Linguagens de Programação Caderno de Apoio à Cadeira 2000/2001

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1 Linguagens de Programação Caderno de Apoio à Cadeira 2000/2001 por Nuno Miguel Cavalheiro Marques

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3 Índice Geral Índice Geral iii Índice de Figuras v Introdução vii 1.1 Objectivos da Cadeira vii 1.2 Sobre a Necessidade deste Caderno vii Módulo de Estudo 1 :Diversidade das Linguagens Objectivos Programas e Linguagens Principais conceitos Tipologia das linguagens Principais Paradigmas Programação Imperativa Programação Orientada por Objectos Programação Funcional Evolução e Comparação das Linguagens de Programação FORTRAN COBOL Outras linguagens dos anos 60: O exemplo do APL Linguagens da Família do PASCAL C Linguagens Orientadas por Objectos Exercícios 10 Módulo de Estudo 2 : Introdução ao C Material de Estudo: Objectivos: Exercícios 11 Módulo de Estudo 3 : Elementos duma Linguagem de Programação Objectivos Tipos e Variáveis Nomes Declarações e Associações Ciclo de Vida de uma Variável Variáveis Locais Estáticas O Tipo de Dados Apontador R-Value e L-Value Reserva Dinâmica de Memória Dangling Pointers (apontadores pendentes) Garbage Colection Expressões e Instruções Tratamento de Excepções Tratamento das excepções em JAVA A Instrução goto Sub-programas: Passagem de Parâmetros 23 Universidade Aberta -iii

4 3.5.1 Passagem por Valor Passagem por Referência Passagem por Valor-resultado Passagem por Nome: Expansão de Macros em C Gestão de Memória Reserva Estática Reserva Dinâmica de Blocos Gestão de Memória nas Linguagens da Família do C O Stack-frame dum Programa C Exercícios 29 Módulo de Estudo 4 : Declarações, Definições e Classes em C Objectivos Material de Estudo Exercícios 31 Módulo de Estudo 5 : Introdução à Programação em Lógica Objectivos Material de Estudo Exercícios 33 Referências 35 Universidade Aberta -iv

5 Índice de Figuras Figura 1 A Máquina de Von Neumann 2 Figura 2 : Quando a função foo termina, a àrea de memória que lhe estava reservada é libertada e ptr_a fica com um dangling pointer. 19 Figura 3 : Gestão da memória num programa C/C Figura 4 : Gestão do stack-frame numa chamada de procedimento em C/C Universidade Aberta -v

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7 Introdução 1.1 Objectivos da Cadeira Mais do que o estudo de uma única linguagem de programação, a cadeira de Linguagens de Programação da Universidade Aberta vai-se centrar sobre o estudo comparado dos diversos paradigmas e características das linguagens de programação. Assim os alunos vão conhecer os diversos conceitos e técnicas de programação associados aos principais tipos de linguagens de programação (nomeadamente linguagens imperativas, linguagens funcionais, linguagens orientadas por objectos e linguagens lógicas). Na exposição da matéria apresentada, assume-se conhecimento de uma linguagem imperativa, nomeadamente o Pascal (estudada na cadeira de Programação da Universidade Aberta). O conhecimento duma linguagem funcional moderna, como por exemplo o Haskell (estudada na cadeira de Fundamentos da Computação na Universidade Aberta) é também fortemente aconselhado. Como neste momento já deve ser claro para um estudante de informática, a componente prática é indispensável no estudo de qualquer linguagem de Programação. Mais do que uma visão superficial e meramente teórica dos vários paradigmas da programação pretende-se uma visão essencialmente prática. Esta visão só é possível se em vez de se estudarem superficialmente as principais linguagens, nos centrarmos num pequeno conjunto de linguagens modernas, que incorporem todos os paradigmas em estudo. Tal será conseguido através da aplicação dos conceitos teóricos a duas linguagens em concreto o C++ e o Prolog. O estudo da linguagem Prolog será apenas utilizado para ilustrar os paradigmas funcional e lógico, deixando-se o estudo detalhado desta linguagem para uma próxima cadeira. Com o C++ (uma linguagem orientada por objectos híbrida com possibilidade de suporte simultâneo de múltiplos paradigmas), será possível ilustrar como e onde devem ser utilizados os restantes paradigmas e características em estudo. 1.2 Sobre a Necessidade deste Caderno O estudo da cadeira deverá basear-se em 6 meios de estudo principais: 1. Utiliza-se este caderno para guiar o aluno pelo estudo dos dois livros adoptados, complementando-os quando necessário. Este caderno é constituído por diversos módulos de estudo. Em cada módulo de estudo é feita uma pequena introdução aos conteúdos desse módulo, sendo referidos os objectivos didácticos do módulo e os capítulos e páginas dos livros adoptados que cobrem essa matéria. Quando necessário será introduzida a descrição de tópicos em estudo, não cobertos pelos dois livros adoptados. Nesses casos este caderno de apoio será a principal fonte de estudo. Finalmente complementa-se cada secção com um pequeno conjunto de exercícios de autoavaliação para o aluno. 2. O livro: Problemas e Linguagens de Programação por Helder Coelho, LNEC, Neste livro é apresentado um estudo comparativo e uma perspectiva histórica sobre as principais linguagens de programação. São abordados os principais conceitos por detrás dos paradigmas imperativo, funcional e lógico. 3. O livro: Programação em C++, conceitos básicos e algoritmos por Pimenta Rodrigues, Pedro Pereira e Manuela Sousa, FCA- Editora de Informática. Servirá simultaneamente para introduzir o paradigma das linguagens orientadas por objectos e abordar a principal linguagem utilizada na cadeira: o C++. Esta linguagem híbrida, servirá os seguintes objectivos: 1. reforçar os conceitos adquiridos na cadeira de programação com as linguagens imperativas, através duma breve introdução às linguagens da família do C; 2. a utilização de uma linguagem próxima do sistema operativo como o C/C++, permitirá igualmente compreender a forma de implementação dos principais paradigmas das linguagens de programação; 3. ilustrar o paradigma dos ADT e introduzir as linguagens orientadas por objectos através do estudo de uma linguagem real; 4. permitir aos alunos dominarem os principais conceitos por trás duma das mais populares e poderosas linguagens de programação: o C++; 5. o estudo da linguagem PROLOG permitirá compreender as principais características associadas à programação em lógica. Universidade Aberta -vii

