Disciplina Figura 5. Tela principal d SisLR. A Figura 5 mstra a tela principal d sftware, nde pdems visualizar editr gráfic e utrs cmpnentes imprtantes d sistema, cm: camp infrmações d autômat que mstra s errs crrids quand da criaçã de um autômat e camp infrmações da disciplina que exibe a usuári infrmações relacinadas a cnteúd de linguagens regulares. Outra característica imprtante d SisLR é a frma cm ele valida tant um DFA quant um NFA, a ferramenta permite a usuári prcessar sua entrada de duas frmas: 1. validaçã pass a pass: ande usuári determina andar d prcessament da entrada (Figura 6); Figura 6. Validaçã Pass a Pass.

9 2. validaçã pr temp: ande usuári cnfigura um temp para que seja feita prcessament da entrada (Figura 7). Figura 7. Validaçã pr Temp. Cm esse tip de interface usuári pderá visualizar melhr cm é feit um prcessament de um DFA u NFA, verificand se sua entrada fi rejeitada u nã pel seu autômat. A ferramenta permite também: visualizar a matriz de transiçã d autômat, cnverter um DFA u NFA em expressã regular e, n cas de se criar um NFA, permite a cnversã graficamente de um NFA para um DFA. O SisLR apresenta cm diferencial em relaçã as sftwares descrits na Seçã 3 a junçã de características cnsideradas relevantes para um sftware de auxíli n ensin de linguagens regulares, cm: 1. interface gráfica para criaçã e manipulaçã de autômats: permite a usuári criar seus autômats de frma fácil e interativa; 2. perar cm NFA, DFA e ER: aplicar as principais funções envlvend esses frmalisms, cm: validar NFA u DFA, transfrmar NFA em DFA e transfrmar um NFA u DFA em ER; 3. tutrial da disciplina: material de ajuda abrdand cnceits, exempls e exercícis relacinads a ensin de linguagens regulares; 4. ajuda d Sistema: manual explicand as funcinalidades d sftware; 5. salvar autômats: permitir a usuári carregar e salvar seus autômats. A Tabela 1 mstra um quadr cmparativ entre s sftwares da Seçã 3 e SisLR ande sã avaliadas as características apntadas anterirmente.

10 Tabela 1. Cmparaçã entre s sistemas de linguagens regulares. Características Interface gráfica para criaçã e manipulaçã de autômats EduLin g Auger Language Emulad r JFLAP SisLR Sim Sim Nã Sim Sim Operar cm NFA, DFA e ER Nã Nã Sim Sim Sim Tutrial da Disciplina Sim Sim Nã Nã Sim Ajuda d Sistema Sim Sim Nã Sim Sim Salvar Autômats Sim Sim Nã Sim Sim 5. Análise e Discussã ds Resultads Obtids Cm a finalidade de avaliar a funcinalidade e necessidade d sftware prpst, realizu-se uma pesquisa envlvend 29 aluns d 6º períd d curs Ciência da Cmputaçã da Universidade Presidente Antni Carls UNIPAC. A pesquisa deu-se através das seguintes etapas. 1. Elabraçã de um questinári cmpst pr seis perguntas, que pssibilitaram bter um percentual d nível de entendiment ds aluns em seis atividades relacinadas à cmpreensã e manipulaçã de autômats finits. Para cada pergunta fram dispstas cinc alternativas: 1. muit difícil; 2. difícil; 3. regular; 4. fácil; 5. muit fácil. Cada questã investigu grau de cada atividade, a saber: a. criar um DFA; b. criar um NFA; c. transfrmar um NFA em DFA; d. visualizar prcessament de um DFA; e. visualizar prcessament de um NFA; f. diferenciar um DFA de um NFA. 2. Aplicaçã d questinári em sala de aula e análise ds resultads btids. 3. Apresentaçã d sftware para s aluns em labratóri mstrand suas funcinalidades através de exempls e exercícis. 4. Aplicaçã d mesm questinári em sala de aula e análise ds resultads btids, após us e cnheciment d SisLR.

