Linguagens de Programação. Introdução: Motivação, Avaliação, Categorização e Implementação de Linguagens

Transcrição

1 v.2016 Linguagens de Programação Introdução: Motivação, Avaliação, Categorização e Implementação de Linguagens Prof. Ricardo Couto A. da Rocha rcarocha@ufg.br UFG Regional de Catalão Material adaptado de: Slides de aula do Prof. Bruno Silvestre (UFG/INF/Goiânia) Slides de referência do livro Concepts of Programming Languages, Robert Sebesta.

2 Roteiro Domínios de Programação Critérios de Avaliação de Linguagens Projeto de Linguagens Categorias Implementação Prof. Dr. Ricardo Couto Antunes da Rocha - Depto. de Ciência da Computação Regional de Catalão 2

3 Domínios de Programação 3

4 Domínios de Programação Aplicações científicas Computação com ponto flutuante; uso de arrays Fortran Aplicações comerciais Relatórios, números decimais e caracteres COBOL Inteligência artificial Manipulação de símbolos em vez de números; uso de listas LISP, Prolog 4

5 Domínios de Programação Programação de sistemas Eficiência na execução por causa do uso contínuo C Software para web Coleção eclética de linguagens: markup (e.g., HTML), scripting (e.g., PHP, Javascript), propósito geral (e.g., Java) 5

7 Critérios de Avaliação da Linguagem Legibilidade: facilidade com que os programas podem ser lidos e entendidos Redigibilidade: facilidade de uso de uma linguagem para criar programas para um domínio de problema escolhido Confiabilidade: um programa é confiável se ele se comportar de acordo com suas especificações em todas as situações 7

8 Critérios de Avaliação da Linguagem Legibilidade Redigibilidade Confiabilidade Simplicidade/ortogonalidade x x x Estruturas de controle x x x Tipos de dados e estruturas x x x Projeto de sintaxe x x x Suporte a abstrações x x Expressividade x x Checagem de tipos Tratamento de Exceções Restricted aliasing x x x 8

9 Critérios de Avaliação: Legibilidade Ponto de vista: Máquina x Homem Simplicidade como um todo Um conjunto gerenciável de características e construções Multiplicidade de recursos reduzida Sobrecarga de operadores mínima 9

10 Baixa Legibilidade: Exemplo 1 Foco: Máquina X Homem int main() max(int a, int b) { int int tmp; cont = 0; if cont++; (a > b) cont tmp = += a; 1; else cont++; ++cont; tmp = b; return tmp; 0; } } max: pushl %ebp movl %esp, %ebp subl $16, %esp movl 8(%ebp), %eax cmpl 12(%ebp), %eax jle.l2 movl 8(%ebp), %eax movl %eax, 4(%ebp) jmp.l3.l2: movl 12(%ebp), %eax movl %eax, 4(%ebp).L3: movl 4(%ebp), %eax leave 10

11 Baixa Legibilidade: Exemplo 2 Muitas maneiras de fazer a mesma coisa int main() { int cont = 0; count = count + 1; cont += 1; cont++; ++cont; return 0; } 11

12 Baixa Legibilidade: Exemplo 3 Sobrecarga de operador class Point { public: int x, y; Point(); Point(int, int); Point operator +(Point); }; Point::Point() { x = y = 0; } Point::Point(int a, int b) { x = a; y = b; } Point Point::operator +(Point param) { Point temp; temp.x = x + param.x; temp.y = y + param.y; return temp; } int main () { Point a(3,1); Point b(1,2); Point c; c = a + b; cout << c.x<< "," << c.y << endl; return 0; } 12

13 Critérios de Avaliação: Legibilidade Tipos de dados Tipos de dados adequados e pré-definidos Ex: C não tem booleanos (ou tem?) Considerações de sintaxe Formas dos identificadores: deve ser flexível Palavras especiais e bloco de sentenças Forma e significado: construções autodescritivas, palavras-chave significativas (e.g., static) 13

14 Critérios de Avaliação: Legibilidade Ortogonalidade Um conjunto relativamente pequeno de construções primitivas pode ser combinado em um número relativamente pequeno de maneiras Toda combinação possível é aceita, gerando menos exceções às regras da linguagem Exemplo em C: Retorno de arrays e structs? Criação de variável void? 14

15 Critérios de Avaliação: Legibilidade Ortogonalidade Qual o significado dos códigos destacados? int main() { int vet[3] = {10,20,30}; int *ptr; ptr = &vet[0]; ptr = ptr + 1; void hello() { printf( Hello\n ); } int main() { void x; } // Imprime 20 printf( %d\n, *ptr); return 0; } hello(); return 0; ptr (ptr+1) (ptr+2) vet 15

16 Critérios de Avaliação: Redigibilidade Geralmente os problemas que afetam a legibilidade também afetam a redigibilidade Cuidado ao comparar linguagens com focos diferentes: Visual Basic vs C Simplicidade e ortogonalidade Um número menor de construções primitivas e um conjunto consistente de regras para combiná-las é melhor do que ter um número grande de primitivas 16

