Programação de Computadores

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1 Programação de Computadores INTRODUÇÃO AOS ALGORITMOS E À PROGRAMAÇÃO DE COMPUTADORES PARTE 1 Renato Dourado Maia Instituto de Ciências Agrárias Universidade Federal de Minas Gerais

2 Programas e Programação Quando vocês utilizam um computador, sempre executam um programa. Para que um computador faça algo, ele precisa de instruções precisas. Os humanos (apenas os humanos?) escrevem e utilizam programas para dizer ao computador exatamente o que fazer. Algumas pessoas dizem que a programação, no futuro, será tão importante quanto ler e escrever! 2/44

3 Programas e Programação The great thing about computers is that they do exactly what you tell them. The terrible thing about computers is that they do exactly what you tell them. 3/44

4 Programas e Programação 4/44

5 Programas e Programação 5/44

6 Programas e Programação Programar é basicamente construir programas, que são formulações concretas de algoritmos abstratos, baseados em representações e estruturas específicas de dados. A programação estruturada é a arte ou técnica de construir e formular algoritmos de forma sistemática. Algoritmos, programas, estruturas de dados? 6/44

7 O que é um Programa? 7/44

8 Programa Um programa é uma sequência de instruções para o computador, escrita em uma linguagem de programação, que é normalmente similar à língua inglesa, porém muito mais simples e muito mais rigorosa. Programming demands significantly higher standard of accuracy. Things don t simply have to make sense to another human being, they must make sense to a computer. Donald Knuth 8/44

9 Programas e Estruturas de Dados As estruturas de dados podem ser entendidas como método ou meio para organizar os dados de uma forma que o seu acesso e a sua modificação sejam facilitados. Programa = algoritmo(s) + estruturas de dados, utilizando-se uma forma de expressão que possa ser entendida por um computador. 9/44

10 Algoritmo O conceito central da programação e da computação é o de algoritmo. A palavra algoritmo vem de algoritmi, forma latina do nome do matemático iraniano Abu Abdullah Mohammad Ibn Musa al-khawarizmi, que viveu no século XVII. O termo algoritmo é utilizado em diversas áreas além da computação, tais como administração, engenharia, dentre outras. Um algoritmo é, essencialmente, um método para a resolução de um problema. 10/44

11 Algoritmo Há diferentes definições para o que é um algoritmo: Algoritmo é uma sequência de passos que visa atingir um objetivo bem definido. Algoritmo é a descrição de uma sequência de passos que deve ser seguida para a realização de uma tarefa. Algoritmo é uma sequência finita de instruções ou operações cuja execução, em tempo finito, resolve um problema computacional, qualquer que seja a sua instância. 11/44

12 Algoritmo Há diferentes definições para o que é um algoritmo: Algoritmo são regras formais para a obtenção de um resultado ou da solução de um problema, englobando formas de expressões aritméticas. Ação é um acontecimento que, a partir de um estado inicial, após um período de tempo finito, produz um estado final previsível e bem definido. Portanto, um algoritmo é a descrição de um conjunto de comandos que, obedecidos, resultam numa sucessão finita de ações. 12/44

13 Exemplos de Algoritmos? 13/44

14 Programas Programas tipicamente processam dados de entrada e produzem dados de saída. Entrada Programa Saída 14/44

15 Linguagens de Programação Uma linguagem de programação é uma linguagem artificial com sintaxe e semântica bem definidas que é utilizada para escrever programas. É mais técnica do que as linguagens naturais e menos técnica do que a linguagem nativa dos computadores (linguagem de máquina). 15/44

16 Linguagens de Programação As linguagens de programação semelhantes à linguagem de máquina são conhecidas como linguagens de baixo nível. Escrever programas na linguagem de máquina é uma tarefa pouco intuitiva e complicada para ser realizada por seres humanos. Para facilitar a programação de computadores, existem linguagens de alto nível que relacionam a linguagem de máquina a uma linguagem de compreensão mais simples. 16/44

17 Linguagens de Programação A linguagem de montagem (assembly) é um código com instruções alfanuméricas (ou mnemônicas) equivalentes a cada instrução da linguagem de máquina. A tradução de um programa escrito em linguagem assembly é realizada por meio da utilização de um programa chamado assembler (ou montador). Código em linguagem de montagem Assembler Código em linguagem de máquina 17/44

