Paradigmas de Programação

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1 Paradigmas de Programação Programação Orientada a Objetos Java Prof. Anselmo Cardoso Paiva Prof. Geraldo Braz Junior

2 Linguagem de Programação Linguagem destinada a ser usada por um ser humano para expressar um processo através do qual um computador pode resolver um problema processo Solução 2

3 Para que estudar linguagens? Desenvolvimento da habilidade em resolver problemas. Capacidade de extrair o máximo da funcionalidade e eficiência da LP. Escolha da LP apropriada de cada problema para a solução Facilidade para aprender outras linguagens. 3

4 O que Estudar? Sintaxe: gramática (forma) Semântica: significado Pragmática (ex.: metodologias) Processadores: compiladores, interpretadores, editores, ambientes visuais... 4

5 Histórico das LP FORTRAN (FORmula TRANslation)-1956-John Backus muito utilizada no meio técnico-científico disponibilidade de uma vasta biblioteca Contribuições: variáveis; comando de atribuição; conceito de tipos; modularidade (com o uso de subprogramas); E/S formatadas ; 5

6 Histórico das LP COBOL (COmmon Business Oriented Language) Código é "English-like" Padrão para as aplicações comerciais (até pouco tempo) Excelente para a manipulação de arquivos. Contribuições: código mais legível; estrutura de dados heterogênea (record). 6

7 Histórico das LP ALGOL 60 (ALGorithmic Oriented Language) Linguagem algébrica européia resolução de problemas científicos. Influência marcante Pouco usada em aplicações comerciais Contribuições: estrutura de blocos; comandos de controle estruturados; recursividade. 7

8 Histórico das LP LISP (LISt Processing) John McCartly(MIT) Linguagem funcional criada para dar suporte à pesquisa em Inteligência Artificial. Contribuição: pioneirismo na idéia de computação simbólica ou não-numérica. BASIC (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code) John Kemeny-Thomas Kurtz (Dartmouth College) Contribuições para futuras linguagens: ambiente de programação interativo; conceito de execução interpretativa de programas. 8

9 Histórico das LP PL/I (Programming Language I) -IBM Incorporou: ALGOL 60- estrutura de bloco, de controle e recursividade FORTRAN - subprogramas e E/S formatadas; COBOL - manipulação de arquivos e registros do LISP - alocação dinâmica e estruturas encadeadas linguagem complexa Contribuições: tratamento de interrupção suporte a multitarefa 9

10 Histórico das LP 10 SIMULA 67 destinada a sistemas e programação de simulações. Contribuição: conceito de classe PASCAL - Niklaus Wirth(1969) linguagem de fácil aprendizado e implementação; suporta programação estruturada; adequada para o ensino de programação; Influenciou quase todas posteriores Contribuições: Estruturas de controle flexíveis; tipos definidos pelo usuário; manipulação de arquivos; estruturas de dados heterogêneas e conjuntos.

11 Histórico das LP PROLOG (PROgramming in LOGic) desenvolvida para aplicações de IA Artificial baseada em lógica formal SMALL TALK - Alan Kay -Xerox - Palo Alto Ambiente de programação com menus pop-up, windows e mouse. Modelo OO: conceito de classe, encapsulamento, herança e instanciação. Contribuições: - 1ª a utilizar o paradigma de programação interativa; - Conceito de LP extensível; 11

12 Histórico das LP C - Bell Lab - início dos anos 70 implementação do UNIX. facilidades para a programação em "baixo nível" gera código compacto e eficiente Alta portabilidade MODULA 2 - Niklaus Wirth - final 70's 12 linguagem de propósito geral, baseada em melhorias no Pascal. Acrescentou: - possibilidade de implementar TAD; - existência de uma palavra-chave de terminação para toda estrutura de controle; - co-rotinas - execução intercalada; e tipos de procedimentos;

13 Por que tantas linguagens? Propósitos diferentes Avanços tecnológicos Interesses comerciais Cultura e background científico 13

14 Escolha de uma LP Implementação Competência na LP Portabilidade Sintaxe Semântica Ambiente de programação Modelo de computação- 14