17 Critérios de Avaliação: Redigibilidade Suporte à abstração Capacidade de definir e usar estruturas ou operações complicadas de uma maneira que permita ignorar muitos dos detalhes Abstração de processo Abstração de dados Exemplo: Função de ordenação em relatórios Implementação de árvore usando vetor 17

18 Critérios de Avaliação: Redigibilidade Suporte à abstração: Java vs Lua public class Obj { private int x; public Obj(int v) {x = v;} public void inc() {x++;} } Obj obj1 = new Obj(0); Obj obj2 = new Obj(2); obj1.inc() obj2.inc() local class = { index={}} function class. index.inc(self) self.x = self.x + 1 end obj1 = setmetatable({x=0},class) obj2 = setmetatable({x=2},class) obj1:inc() obj2:inc() 18

19 Critérios de Avaliação: Redigibilidade Expressividade Operadores ou funções que realizam operações poderosas e/ou complexas Por exemplo: APL Um conjunto de maneiras convenientes de especificar as operações. Por exemplo: cont++ vs count = count + 1 for vs while Número de operadores e funções pré-definidos 19

20 Critérios de Avaliação: Redigibilidade public class Foo { public static void main(string[] args) { int[] vet = new int[]{1,2,3,4,5}; for (int i = 0; i < vet.length; i++) System.out.println(vet[i]); } } for (int v : vet) System.out.println(v); 20

21 Critério de Avaliação: Confiabilidade Verificação de tipos Testar se existem erros de tipo Manipulação de exceções Interceptar erros em tempo de execução e realizar medidas corretivas r = fread (buf, 1, size, fd); if (r!= size) { // Erro } C try { fd.read(buf, 0, size); } catch(ioexception e) { // Erro } Java 21

22 Critério de Avaliação: Confiabilidade Legibilidade e redigibilidade Uma linguagem que não suporta maneiras naturais de expressar algoritmos usará, necessariamente, métodos não-naturais, reduzindo a confiabilidade Programas fáceis de escrever têm maior chance de estarem corretos Programas fáceis de ler são mais fáceis de entender, escrever e modificar 22

23 Critério de Avaliação: Custo Treinamento de programadores para usar a linguagem Custo de escrever programas: domínio da aplicação Custo de compilação: tempo e memória Compiladores estão melhores Custo de execução: requisitos mínimos do sistema Influenciado pelo projeto da linguagem Custo do sistema de implementação da linguagem Disponibilidade de compiladores gratuitos Confiabilidade: baixa confiabilidade eleva os custos Manutenção de programas 23

24 Critérios de Avaliação: Outros Portabilidade Facilidade de mudar programas de uma plataforma para a outra Generalidade Uso da linguagem em uma ampla variedade de aplicações Boa definição A completude e precisão da documentação oficial da linguagem 24

25 Resumo Razões para estudar conceitos de linguagens de programação Domínios de programação Critérios de avaliação da linguagem Legibilidade (readability) Redigibilidade (writability) Confiabilidade (reliability) Custo Portabilidade, generalidade e boa definição 25

26 Balanço no Projeto de Linguagens Confiabilidade vs Custo de execução Em Java todas as referências aos elementos de arrays são verificadas quanto à indexação correta. Isso aumenta os custos de execução. Legibilidade vs Redigibilidade APL fornece operadores muito poderosos (e um grande número de símbolos novos), permitindo que computações complexas sejam escritas em um programa compacto. No entanto, o custo da baixa legibilidade é alto. 26

27 Balanço no Projeto de Linguagens Redigibilidade vs Confiabilidade Ponteiros do C++ são poderosos e muito flexíveis, mas não são confiáveis. Java não adotou ponteiros. Alguns conflitos são óbvios, outros são mais sutis. 27

29 Influências sobre o Projeto da Linguagem Arquitetura do computador: linguagens são desenvolvidas em função da arquitetura mais atual (hoje von Neumann) 29

30 Influências sobre o Projeto da Linguagem Linguagens imperativas dominantes por causa da arquitetura Dados e programas mantidos na memória Memória separada da CPU Variáveis modelam células de memória Instruções e dados canalizados (piped) da memória para a CPU 30

31 Ciclo Fetch-Execute Iteração é eficiente Desencoraja o uso de recursão Impacto em linguagens funcionais initialize the program counter repeat forever fetch the instruction pointed by the counter increment the counter decode the instruction execute the instruction end repeat 31

32 Influências sobre o Projeto da Linguagem Metodologias de Programação: novas metodologias de desenvolvimento levam a novos paradigmas de programação e a extensões, ou mesmo novas linguagens de programação Orientação a objetos 32