8 4. Um conjunto de exercícios de auto-avaliação, bem como outra informação complementar para a cadeira estarão brevemente disponíveis, em fase experimental, via Internet na página da cadeira. Quando responder aos exercícios na página Internet, receberá, automaticamente a correcção dos seus exercícios bem como uma informação sobre o seu conhecimento actual do módulo em causa. 5. Um trabalho de desenvolvimento, com entrega facultativa. Parte do exame da cadeira incidirá sobre o estudo deste trabalho. 6. O habitual conjunto com 2 testes formativos e respectivos relatórios, a enviar em breve. Outras referências aconselhadas, são os livros: "Comparative Programming Languages", 2 nd Edition. Leslie B. Wilson e Robert G.Clark, Addison-Wesley, ISBN Este livro aborda, de uma forma comparada, os principais conceitos por trás das diversas linguagens de programação. "Programming Languages, Concepts and Constructs", Ravi Sethi, 1 st Edition, Addisson-Wesley, September ISBN , que por vezes serviu de guia em algumas das matérias expostas. Universidade Aberta -viii

9 Módulo de Estudo 1 : Diversidade das Linguagens A utilização de uma linguagem de programação é por excelência a forma de especificar o funcionamento de um computador. Consoante os problemas a serem tratados, as melhores formas de especificação e tratamento podem ser distintas. Se incluirmos linguagens específicas e em estudo, não surpreende pois que existam, actualmente, mais de um milhar de linguagens de programação e dialectos distintos. Mais ainda, por todo o mundo comissões internacionais e grupos de investigação continuam a criar, desenvolver, melhorar ou substituir linguagens de programação diferentes. É pois normal a um informático ter contacto com um número elevado de linguagens de programação distintas. Para um estudante que após um esforço inicial já domina razoavelmente uma ou duas linguagens de programação, este panorama pode parecer desanimador: dada a constante evolução da informática, como conseguir rapidamente dominar uma nova linguagem de programação? Qual a melhor linguagem a escolher para realizar uma determinada tarefa? Para quem verificou como linguagens de programação distintas podem ser diferentes (compare-se por exemplo o Pascal ou o Haskell), pode à partida parecer uma missão impossível tentar aprender a trabalhar com qualquer nova linguagem, que pode ainda nem existir. Este não é no entanto o caso, pois embora algumas linguagens possam parecer à partida muito diferentes, cedo se começam a encontrar as semelhanças entre as diversas linguagens. Esta caracterização será mais fácil quando enquadrada numa perspectiva histórica de evolução das várias linguagens. Só assim se compreendem as motivações, funções e objectivos da criação dos vários paradigmas relativamente às linguagens de programação e dentro destes das especificidades das várias linguagens. Nesta secção vamos tentar comparar as diversas linguagens de programação entre si, apresentando inicialmente uma caracterização em termos de tipo, prestando particular atenção aos vários paradigmas da computação utilizados. Para auxiliar a compreensão da razão de ser de certas características e do porquê de certas semelhanças será ainda necessário efectuar o estudo da evolução das principais linguagens de programação. 1.1 Objectivos Os objectivos deste módulo são: 1. Compreender os principais conceitos por trás de uma linguagem de programação. 2. Desenvolver a capacidade para distinguir as principais formas de classificação de linguagens. 3. Introduzir os principais paradigmas da programação, associado-os às principais linguagens. 4. Saber associar os diversos paradigmas de programação com as linguagens que lhe deram origem. 5. Identificar os principais erros de estruturação e associar a sua solução com o aparecimento de uma dada linguagem. 6. Dada uma tarefa e um conjunto de linguagens de programação, saber quais as linguagens mais apropriadas para resolver esse problema. 1.2 Programas e Linguagens Segue-se um resumo dos temas abordados no capítulo 1 do segundo livro adoptado (páginas 1 a 24 de [RodriguesPereiraSousa98]) e da secção "Programas e Linguagens" (secção 3) do 1º livro adoptado (páginas 17 a 26 de [Coelho84]). Com este resumo pretende-se auxiliar o aluno no estudo dos livros adoptados, realçando os pontos principais e adicionando alguma informação, onde relevante. A leitura deste resumo não dispensa de forma alguma a leitura das referidas secções Principais conceitos Os seguintes conceitos são muitas vezes utilizados nos livros adoptados e a sua compreensão é essencial na compreensão da forma de funcionamento de um computador e na compreensão do que é e de como funciona uma Universidade Aberta