15 O que é um paradigma de programação? Modelo, padrão ou estilo de programação suportado por linguagens que agrupam certas características comuns A classificação de linguagens em paradigmas é uma conseqüência de decisões de projeto que impactam radicalmente a forma na qual uma aplicação real é modelada do ponto de vista computacional 15

16 Paradigmas de LP Paradigma Imperativo - Computador FORTRAN, COBOL, ALGOL 60, APL, BASIC, PL/I, SIMULA 67, ALGOL 68, PASCAL, C, MODULA 2, ADA. Paradigma Funcional - solução do problema LISP. Paradigma Lógico - ser humano PROLOG. Paradigma Orientado a Objetos - problema SMALTALK, Java C++ : Linguagem híbrida Modelo Imperativo + Orientação a Objetos 16

17 O Paradigma Imperativo Solução do problema especificada na ótica do computador Programas centrados no conceito de um estado (modelado por variáveis) e ações (comandos) que manipulam o estado Paradigma também denominado de procedural, por incluir subrotinas ou procedimentos como mecanismo de estruturação Primeiro paradigma a surgir e ainda é o dominante 17

18 Vantagens e Desvantagens - Imperativo Vantagens - Eficiência (embute modelo de Von Neumann) - Modelagem natural de aplicações do mundo real - Paradigma dominante e bem estabelecido Desvantagens - erros introduzidos durante manutenção - descrições demasiadamente operacionais focalizam o como e não o que 18

19 O Paradigma Funcional Programas são funções que descrevem uma relação explícita e precisa entre E/S Estilo declarativo: não há o conceito de estado nem comandos como atribuição Aplicação: prototipação em geral e IA 19

20 Vantagens e Desvantagens - Funcional Vantagens - Manipulação de programas mais simples: - Prova de propriedades - Transformação (exemplo: otimização) - Concorrência explorada de forma natural 20 Desvantagens - O mundo não é funcional! - Implementações ineficientes - Mecanismos primitivos de E/S e formatação

21 Exemplo LP Funcional - Scheme Função que Calcula o Máximo de uma lista (define maximo ) (lambda (l) (if (null? (cdr l)) ; ultimo/unico elemento? (car l) (max (car l) (maximo (cdr l)) ) ) ) 21

22 O Paradigma Lógico Programas são relações entre E/S Estilo declarativo, como no paradigma funcional Na prática, inclui características imperativas, por questão de eficiência Aplicações: sistemas especialistas e banco de dados 22

23 Vantagens e Desvantagens - Lógico Vantagens Em princípio, todas do paradigma funcional Permite concepção da aplicação em um alto nível de abstração (através de associações entre E/S) Problemas Em princípio, todos do paradigma funcional Linguagens usualmente não possuem tipos, nem são de alta ordem 23

24 Exemplo Lp Lógico - Prolog Verifica se uma palavra é palíndroma. Exemplo de utilização: inicio(madam). % entrada e saida de dados inicio(x) :- ler(x), (X = para; teste(x), inicio(y)). teste(x) :- nome(x,n), palindromo(n), write(x), write(` e' palindroma'), nl,!. teste(x) :- write(x), write(` nao e' palindroma'), nl. % inversao e teste palindromo(x) :- inverte2(x,x). inverte2(l1,l) :- invconc(l1,[ ],L). invconc([h L],L,M) :- invconc(t,[h L],M). invconc([ ], L, L). 24

25 O Paradigma Orientado a Objetos Pode ser visto como uma subclassificacão do imperativo A diferença é mais de metodologia quanto à concepção e modelagem do sistema A grosso modo, uma aplicação é estruturada em módulos (classes) que agrupam um estado e operações (métodos) sobre este estado Classes podem ser estendidas e/ou usadas como tipos (cujos elementos são objetos) 25

26 Vantagens e Desvantagens - OO Vantagens Todas as do estilo imperativo Classes estimulam projeto centrado em dados: modularidade, reusabilidade e extensibilidade Aceitação comercial crescente Desvantagens Semelhantes às do paradigma imperativo, mas amenizadas pelas facilidades de estruturação 26