33 Influências sobre o Projeto da Linguagem Anos 1950 e início dos anos 1960: aplicações simples; preocupação com a eficiência da máquina Fim dos anos 1960: eficiência das pessoas torna-se importante; legibilidade, melhores estruturas de controle Programação estruturada Projeto top-down e refinamento Fim dos anos 1970: orientação aos processos para orientação aos dados Abstração de dados Meados dos anos 1980: programação orientada a objetos Abstração de dados + herança + polimorfismo 33

35 Categorias de Linguagem Imperativa Características centrais são variáveis, declarações de atribuição, iteração Inclui as linguagens que suportam orientação a objetos Inclui linguagens de script Inclui linguagens visuais Exemplos: C, Java, Perl, JavaScript, Visual BASIC.NET, C++ Funcional Realiza computações aplicando funções aos parâmetros fornecidos Exemplos: LISP, Scheme, Haskell, ML 35

36 Categorias de Linguagem Lógica Baseada em regras Regras são especificadas sem uma ordem particular Exemplo: Prolog Marcação/híbrida Linguagens de marcação (markup) estendidas para suportar programação Exemplos: JSTL, XSLT 36

37 JSTL <c:choose> <c:when test="${el_expr1}">... </c:when> <c:when test="${el_expr2}">... </c:when>... <c:otherwise>... </c:otherwise> </c:choose> <c:foreach var="x" items="${m}" > ${x.key}: ${x.value} </c:foreach> <c:out value="el EXPRESSION" /> <c:set var="x" value="el EXPRESSION" /> <c:if test="el EXPRESSION" >... </c:if> 37

39 Visão em Níveis 39

40 Métodos de Implementação Compilação Programas são traduzidos para a linguagem de máquina Interpretação pura Programas são interpretados por outro programa conhecido por interpretador Implementação híbrida Meio-termo entre os compiladores e os interpretadores. 40

41 Método 1: Compilação Traduz programas de alto nível (código fonte) para o código de máquina (linguagem de máquina) Tradução lenta, execução rápida Processo de compilação tem várias fases 41

42 Compilação programa fonte Tabela de Símbolos Analisador Léxico Analisador Sintático Gerador de Código Intermediário (e analisador semântico Unidades léxicas Árvores de parsing Otimização Linguagem de máquina Gerador de código Computador Código intermediário Entrada Resultados 42

43 Compilação 43

44 Compilação Alguns compiladores C++ transformavam o código em C em vez de código intermediário Muitos compiladores são self-hosting, i. e., são escritos na própria linguagem que compilam Problema do ovo e a galinha? Técnica de bootstrapping 44

45 Método 2: Interpretação Pura Não há tradução Implementação mais fácil de programas Erros em tempo de execução podem ser facilmente e imediatamente mostrados (debug?) Execução mais lenta 10 a 100 vezes mais lenta que de programas compilados Requer mais espaço Atualmente pouco empregadas em linguagens de alto nível Uso com algumas linguagens de script para web Ex.: JavaScript e PHP 45

46 Método 3: Implementação Híbrida Meio-termo entre compiladores e interpretadores puros Um programa em uma linguagem de alto nível é traduzido para uma linguagem intermediária que permita a interpretação fácil Mais rápido que a interpretação pura Ex.: Programas em Perl são parcialmente compilados para detectar erros antes da interpretação Em Java, a forma intermediária (byte code) fornece portabilidade para qualquer máquina que tenha um interpretador e um sistema de execução Java Virtual Machine 46

47 Implementação Híbrida programa fonte Analisador Léxico Analisador Sintático Unidades léxicas Árvores de parsing Gerador de Código Intermediário Código intermediário Interpretador Entrada Resultados 47

48 JIT Just-in-Time Inicialmente traduz os programas para uma linguagem intermediária É feita a compilação dos subprogramas (estão na linguagem intermediária) para código de máquina quando são chamados A versão em código de máquina é mantida para chamadas subsequentes Java e.net oferecem compilador JIT Outras linguagens estão compilando para essas plataformas a fim de ter ganhos de portabilidade e desempenho 48

49 Pré-processadores Pré-processadores são normalmente usados para especificar que código de outro arquivo deve ser incluído Um pré-processador processa um programa imediatamente antes do programa ser compilado Exemplo conhecido: pré-processador C #include, #define, #if, etc. Macros do usuário Cuidado com efeito colateral! 49

50 Pré-processadores Quais são os códigos que serão gerados a partir dos seguintes pré-processamentos? #define dobro(x) (x + x) x = 2; y = dobro(++x); #define calc(x, y) (x + y * 2) z = calc(2, 1+5); #define inc(x, y) x++; y++; if (z > 10) inc(x, y) 50

51 Resumo Balanço no projeto de linguagens Combinar características conflitantes Influências sobre o projeto da linguagem Arquitetura e metodologia Categorias de linguagem Imperativa, funcional, lógica e marcação/híbrida Métodos de Implementação Compilação, interpretação e híbrido 51

52 Referências Sebesta, Robert W. Conceitos de linguagens de programação. Bookman Editora, Prof. Dr. Ricardo Couto Antunes da Rocha - Depto. de Ciência da Computação Regional de Catalão 52