10 linguagem de programação. Máquina de von Neumann: Abstracção do computador moderno. É utilizada para ilustrar o funcionamento de um computador. É constituída por uma memória capaz de guardar bytes de informação devidamente endereçados; uma unidade de controle que executa instruções de controle do estado da máquina (incluindo qual o endereço da próxima instrução a ser lida da memória); uma unidade aritmética que executa operações sobre os dados em memória e uma unidade de entrada/saída, que interage com o exterior. Figura 1 A Máquina de Von Neumann A programação da unidade de controlo da máquina de Von Neumann pode apenas ser efectuada com um conjunto muito limitado e simples de instruções. Uma hipótese de um conjunto de instruções base para a máquina de von Neumann poderia ser: Soma e subtracção de um endereço de memória na posição i, com o acumulador: A := A+M[i]; A:=A-M[i]; Soma e subtracção do valor endereço dado pelo endereço de memória na posição i, com o acumulador: A := A+ [M[i]]; A:=A-[M[i]]; Multiplicação e divisão do acumulador por 2: A := A*2; A:= A div 2; Mover o conteúdo do acumulador de e para memória: A :=M[i]; M[i] :=A; Executar as instruções situadas a partir do endereço i de memória: Goto i (PC := i) Se o valor do acumulador for maior ou igual a zero, executar as instrução situadas a partir do endereço de memória i: if( A>=0 ) goto i Todos os programas executados num computador têm de ser codificados num conjunto de instruções similares a estas. Os programas assim codificados dizem-se em linguagem máquina ou código máquina. Compilador: Um compilador é um programa, capaz de ler um ficheiro (normalmente de texto) contendo um programa escrito numa dada linguagem de programação e gerar um programa em linguagem máquina que seja equivalente ao programa inicial. Para tal, o compilador deve analisar o programa lido quer sintacticamente (i.e. verificar se a sua escrita está de acordo com uma gramática bem definida) quer semanticamente. A secção 2.3 do livro [RodriguesPereiraSousa98] (páginas 31 a 36) refere um compilador para a linguagem C++. Interpretador: Tal como o compilador, um interpretador analisa sintáctica e semanticamente uma dada linguagem de programação. No entanto, em vez de converter o programa que lhe é dado em linguagem máquina, o interpretador executa o programa que lhe é dado, passo a passo. Assim é o interpretador que controla o comportamento do programa, facilitando a interacção com o utilizador e a reescrita do programa (visto que o Universidade Aberta

11 programa não tem de ser recompilado sempre que o desejamos executar). Linguagens de programação: Linguagens formais utilizadas na descrição de mecanismos abstractos. Têm como objectivo descrever e comunicar um processo computacional. Podem ser utilizadas para estudar os algoritmos e para os definir de modo não ambíguo Tipologia das linguagens Há diferentes formas para representar e relacionar as linguagens de programação entre si. a) Por níveis: disposição hierárquica, segundo o seu nível e âmbito. O nível denota um índice da facilidade do programador enunciar a solução dos seus problemas. Linguagens de baixo nível: O código máquina e a sua representação em Assembler. Linguagens de alto nível: algorítmicas, imperativas, prescritivas, procedimentais (apoiadas sobre processos), determinísticas e quantitativas. Papel determinante do cálculo numérico. Exs: FORTRAN, PASCAL e SIMULA. Linguagens de muito alto nível: Idealmente, não algorítmicas 1, declarativas, não determinísticas e qualitativas. Vocacionadas para o processamento simbólico (como cálculo formal, manipulação de fórmulas algébricas, processamento de língua natural), conduzindo a programas mais abstractos. O programador descreve o problema em função de relações sobre objectos. Com uma descrição precisa o computador resolverá o problema sem qualquer outra intervenção. Exs: SQL, PROLOG, Haskell. Devido ao facto de ser ainda hoje uma das principais linguagens funcionais alguns autores incluem igualmente o LISP nesta família; isto apesar desta linguagem ser fortemente algorítmica e já ter sido inclusivamente utilizada na construção de um sistema operativo. b) Por Árvores genealógicas Desenha-se a rede das linguagens de programação destacando as suas ligações implícitas e explícitas. As principais árvores dividem-se pelos paradigmas da programação: imperativo, orientado por objectos, funcional e lógico. c) Gerações As linguagens agrupam-se de acordo com um processo de mutações e selecções tecnológicas. Este processo é descontinuo. É usual a seguinte classificação em 5 gerações: 1ª Geração: Linguagem binária, linguagens máquina e Assembly. 2ª Geração: Utilizando compiladores (i.e. baseadas em sistemas que lêem o programa numa destas linguagens e o "traduzem", ou compilam, para linguagem binária): COBOL, BASIC, RPG, FORTRAN IV/V, ALGOL 58/60/68/W. 3ª Geração: Linguagens procedimentais: PL/1, PASCAL, FORTRAN 8X, APL, C, SIMULA, BLISS. 4ª Geração: Geradores de programas (i.e. produzem programas noutras linguagens). A linguagem ADA. Linguagens de interrogação (p.ex. para bases de dados):sql, QBE. 5ª Geração: Linguagens de específicação de problemas: LISP, PROLOG. d) Outras Formas de Classificação Eis outras formas de classificação referidas no texto, úteis essencialmente para identificar quando e como se deve optar por uma linguagem ou por outra. Classificação por domínios de aplicação: científicas: ALGOL, BASIC, FORTRAN comerciais: COBOL 1 - De facto é muito difícil criar uma linguagem de programação não algorítmica. Mesmo nas linguagens desta família a programação, muitas vezes, acaba por ser efectuada utilizando um estilo algorítmico. Universidade Aberta