27 Tendência: integração de paradigmas A principal vantagem é combinar facilidades de mais de um paradigma, aumentando o domínio de aplicação da linguagem Exemplos: linguagens lógicas ou funcionais com o conceito de estado e comandos A integração deve ser conduzida com muita cautela, para que não se viole os princípios básicos de cada paradigma. 27

28 Outras Classificações Linguagens de 1a., 2a., 3a., 4a. e 5a. gerações Programação seqüencial versus concorrente Programação Linear versus orientada a eventos 28

29 29 Uma Visão histórica FORTRAN ALGOL-60...COBOL...LISP... SIMULA ALGOL-68 PL/I BASIC Pascal... Smalltalk C PROLOG Modula-2 ML Ada...DBASE-II... Eifell C++ Miranda Java Delphi Haskell...Godel... Orientado a objetos Imperativo Funcional Lógico

30 Paradigma de Orientação a Objetos

31 Paradigma de OO 1ª noção de objeto - Simula (Birtwistle, 1973) POO programador visualiza programa como uma coleção de objetos cooperantes que se comunicam através de mensagens. Cada objeto é uma instância de uma classe As classes estão organizadas em hieraquia Unifica dados e procedimentos Dá ênfase à estrutura de dados, adicionando funcionalidade a estas estruturas. Aspectos fundamentais: Abstração de dados; Objetos; Mensagens; Classes; Herança; Polimorfismo. 31

32 Abstração de dados Tipo Abstrato de Dados (TAD) o que constitui o tipo as operações aplicáveis representação Exemplo: TAD Pilha. Interface: boolean isempty() - verifica se a pilha está vazia push(int n) - empilha o número fornecido int pop() - desempilha o número do topo e o retorna int top() - retorna o número do topo Representação: vetor 32

33 Abstração de dados TAD pode ser usado sem qualquer conhecimento sobre sua implementação. Vantagens: Independência entre uso e implementação Manutenção da integridade do TAD Abstração de dados: introduz um novo tipo de objeto, útil no domínio do problema a ser resolvido. usuários dos tipos abstratos de dados tem comportamento do objeto dados estão ocultos aumento de confiabilidade 33

34 Abstração - Exemplo Plantação de alface hidropônico Sistema para monitorar as condições Elemento central: sensores para medir: temperatura, ph, luz,.. sensor: objeto que mede a temp. em uma posição identificação do sensor responsabilidades: o conhecer a temperatura na sua posição de medida o relatar a temp. medida. Operações: o perguntar a temperatura o Calibrar o sensor 34

35 Abstração - Exemplo Elemento SensorTemp Parte Públicas: SensorTemp(pos) - cria o sensor ~SensorTemp() - destroi o sensor Calibra( tempatual) - calibra o sensor real QualTemp() - devolve a temp. atual no sensor Parte Privada... 35

36 Objetos Entidade autônoma que combina a representação da informação (estruturas de dados) e sua manipulação (procedimentos) Compostos de: - Propriedades(atributos) - Comportamento (Métodos) - Identidade INTERFACE { OPERAÇÃO 1 OPERAÇÃO 2 ESTADO INTERNO OPERAÇÃO 3 IMPLEMENTAÇÕES DAS OPERAÇÕES 1, 2 E 3 36

37 Objetos Fácil identificar objetos Exemplo: Objetos do tipo empregado identidade única: CPF. Atributos: endereço idade dependentes salário cargo Comportamento (Operações): aumentar salário listar dependentes alterar cargo AUMENTAR SALÁRIO LISTAR DEPENDENTES NOME CARGO SALÁRIO 37

38 Objetos Vantagens: Modularidade: a unidade de programa que implementa um objeto pode ser escrita e mantida sem gerar alterações nas demais; Ocultamento de informação: Objeto possui interface pública que outros objetos usam para se comunicar com ele. Objeto mantêm informações e métodos particulares, que podem ser alterados a qualquer momento sem afetar os outros objetos que se comunicam com ele Não é necessário saber como o objeto é implementado para poder utilizá-lo. 38