18 Linguagens de Programação A linguagem de montagem é uma linguagem de baixo nível, específica para cada processador (cada um tem o seu repertório de instruções), o que faz com que o código não seja portável. A implementação de programas em linguagem de montagem é uma tarefa complexa e exige conhecimentos sobre o processador. As linguagens de alto nível são independentes do processador, são mais elaboradas e contemplam operações mais complexas e mais próximas da lógica humana. 18/44

19 Linguagens de Programação Para serem executados por um processador, os comandos de linguagem de alto nível precisam ser traduzidos para a linguagem de máquina. Essa tradução pode ser feita por um programa compilador ou por um programa interpretador. A partir de um arquivo com o código em linguagem de alto nível o código-fonte, o compilador gera um arquivo contendo o código em linguagem de máquina o código-objeto, que será utilizado para a geração de um arquivo executável por um link-editor. 19/44

20 Linguagens de Programação Essa tradução pode ser feita por um programa compilador ou por um programa interpretador. O interpretador realiza a mesma tarefa, mas a execução não envolve a geração de um arquivo executável: ele traduz as instruções em linguagem de montagem em tempo de execução. 20/44

21 Compiladores Compiladores são programas que traduzem programas escritos em linguagem de programação para programas equivalentes escritos em linguagem de máquina. ProgramaFonte Compilador Programa-Objeto 21/44

22 Link-Editores O programa-objeto nem sempre está pronto para ser executado. Pode ser necessário incluir outros trechos de código: Bibliotecas. Subprogramas. O programa executável é montado por um programa chamado link-editor ou linking-loader. O compilador normalmente chama o link-editor automaticamente. 22/44

23 Link-Editores ProgramaObjeto 1... Programa Executável Link-Editor ProgramaObjeto N Biblioteca Biblioteca 23/44

24 Interpretadores Os interpretadores simulam uma máquina virtual. O programa-fonte é lido, entendido e as instruções são executadas imediatamente. Entrada Interpretador Saída ProgramaFonte 24/44

25 Compiladores e Interpretadores Código em linguagem de alto nível Código em linguagem de alto nível Compilador Código em linguagem de máquina Interpretador Código em linguagem de máquina Tradução de cada instrução em tempo de execução 25/44

26 Esquemas Híbridos O compilador gera código para uma máquina virtual (código pseudo-executável). A máquina virtual é executada separadamente, lendo o pseudo-código e interpretando-o. ProgramaFonte Entrada Interpretador Compilador Saída ProgramaObjeto 26/44

27 Programas de Computador A programação utilizando linguagens de alto nível é mais simples, facilitando a implementação de programas mais elaborados e capazes de atenderem a demandas mais complexas. Os códigos escritos em linguagens de alto nível são portáveis, ou seja, independentes da plataforma, desde que seja realizada uma nova compilação do código-fonte (no caso das linguagens compiladas). Existem diversas linguagens de alto nível: Pascal, C, Java, Python... 27/44

28 Programas de Computador A realização de algumas operações em linguagem de máquina é bastante complexa. Para facilitar essas operações, foram criados os sistemas operacionais. Um sistema operacional representa uma camada entre o hardware e o software (máquina virtual). A máquina virtual é mais simples de ser utilizada do que a máquina real. Os sistemas operacionais gerenciam os recursos da máquina, evitando que o programador os utilize de forma indevida. 28/44

29 Programas de Computador Os sistemas operacionais fornecem uma interface (chamadas ao sistema) que pode ser utilizada pelos programas. Os compiladores utilizam essa interface em lugar de implementarem operações complexas. Chamadas ao sistema encontradas pelo compilador no código-fonte em linguagem de alto nível são transformadas em referências no código-objeto em linguagem de máquina. 29/44

30 Programas de Computador Numa segunda etapa da compilação, o compilador liga o código do programa ao código do sistema operacional (ligação de código ou linking). A integração de compiladores e sistemas operacionais torna o código-objeto portável para qualquer máquina que utilize o mesmo sistema operacional: O código fica dependente do sistema operacional, e não do processador! Para executar um mesmo programa em outro sistema operacional, o código-fonte deve ser compilado novamente. 30/44