12 processamento de listas: LISP gerais (ou fins múltiplos): ALGOL68, PASCAL, SIMULA 67 Inteligência Artificial: PROLOG Ciências Sociais: SPSS. Planeamento de espaços: PROLOG Programação de Sistemas: C Classificação por modos de processamento: interactiva: o programador pode efectuar alterações ao programa enquanto este é executado: o programa não é compilado mas sim interpretado. O BASIC foi pioneiro neste conceito. Exs: BASIC, APL, LISP, PROLOG. Por lotes (ou programas compilados). Exs: FORTRAN, COBOL, ALGOL, PASCAL. Classificação por categorias: Se a linguagem é específica para um dado fim, ou se pelo contrario, pretende ser o mais universal possível. Definem-se duas categorias principais: 1. Fim geral: PL/1, PASCAL, BASIC, FORTRAN, C. 2. Fim especifico: COBOL, LISP, PROLOG. Classificação por número de utilizadores: Sobre o número de utilizadores que houve/há de cada linguagem num dado momento, ou pela percentagem do código existente numa dada linguagem. 1.3 Principais Paradigmas Paradigmas (estilos de programação) diferentes são adequados para objectivos diferentes Programação Imperativa Linguagens que permitem descrever a resolução de um problema através de uma série de tarefas elementares (comandos) que o computador pode compreender e executar. A sequência de comandos define o processo (ou procedimento) a seguir e permite a mudança de estado de variáveis de atribuição. Implementada com base na máquina de von Neumann. As variáveis do programa (e o número da instrução em execução) descrevem o estado da computação a qualquer instante. Principais problemas: Não são adequadas à computação em paralelo (pois estão baseadas em execução sequencial). Baixa produtividade na programação: Grande esforço do programador no controlo do estado do programa (valores das variáveis). São exemplos clássicos o FORTRAN, COBOL, PASCAL e C. No segundo livro adoptado ([RodriguesPereiraSousa98]), na página 17, são identificados mais alguns paradigmas, que estão normalmente associados ao paradigma imperativo, nomeadamente o paradigma procedimental (decomposição do problema em procedimentos), o modular e a abstracção de tipos de dados. Na programação modular o programa divide-se em módulos associados aos vários dados que é necessário tratar. Para cada um desses módulos constróem-se procedimentos que acedem aos dados desse módulo, por forma a impossibilitar o acesso a esses dados pelo resto do programa (i.e. encapsulamento dos dados). A abstracção dos tipos de dados possibilita um passo para além da simples modularidade: em vez de se terem procedimentos associados aos dados, constróem-se procedimentos associados ao tipo dos dados. Ambos estes paradigmas são fundamentais para a programação orientada por objectos. E serão estudados em profundidade nos próximos módulos Programação Orientada por Objectos O programa é organizado em função de objectos, que contêm não só as estruturas de dados (i.e. os registos do PASCAL) mas também as funções que sobre eles agem. A comunicação entre objectos é feita através de mensagens (que activam as funções de um objecto). Mensagens normalizadas permitem que diferentes classes de objectos possam responder aos mesmos tipos de mensagens. Os objectos são normalmente organizados numa rede podendo os objectos mais especializados herdar as propriedades (i.e. funções e campos) dos objectos mais genéricos (herança). Este paradigma está particularmente bem adaptado à construção de interfaces gráficas, conforme é ilustrado em Universidade Aberta

13 [RodriguesPereiraSousa98], na página 19,20. São exemplos clássicos de linguagens com este paradigma o SMALLTALK e o SIMULA. O C++ e o JAVA são linguagens que utilizam o paradigma da programação orientada por objectos, embora também deixem ao programador a possibilidade de ignorar o paradigma da programação orientada por objectos e utilizar apenas o paradigma da programação imperativa. Por esta razão, estas linguagens são por vezes chamadas de linguagens híbridas entre linguagens imperativas e linguagens orientadas por objectos Programação Funcional Descrevem o conhecimento de um problema através da declaração de funções (instruções funcionais de alto nível). As funções são aplicadas recursivamente ou por composição e têm como resultado valores. A parte algorítmica e procedimental é (idealmente) suprimida: modela-se apenas as formulações matemáticas da computabilidade. São exemplos clássicos o LISP ou o APL. A linguagem Haskell é também uma linguagem funcional. a) Programação lógica O problema é descrito em função de afirmações (asserções ou factos) e de regras sobre os objectos. Procurou-se possibilitar a total supressão da parte algorítmica e procedimental: cabe ao interpretador (ou compilador) encontrar os caminhos ou processos de resolução do problema. A programação em lógica estende o paradigma funcional. Programas e dados aparecem em conjunto. A programação lógica está normalmente associada à linguagem PROLOG. 1.4 Evolução e Comparação das Linguagens de Programação Para além de dar ao aluno uma perspectiva histórica da evolução das linguagens de programação, há mais três razões principais para efectuar este estudo: as linguagens actualmente existentes são mais facilmente explicáveis se analisarmos a sua evolução. De igual forma, a análise dos erros feitos no passado permitir-nos-á compreender melhor porque devemos evitar comete-los de novo quando construímos o nosso próprio código. Por último, ao apresentar a forma como estes são implementados em diversas linguagens e as vantagens que a sua inclusão apresenta na escrita do código, este estudo permite exercitar a comparação de várias linguagens e motivar o estudo dos vários paradigmas da programação, O resumo que se segue complementa a leitura das secções "Linguagens de Programação: Evolução e Conceitos" (secção 4 e 6), "Comparação de Algumas Linguagens de Programação" (secção 5) e "Escolha da Linguagem mais Apropriada" do 1º livro adoptado (páginas 27 a 60 de [Coelho84]), complementada relativamente ao estudo das linguagens C e C++ com a secção "As Linguagens C e C++" (secção 1.5, páginas 21 e 22 do segundo livro adoptado, [RodriguesPereiraSousa98]) FORTRAN Em 1954 surge o FORTRAN (iniciais de FORmula TRANslator), criado por John Backus. Foi a primeira linguagem de alto nível. Antes do FORTRAN a programação tinha de ser feita em ASSEMBLY, uma linguagem de programação simbólica, cujo único fim era tornar legível para um humano o código de máquina. Assim enquanto a linguagem ASSEMBLY associava uma instrução simbólica directamente a uma instrução máquina do processador, o FORTRAN compilava (ou traduzia) 1 expressão ou formula de base matemática (representada por 1 instrução FORTRAN) para um conjunto de instruções máquina. Na década de 60 o FORTRAN, entretanto redesenhado, nomeadamente recebendo influencias do ALGOL, torna-se cada vez mais utilizado, chegando a ser considerado como uma normas para as aplicações de cálculo científico. No fim da década de 70, inicio da década de 80, o FORTRAN 77 apresenta-se como uma linguagem de excelência para os cálculos numéricos e científicos. Existem no entanto duas objecções principais aos programas em FORTRAN: Universidade Aberta