39 Mensagens Aplicação OO: vários objetos interagindo fornece grande funcionalidade e comportamentos complexos. Interação através de mensagens objeto A envia mensagem para objeto B executar um de seus métodos informação adicional para B executar o métodos: lista de parâmetros Componentes: - o objeto a quem a mensagem é endereçada (receptor); o nome do método que se deseja executar; os parâmetros (se existirem) necessários ao método; Objetos em processos ou máquinas distintas podem comunicar-se através do uso de mensagens(corba, DCOm, etc.). Mensagem ~ uma chamada de subrotina (procedimento ou função). 39

40 Troca de Mensagens - Exemplo 1 "João deseja enviar flores para Maria mas ela mora em outra cidade. João vai, então, até a floricultura e pede a José, o floricultor, para que ele envie um bouquet de rosas ao endereço de Maria. José, por sua vez, liga para uma outra floricultura, da cidade de Maria, e pede para que as flores sejam entregues. João precisa resolver um problema, então, ele procura um agente, José, e lhe passa uma mensagem contendo sua requisição: enviar rosas para Maria. José tem a responsabilidade de, através de algum método, cumprir a requisição. O método utilizado por José pode estar oculto de João." 40

41 Troca de Mensagens - Exemplo 2 Realização de uma operação aritmética (SmallTalk) Adição é realizada enviando uma mensagem a um objeto representando o número. A mensagem especifica a operação desejada (adição) e o número que deve ser somado ao objeto receptor. Então, a operação x + y é interpretada como a mensagem + sendo enviada ao objeto x com o parâmetro y. 41

42 Método implementa algum aspecto do comportamento do objeto. uma função ou procedimento que é definido para o objeto e tipicamente pode acessar o seu estado interno para realizar alguma operação. procedimento cujo primeiro parâmetro é o objeto no qual deve trabalhar(objeto receptor) receptor.nome_da_mensagem(par1, par2, par3) 42

43 Construtores e Destrutores Construtores: usados para criar e inicializar objetos novos. Destrutores: usados para destruir objetos construtor chamado automaticamente quando objeto é declarado Exemplo: gerenciar a quantidade de objetos de uma determinada classe que já foram criados até o momento. 43

44 Classes Objetos com estrutura e comportamento idênticos são descritos como pertencendo a uma classe Provê a informação para construir e utilizar objetos de um tipo particular Classes de objetos descrição das propriedades de objetos, de forma concisa em termos de estrutura e comportamento Provê a informação para construir e utilizar objetos de um tipo particular Descreve o comportamento de vários objetos de comportamento semelhante 44

45 Classes Objeto -- variável Classe - tipo Objeto criado a partir de uma classe: instância Cada instância pertence a uma classe Uma classe pode possuir múltiplas instâncias Exemplo: classe Posição Posição Dados: Variável de classe (compartilhada) nobj Variável de Instância (única) X, Y tipo coordenadas Métodos Inicializa a Posição Retorna valor X Retorna valor Y Objeto Posição #1 nobj = 3 X = 5 Y = 10 Objeto Posição #2 nobj = 3 X = 7 Y = 2 Objeto Posição #3 nobj = 3 X = 5 Y = 10 45

46 Herança Permite a reutilização das propriedades de uma classe na definição de outra. característica única de linguagens OO diferencia POO de programação com TAD Classe mais generalizada: superclasse Classe mais especializada: subclasse. Objeto descendente não tem nenhum trabalho para receber a herança 46

47 Herança classe Ponto: herança da classe Posição variável de instância Visivel métodos para desenhar, apagar e perguntar acercar da visibilidade de pontos. classe Circulo: herança da classe Ponto variável de instância Raio métodos para contrair e expandir círculos. Posição Ponto Dados: Variável de classe (compartilhada) nobj Variável de Instância (única) X, Y tipo coordenadas Métodos Inicializa a Posição Retorna valor X Retorna valor Y Dados: Variável de Instância (única) Visivel - lógico Métodos Inicializa Ponto Desenha Ponto Apaga valor Y Retorna Visivel Circulo Dados: Variável de Instância (única) Raio Métodos Inicializa Circulo Expande Circulo Contrai Circulo 47