31 Programas de Computador Código em linguagem de alto nível Código em linguagem de máquina Compilador Etapa I Memória Código-objeto executável Compilador Etapa II Biblioteca do sistema operacional 31/44

32 Estruturação de Algoritmos As linguagens de programação de alto nível são mais simples do que a linguagem de máquina, mas ainda assim podem parecer complexas, especialmente para iniciantes. O principal problema reside no fato de que as pessoas não estão acostumadas a construir algoritmos, ou seja, a expressar o raciocínio de forma organizada, padronizada e estruturada. É importante destacar que, diferentemente da linguagem natural, as linguagens de programação são dirigidas a uma máquina, e não a pessoas. 32/44

33 Estruturação de Algoritmos Máquinas não podem tomar decisões com base em premissas, não podem escolher alternativas, não podem corrigir comandos mal redigidos, etc. As pessoas são capazes de fazer isso instintiva e intuitivamente. Assim, a linguagem de programação deve possuir algumas características que não são inerentes à linguagem natural, que não é apropriada para a escrita de algoritmos: Rigidez sintática: as construções devem ser bem definidas. Rigidez semântica: não podem existir ambiguidades. 33/44

34 Linguagens de Programação 34/44

35 Estruturação de Algoritmos Fluxogramas Fluxogramas representam algoritmos de forma gráfica, sendo formados por caixas que contêm as instruções a serem executadas. As caixas são ligadas por setas que indicam o fluxo das ações. Algumas caixas especializadas indicam a possibilidade de o fluxo seguir caminhos distintos, dependendo de certas situações/condições que podem ocorrer durante a execução do algoritmo. Há representações para o início e o fim do algoritmo. 35/44

36 Estruturação de Algoritmos Fluxogramas Fluxograma para escolher o maior entre dois números inteiros distintos: Início leia Num1, Num2 S Num1 > Num2 Maior Num1 N Maior Num2 escreva Maior Fim 36/44

37 Estruturação de Algoritmos Fluxogramas Vantagens da representação por fluxogramas: É útil para a apresentação de algoritmos considerando um alto nível de abstração. Facilita a compreensão do funcionamento do algoritmo, mesmo para leigos. As pessoas se adaptam bem ao desenvolvimento de algoritmos utilizando essa representação. Desvantagens da representação por fluxogramas: É pouco prática, especialmente para a correção de erros. Torna a construção de algoritmos complexos trabalhosa. 37/44

38 Estruturação de Algoritmos Pseudocódigo O pseudocódigo é uma forma de representação de algoritmos que tenta eliminar as desvantagens da implementação direta em linguagem de programação. Utilizando essa representação é possível elaborar um código menos dependente das peculiaridades das linguagens de programação e dos compiladores. 38/44

39 Estruturação de Algoritmos Pseudocódigo O grau de rigidez sintática é intermediário entre as linguagens natural e de programação. O pseudocódigo deve manter a rigidez semântica, funcionando como uma linguagem intermediária entre a linguagem natural e a linguagem de programação. 39/44

40 Estruturação de Algoritmos Pseudocódigo Após a elaboração do algoritmo em pseudocódigo, é necessária a sua conversão para uma linguagem de programação para que ele possa ser compilado e executado, ou interpretado. O pseudocódigo é independente do compilador e pode ser traduzido de uma forma quase direta para diversas linguagens de programação. No Brasil, o pseudocódigo mais conhecido é o Portugol. O Portugol é bastante simples e atende às necessidades de rigidez sintática e semântica. 40/44

41 Lembrando: Por que Python? Quem quer tentar resumir? 41/44

42 42/44

43 Finalizando Programa em Python 2 para escolher o maior entre dois números inteiros distintos: Num1 = int(raw_input('primeiro:')) Num2 = int(raw_input('segundo:')) if Num1 > Num2: Maior = Num1 else: Maior = Num2 print(maior) Vamos testar esse programa no Idle... 43/44

44 That's All Folks! 44/44

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