14 1. É difícil escrever programas legíveis. É usual a aplicação de alguns truques difíceis de compreender. 2. É difícil estruturar os programas de forma lógica. Um dos problemas com as versões do FORTRAN anteriores ao FORTRAN 77 era a necessidade de utilizar a instrução GOTO. Esta instrução provoca um salto da linha de execução corrente para outra secção do código. Os problemas surgem porque é muitas vezes necessário associar esta instrução à instrução IF, criando um salto condicional para outra secção do código. Torna-se pois necessário construir cursos de acção demasiado complicados para serem lembrados em detalhe. A instrução GOTO, utilizada desta forma, leva pois a programas ilegíveis. Outro dos problemas com as primeiras versões dos programas em FORTRAN é o facto das variáveis serem seriamente limitadas: todas as variáveis eram visíveis em qualquer parte do programa. Este aspecto exige uma constante atenção do programador aos nomes das variáveis e facilita a introdução de erros no código difíceis de detectar (devido à utilização, por erro, de uma dada variável, num dado contexto, levar à alteração do valor dessa variável, noutro contexto um significado totalmente diferente). Finalmente, a ausência de recursividade no FORTRAN77 levantava por vezes sérias dificuldades à estruturação do código e à representação de certos problemas. Devido a ter sido a primeira linguagem de programação de alto nível foi desenvolvido um extenso trabalho e conjunto de bibliotecas para cálculo numérico em FORTRAN. Apesar da linguagem FORTRAN não ter ficado indiferente aos desenvolvimentos das ciências da computação e da maioria das recentes versões do FORTRAN (nomeadamente o FORTRAN 9x) resolverem os problemas aqui referidos, a herança do passado, que torna o FORTRAN apetecível, implica igualmente a ilegibilidade do código: a maioria das rotinas FORTRAN foi desenvolvida em versões antigas do FORTRAN, e logo têm os problemas aqui descritos. Mesmo assim, em certos casos, a solução mais prática continua a passar por se recorrer à utilização do FORTRAN COBOL Encomendada pelo Departamento de Defesa dos EUA em 1959, o COBOL foi considerado como uma norma para o desenvolvimento de aplicações comerciais, sendo uma das linguagens mais utilizadas de sempre. O COBOL é uma linguagem preparada para a manipulação de grandes ficheiros, por programas que permanecem praticamente inalterados. O principal conceito introduzido por esta linguagem foi o da importância da descrição dos dados independentemente do computador utilizado. Era assim fácil gerar os dados num computador e tratá-los noutro. Os programas em COBOL podem pois ser vistos como percursores dos modernos sistemas de base de dados. O COBOL apresenta uma sintaxe muito próxima do inglês, o que facilita a leitura do programa para alguém que não domine a linguagem. Sendo desenhada com vista ao tratamento de grandes volumes de dados, as possibilidades de cálculo científico desta linguagem são muito básicas. Assim, em aplicações exigindo um grande número de cálculos seria preferível a utilização de outra linguagem, como por exemplo o FORTRAN. Estas características ficam claras após uma breve análise da linguagem. Relativamente à sua sintaxe um programa COBOL apresenta-se dividido em quatro divisões: Identificação do nome do programa fonte (a IDENTIFICATION DIVISION). Contendo o nome do programa, o seu autor e data de criação. Características que facilitam a utilização do programa num meio empresarial. Ambiente (a ENVIRONMENT DIVISION) específica o tipo de computador que compilará e o tipo de computador que executará o programa fonte. Uma secção para a descrição dos dados (a DATA DIVISION), que específica o formato dos dados a serem utilizados ou preparados pelo sistema. Procedimento do programa (a PROCEDURE DIVISION), que específica qual o tratamento a dar aos dados. O COBOL pode ser considerado como o precursor das modernas linguagens de bases de dados, nas quais o SQL tem vindo a ganhar relevância. De facto, actualmente verifica-se que os primeiros sistemas COBOL tem vindo gradualmente a ser substituídos por sistemas de gestão de bases de dados em SQL. Mas nem todos os problemas são resolvidos utilizando sistemas de bases de dados. Outra das tendências no software desenvolvido comercialmente passa pela utilização de pacotes proprietários adaptados para as principais tarefas da empresa. Actualmente algumas empresas especializam-se no aconselhamento e fornecimento de pacotes de software altamente configuráveis, muitas vezes por recurso a uma linguagem de programação própria. Universidade Aberta