48 Herança se B é subclasse de A: objetos da classe B suportam todas as operações suportadas por objetos da classe A, menos as redefinidas as variáveis de instância de B incluem todas as variáveis de instância de A. Especialização: nova classe é criada a partir de uma classe existente, que era muito geral. Generalização: processo inverso 48

49 Herança Pode afetar o encapsulamento de informação. Clientes: requisitam operações sobre instâncias da classe informações ocultadas classes definidas através da herança acesso à representação das variáveis de instâncias definidas na sua superclasse Mudanças na implementação de uma classe, podem comprometer a implementação de suas subclasses. 49

50 Herança Múltipla subclasse pode herdar características de diversas superclasses Exemplo: classe Janela DefineAltura DefineLargura MostraObjeto MoveObjeto ExibeTexto AdicionaTexto RemmoveTexto AdicionaFilho RemoveFilho ObjetoTela Texto Arvore Janela 50

51 Polimorfismo Vários objetos respondem à uma mesma mensagem, cada um a seu próprio modo Solução sem polimorfismo Função DesenhaObjeto ( Obj ) Se Obj é do tipo Ponto DesenhaPonto ( Obj) Senão Se Obj é do tipo Circulo DesenhaCirculo (Obj) Fim se Fim se Fim DesenhaObjeto Solução com polimorfismo Função DesenhaObjeto ( Obj ) Obj.Desenha() Fim DesenhaObjeto 51

52 Polimorfismo 52 útil na compreensão de programas sobrecarga de função ou de operadores polimorfismo paramétrico ligação (binding): associação entre um atributo e uma entidade ou entre uma operação e um símbolo. Estática: ocorre em tempo de compilação ou de ligação (linking) e não é mais modificada durante toda a execução do programa. Dinâmica: é feita em tempo de execução ou pode ser alterada no decorrer da execução do programa. Aumenta reutilização - diminui a performance

53 Objeto, Classe e Herança Permitem a definição de hierarquias de abstrações, que facilitam a compreensão classes agrupam objetos com características iguais herança estrutura classes semelhantes. Objetos e classes: grande poder de modelagem expressa relações entre comportamentos: classificação/instanciação generalização/especialização agregação/composição 53

54 Classificação/Instanciação Classificação de objetos em classes definição de propriedades e comportamentos comuns a objetos para agrupá-los em classes Instanciação de objetos de uma classe criação de um objeto de uma determinada classes INSTANCIAÇÃO MICROCOMPUTADOR IBM PC MACHINTOSH CLASSIFICAÇÃO 54

55 Generalização/Especialização Abstração de uma classe mais genérica Subclasses possuem todas as propriedades das classes de quem elas são especializações Pelo menos uma propriedade para diferenciar duas classes especializadas (subclasses) a partir da mesma classe genérica (superclasse) ESPECIALIZAÇÃO COMPUTADOR MICROCOMPUTADOR MAINFRAME GENERALIZAÇÃO 55

56 Composição/Decomposição objetos compostos pela agregação de outros objetos ou componentes instâncias (objetos) de uma classe compostas por instâncias de outras classes. DECOMPOSIÇÃO MICROCOMPUTADOR TECLADO VÍDEO COMPOSIÇÃO 56

57 Vantagens POO Reutilização de código: maior vantagem Escalabilidade: capacidade de crescimento Encapsulamento: facilita manutenção Polimorfismo: aumenta a legibilidade Herança: facilidade de adição de novas funcionalidades 57

58 Desvantagens da POO Apropriação: Problemas com limites nebulosos Fragilidade sensível a mudanças de relacionamentos entre as classes chave Importância fundamental de bom projeto e análise necessidade de estratégia linera de projeto ao invés da cíclica 58

59 Estilo POO Modularidade: Suporte a generalização/especialização Visão balanceada entre dados e processos Composição botton-up de aplicação Atividade incremental e evolutiva Reutilização de código Robustez Programação em grande escala 59