11 Diferenciar DFA de NFA Visualizar Prcessament de um NFA Visualizar Prcessament de um DFA Muit Fácil Fácil Regular Dificil Muit dificil Transfrmar NFA em DFA Criar um NFA Criar um DFA 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Figura 8. Gráfic gerad antes d us SisLR. A Figura 8 mstra gráfic gerad na 2º etapa da pesquisa, pdems ntar que em média 30 % ds aluns apresentaram dificuldade em realizar as cinc primeiras tarefas, e que smente a última fi cnsiderada pela mairia, quase 50 %, uma tarefa fácil de realizar. Diferenciar DFA de um NFA Visualizar Prcessament de um NFA Visualizar Prcessament de um DFA Muit Fácil Fácil Regular Dificil Muit dificil Transfrmar NFA em DFA Criar NFA Criar DFA 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Figura 9. Gráfic gerad após us d SisLR. A Figura 9 mstra gráfic gerad na última etapa da pesquisa, nta-se uma diminuiçã, em média de 20%, n nível de dificuldade encntrad pels aluns nas

12 cinc primeiras atividades antes d us d SisLR e um aument cnsiderável n nível de facilidade para realizar as mesmas. A pesquisa mstru que us d SisLR aplicad junt a estud das linguagens regulares cnstitui uma ferramenta de grande ajuda a alun, pis cntribui para seu melhr desenvlviment e aprendizad. 6. Cnclusã e Trabalhs Futurs Neste trabalh fi mstrad cm us de ferramentas educativas n ensin de linguagens frmais pde cntribuir para aprendizad d alun, dand a ele a prtunidade de familiarizar-se mais cm assunt, pdend assim aplicar s cnceits envlvids de frma simples e de fácil aprendizad. Cm prpsta para desenvlviment d trabalh fi desenvlvid sftware Sistema de Linguagens Regulares (SisLR), para auxíli n ensin de linguagens regulares. As seguintes sugestões sã feitas para trabalhs futurs n SisLR: 1. desenvlviment da camada de acess a dads usand arquivs XML para pssibilitar a imprtaçã e exprtaçã ds autômats, que favrece a interperabilidade cm utrs sistemas de linguagens regulares; 2. aperfeiçament d mecanism de ajuda d SisLR, através d us de assistentes de sftware (wizards), cm us de técnicas de inteligência artificial que permitem a ferramenta sugerir a usuári caminhs alternativs na cnstruçã d seu autômat; 3. implementaçã d algritm de minimizaçã de um DFA, peraçã feita após a transfrmaçã de um NFA para DFA cm intuit de encntrar um autômat equivalente cm menr numer de estads pssíveis; 4. aperfeiçament da interface gráfica para manipulaçã de autômats, através da implementaçã de técnicas mdernas para visualizaçã de grandes quantidades de dads (autômats cm muits nós). 5. elabraçã de exercícis ande sftware avalie nível de aprendizad d alun, juntamente cm a emissã de um relatóri mstrand a análise percentual ds errs e acerts d alun. 6. desenvlviment de um aplicativ web, pssibilitand um mair alcance e cnheciment da ferramenta.

13 7. Bibligrafia ARGOUML (1996). Sftware Livre. Versã Tigris. Fevereir Dispnível em: < Acess em: junh de DOGNINI, Jsé Marln. (2003). EduLing Sftware Educacinal para Linguagens Regulares. Univali, Itajaí SC. MENEZES, Paul Blauth. (2005). Linguagens Frmais e Autômats, 5º Ediçã, UFRGS, Sagra Luzzat. OLIVEIRA, R. A. Rabel (2005). JFLAP JAVA Frmal and Autmata Package. Dispnível em Acessad em junh de SZYMANSKI, Charbel. (2004). Auger Ferramenta de api a ensin e autômats finits. Unisul, Santa Catarina SC. VIEIRA, J. Newtn. (2004). Linguagens e Máquinas: Uma Intrduçã as Fundaments da Cmputaçã. Departament de Ciências Cmputaçã, UFMG. VIEIRA, L. F. Menezes.; VIEIRA, M. A. Menezes.; VIEIRA, N. Jsé. (2002). Language Emulatr, uma ferramenta de auxíli n ensin de Teria da Cmputaçã. UFMG.