15 No entanto, tal como no caso do FORTRAN, a grande popularidade que esta linguagem teve no passado, nomeadamente na área comercial, reflecte-se em que ainda hoje exista um elevado número de aplicações desenvolvidas em COBOL: muitas vezes pode ser necessário o desenvolvimento e alteração de programas COBOL. Mais ainda, as técnicas e módulos de programação que se aplicam nos pacotes proprietários dos dias de hoje, são facilmente aprendidas utilizando a programação em COBOL. LISP O LISP surge em 1959, por proposta de John McCarthy no MIT. Trata-se de uma linguagem essencialmente virada para problemas de inteligência artificial i.e. tendo como objectivo a manipulação de expressões simbólica complexas. Cria uma perspectiva totalmente nova de ver as linguagens de programação, sendo a primeira linguagem funcional. Assim, veio introduzir uma série de conceitos novos numa linguagem de programação, muitos dos quais só nos anos 70 foram reconhecidos como imprescindíveis: Dados e programas são representados de forma uniforme. Utiliza a lista como estrutura de dados unificadora. Forma prefixa dos operadores. Introduz a recursão como estrutura de controle fundamental. Utiliza garbagge collection para gestão da memória, i.e. as estruturas em memória são geridas de forma automática, sendo as estruturas de dados não necessárias ao programa apenas removidas quando necessário, de forma dinâmica durante a execução do programa. Os principais elementos desta linguagem são a lista (constituída por átomos alfanuméricos ou numéricos, ou outras listas) e a recursividade. O LISP está incluído no grupo das linguagens funcionais. O objectivo destas linguagens é, idealmente, que o utilizador deixe de ser obrigado a descrever com precisão como o resultado deve ser computado, concentrando-se no que deve ser calculado: o resultado. Tanto em LISP como em PROLOG os dados e o próprio programa são representados da mesma forma, sendo fácil ao programa alterar os seus dados, ou mesmo alterar-se a si próprio. Devido a um grande conjunto de funções tanto o LISP como o PROLOG conseguem realizar rapidamente tratamentos bastante complicados. Nesta cadeira iremos dedicar um pouco mais de atenção ao estudo da linguagem PROLOG devido à riqueza das suas técnicas de programação, essenciais para compreender devidamente quer conceitos comuns à programação imperativa como seja o conceito de lista, de operador e de recursão, quer conceitos introduzidos por estas linguagens, como seja o conceito de gramática formal, análise sintáctica ou de unificação Outras linguagens dos anos 60: O exemplo do APL Com a criação da norma BNF, nos anos 60 assistiu-se a uma explosão no número de linguagens de programação. Uma das linguagens de programação mais original deste período foi o APL. A linguagem APL (A Programming Language), foi criada em 1962 por Kenneth Iverson. O objectivo do APL foi tornar a manipulação das matrizes e vectores tão fácil como a de simples números. Esta linguagem veio propor uma nova notação para a computação, incorporando muitos conceitos da matemática, nomeadamente através da utilização de operadores de muito alto nível. Esta característica veio permitir a escrita mais compacta dos algoritmos, e possibilitou novas formas de olhar alguns problemas. No entanto, este é também um dos grandes problemas com o APL. Os programas ao serem escritos de forma muito compacta e de forma extremamente críptica (p.ex. tendo os programas de ser lidos da direita para a esquerda), comprometem a sua legibilidade Linguagens da Família do PASCAL a) ALGOL Após o aparecimento do FORTRAN, surge a necessidade de formalizar os conceitos por trás da sintaxe das linguagens de programação de alto nível. Para se poder efectuar esta formalização foi criada a notação BNF (de Backus-Naur Formalism, já estudado na cadeira de Programação da Universidade Aberta, capítulo 2 de [Martins97]). Enquanto notação, o BNF veio permitir a construção de regras gramaticais com uma notação rigorosa e formal. Esta notação foi utilizada na definição da sintaxe para uma nova linguagem: o ALGOL, e veio possibilitar a realização dos trabalhos teóricos que criaram a ciência da computação. Universidade Aberta

16 Surgindo a primeira específicação em 1958, o ALGOL 58 foi a linguagem percursora do PASCAL e do ADA. O ALGOL 58, veio clarificar e adicionar novas características relativamente FORTRAN54. Com o ALGOL58, realçaram-se os seguintes aspectos de uma linguagem de programação: Era um linguagem algorítmica i.e. capaz de descrever com facilidade um algoritmo. Era (tal como o FORTRAN) uma linguagem imperativa. Criou a noção de bloco (BEGIN... END, tal como no PASCAL) e procedimento. Criou o conceito de validação de tipos. Criou a noção de escopo lexical i.e. um dado nome (p.ex. uma variável ou procedimento, no caso do PASCAL) só é visível em determinados blocos. Introduziu as instruções de controlo de ciclos WHILE e DO. Fez-se acompanhar por um compilador. Apesar destes aspectos, o ALGOL58, ainda não estava próximo das linguagens mais recentes: Não era possível a criação de novos tipos de dados. Necessitava de um mecanismo abstracto para os dados. Outro dos principais problemas com a linguagem ALGOL era o esforço de programação que esta linguagem impunha para a entrada e saída de dados não numéricos. Foi no entanto a noção de compilador que veio a permitir a explosão de linguagens que se deu de seguida, durante a década de 60. Em 1966 Niklaus Wirth apresentou o ALGOL-W, que veio de seguida a dar origem ao PASCAL. b) Pascal Em 1968 Niklaus Wirth, projectou o PASCAL. Esta linguagem pretendeu incorporar os melhores aspectos e facilidades das linguagens ALGOL 60 e ALGOL W. Tendo como objectivo o ensino da programação, oferece novas facilidades para estruturar dados (os tipos de dados definidos pelo utilizador) e a decomposição modular de proporcionou um novo grau de abstracção, os quais foram mais tarde desenvolvidos pelo próprio Wirth na linguagem MODULA-2, que surge na linha do PASCAL. Nas principais características do PASCAL incluem-se: A necessidade de declaração de todas as variáveis no inicio do programa/sub-programa. O suporte de variáveis com qualquer comprimento e tipo, definido na declaração da variável. A elevada autonomia dos procedimentos, que podem ser escritos e testados independentemente do código do programa principal. Um dos principais problemas do PASCAL em aplicações de cálculo científico é no entanto o reduzido número de funções matemáticas que suporta, relativamente, por exemplo, ao FORTRAN. c) ADA Surge no fim da década de 70, tendo sido escolhida pelo Departamento de Defesa dos EUA para a substituição da infinidade de linguagens que este departamento utilizava, nomeadamente do FORTRAN, COBOL e PASCAL. Assim o ADA foi desde cedo virado para problemas de grandes dimensões, complexos e exigindo a manipulação de processos concorrentes. Devido a uma grande exigência a nível do rigor sintáctico dos seus programas, estes apresentam um baixo número de erros e uma elevada fiabilidade. Devido à maior maturidade da Engenharia de Software na altura da sua especificação, o ADA recebeu os principais paradigmas da programação. Assim o ADA é considerado por alguns autores como a primeira linguagem universal, pois incorpora: O conceito de dados abstractos. Em ADA, os programas só podem ter acesso a um conjunto seleccionado de informação de um dado módulo. A utilização de estruturas modulares e especificações de interfaces para os grandes programas. Controle sobre aspectos implementacionais de baixo nível, na máquina objecto. A manipulação de excepções (surgida na década de 60 na linguagem PL/1, um esforço da IBM para substituir o FORTRAN, ALGOL e COBOL). Universidade Aberta

17 O suporte para concorrência e processamento paralelo. Onde são necessários conceitos de como a sincronização de tarefas e de passagem de mensagens entre tarefas em execução simultânea em um ou vários processadores. Nas versões mais recentes (Ada95), os conceitos de herança e objecto. Outra das características do ADA é uma elevada fiabilidade do código desenvolvido. Esta característica deriva da elevada rigidez sintáctica e semântica desta linguagem, que permite diminuir o número de erros de funcionamento dos programas. Esta é de resto a razão porque esta é uma boa linguagem para utilizar em sistemas críticos, como no caso de sistemas de controle militar ou aeroespaciais, onde um único erro de programa pode trazer graves consequências. Apesar destas características, o ADA (ainda?) não ganhou grande aceitação. Talvez tal se deva igualmente à rigidez sintáctica que exige na escrita dos seus programas: por vezes, devido a uma especificação sintáctica demasiado exigente, o ADA obriga a soluções menos directas para o desenvolvimento do código. Neste aspecto o ADA distingue-se do C++ que de certa forma se baseia no conceito oposto: o da flexibilização da linguagem C A linguagem C foi construída em 1972 nos Laboratórios Bell por Dennis Ritchie, com o fim de escrever o sistema de operativo UNIX. Trata-se de uma linguagem bastante pequena, apresentando apenas as características indispensáveis. No C todos os aspectos não indispensáveis na linguagem são passados para uma extensa biblioteca de funções, que pode ser expandida pelo programador. Tendo sido a linguagem utilizada para construção dos sistemas UNIX, o C é uma linguagem com extenso acesso ao hardware, com elevada fiabilidade no tratamento das entradas e saídas do sistema. De igual forma, em sistemas UNIX, como exemplo o LINUX, todas as bibliotecas do próprio sistema operativo têm uma interface em linguagem C, podendo pois ser facilmente evocadas de dentro de um programa C. Contrariamente ao PASCAL ou ao ADA, que visam encoraja o desenvolvimento de programas fiáveis através da imposição de uma estrutura, o C é altamente flexível (permitindo quase todas as combinações operando/operador possíveis) e produzindo código extremamente eficiente. A linguagem C é extremamente prática, podendo os programas em C ser quer extremamente compactos (e cripticos), como extremamente estruturados e auto explicativos, sem que com isso se perca em eficiência. Desta forma a decisão de tornar o código claro (quando trabalhando em equipa, ou em projectos largos e desenvolvendo código mais complexo), quer a de tornar o código compacto (quando é necessária eficiência no desenvolvimento ou no código) cabe ao programador. O C é uma linguagem desenvolvida a pensar em programadores responsáveis, sendo dever dum bom programador de C tornar o seu código auto explicativo por forma a respeitar os conceitos da programação estruturada. A linguagem C é uma das linguagens general-purpose mais escolhida pela generalidade dos programadores Linguagens Orientadas por Objectos a) SIMULA 67 O SIMULA67 foi desenvolvido por Dahl e Nygaard, para aplicações no domínio da simulação. Veio introduzir o conceito de classe. Neste conceito um grupo de declarações e procedimentos eram agrupados e tratados como uma única entidade. Durante a execução do programa, podiam ser criados diversos objectos de uma dada classe, cada um trabalhando sobre os seus dados. O conceito de classe ficou associado ao conceito de abstracção de dados. b) C++ Apesar do grande sucesso da linguagem C entre a comunidade de programadores, e apesar da grande flexibilidade desta linguagem, o suporte dos paradigmas dos tipos de dados abstractos e da programação orientada por objectos é de difícil implementação em C standard. Devido à grande potencialidade destes paradigmas, em especial no que se refere a projectos de trabalho em equipa e à reutilização de código, em 1988, também nos Laboratórios BELL, Bjarne Stroustrup desenvolveu o C++ como extensão ao ANSI C. Esta linguagem híbrida, nada perde relativamente ao C (pode-se programar em C, utilizando C++), mas estende o C com a possibilidade de utilizar os conceitos da programação orientada por objectos, nomeadamente os conceitos de: Universidade Aberta

18 classe, herança, objectos e de polimorfismo. Sendo uma das linguagens híbridas general-purpose mais completa, ela é a ideal para ilustrar os principais paradigmas da programação. O C++ será a linguagem que iremos estudar em profundidade na cadeira de linguagens de programação. Com exemplos em C++ iremos ilustrar os principais paradigmas e métodos da programação estruturada. 1.5 Exercícios Na página web da cadeira poderá encontrar a lista de exercícios proposta para este módulo de estudo. Universidade Aberta

19 Módulo de Estudo 2 : Introdução ao C++ Inicia-se neste módulo o estudo das linguagens da família do C, em concreto o C++. Com este estudo pretende-se que os alunos tenham o primeiro contacto com uma das linguagens de programação mais poderosas e que está entre as linguagens que geram os programas em código de máquina mais eficientes dos dias de hoje. Mantendo as características de elevada flexibilidade e proximidade ao sistema operativo do C, o C++ estende esta linguagem com um conjunto de paradigmas que em muito facilitam o desenvolvimento de software. 2.1 Material de Estudo: O estudo deste módulo será realizado utilizando, como material de apoio teórico, os capítulos 2 e 3 do 2º livro adoptado (páginas 25 a 145 do livro [RodriguesPereiraSousa98]). Chama-se a atenção para o facto de o CD-ROM que acompanha o livro conter um conjunto de acetatos que poderá auxiliar o aluno no seu estudo. Como complemento ao estudo teórico, os alunos deverão utilizar um compilador de C++, como seja o Borland C++ ou o Visual C++ para introduzirem, executarem e analisarem (introduzindo se necessário pequenas alterações no código), os exemplos apresentados ao longo do texto. Caso não tenha acesso a nenhum dos compiladores de C++ referidos no livro (Borland C++ ou o Visual C++), poderá fazer o download (gratuito) de um compilador de C++ via Internet. Caso opte por trabalhar em ambiente Windows, na página Internet da Borland ( tem acesso aos manuais de ajuda e FAQs dos produtos desta companhia e pode após registo no museu, fazer download quer da versão comand-line do Borland C++ 5.5, quer do Borland Turbo Debuger 5.5. Com este debuger pode executar os programas compilados em C++, passo a passo, tal como já fez na cadeira de Programação com o Turbo Pascal. Na página web da cadeira poderá obter a ultima informação sobre a forma de instalar e utilizar este software. 2.2 Objectivos: Os objectivos deste módulo são: Os objectivos apresentados na página 25 de [RodriguesPereiraSousa98]. Saber introduzir no computador os programas que escreveu, nomeadamente: Compilar o código do seu programa. Depurar e analisar o código do seu programa por utilização do Debuger. Os objectivos apresentados na página 85 de [RodriguesPereiraSousa98]. Criar e corrigir sintáctica e semanticamente novos programas, por forma a (com auxilio do computador), conseguir dos seus programas o comportamento pretendido. 2.3 Exercícios No fim do estudo do capítulo 2, o aluno deve ser capaz de resolver a totalidade dos exercícios propostos nas páginas 79 a 83 de [RodriguesPereiraSousa98]. Em particular o aluno deverá resolver os exercícios 1 a 7, 9, 14, 25 e 26. No fim do estudo do capítulo 3, o aluno deve ser capaz de resolver a totalidade dos exercícios propostos nas páginas 142 e 143 de [RodriguesPereiraSousa98]. Em particular o aluno deverá resolver os exercícios 1 a 8 e 12. Universidade Aberta

20 Universidade Aberta

21 Módulo de Estudo 3 : Elementos duma Linguagem de Programação Neste módulo de estudo tentar-se-á generalizar os conceitos aprendidos no módulo anterior a qualquer linguagem de programação imperativa. De igual forma serão apresentados os principais conceitos associados à gestão de nomes numa linguagem imperativa. Estes conceitos serão essenciais para o estudo da próxima secção. Apesar do 2º livro adoptado conter uma secção sobre nomes e tipos, esta apresenta-se simultaneamente muito virada para o C/C++, e pouco relacionada com a compreensão do funcionamento interno dum programa de uma dada linguagem de programação. Apenas com o estudo de conceitos mais genéricos será possível compreender como pode um programa escrito numa dada linguagem de programação funcionar num computador segundo o paradigma da máquina de Von Neumann. Revelou-se pois indispensável a introdução desta secção, não só para a correcta compreensão dos conceitos desta cadeira como também como ferramenta indispensável à correcta compreensão do conceito de apontador: um dos principais problemas na aprendizagem da linguagem C e C++. O texto desta secção foi largamente influenciado pelos dois livros da bibliografia complementar: [WilsonClark93] e [Sethi89]. 3.1 Objectivos Com este módulo pretende-se: Compreender a importância dos conceitos de bloco de código e procedimento. Compreender os diversos conceitos associados a um nome em qualquer linguagem de programação: Valor e tipo, visibilidade e posição. Compreender o conceito de apontador e a sua relação com a memória interna do computador. Generalizar o conhecimento das principais estruturas de controlo de um programa escrito numa linguagem imperativa. Identificar e saber utilizar as diversas formas de passagem de parâmetros para um procedimento em qualquer linguagem de programação. Compreender como um programa em C gere a memória do computador. 3.2 Tipos e Variáveis Nomes Um programa pode ser visto como um conjunto de operações sobre um conjunto de dados. Sobre os dados desse programa pode ser definido o seu tipo. O tipo dos dados define o conjunto de valores possíveis desses dados e o conjunto de operações que a eles podem ser aplicados. Assim, qualquer conjunto de dados tem um valor e um tipo. Num programa a forma usual de guardar dados é utilizando variáveis. As principais características de uma variável são o seu nome, o seu valor e a referência à área de memória interna do computador (no sentido da maquina de von Neumann atrás referida) que guarda o valor da variável. Assim, para todas as variáveis em todas as linguagens de programação, existe sempre, para qualquer variável: nome da variável (também conhecido pelo seu identificador). a sua área de armazenamento (i.e. o endereço de memória onde o valor dessa variável é guardado). o valor armazenado. No entanto, muitas vezes, é usual a referência a "uma variável" denotar qualquer um destes três aspectos, e é por isso necessário saber sempre ao que nos estamos a referir. Devido ao seu poder, a linguagem C (e a sua extensão o C++) recorre extensamente a esta distinção. Sendo uma das principais dificuldades de quem começa a aprender C e C++ efectuar correctamente a distinção entre estes vários conceitos Declarações e Associações Outro dos aspectos importantes a ter em conta é o momento da associação do tipo e área de armazenamento a uma Universidade Aberta

22 dada variável. Quando essa associação é efectuada em tempo de compilação ganhamos em eficiência (pois não é necessário executar esta operação durante a execução do programa), por outro lado quando efectuamos essa associação em tempo de execução do programa ganhamos em flexibilidade (pois o programa pode definir de que forma deve essa associação ser efectuada). Declaração de variáveis: Nas linguagens de programação mais recentes, as variáveis são introduzidas num programa através da sua declaração. É na declaração duma variável que se explicita qual o seu tipo e se indica ao computador a necessidade de reservar um espaço em memória para conter o valor dessa variável. As declarações podem ser efectuadas juntamente com as instruções do programa. Blocos: O PASCAL, é uma linguagem que utiliza o conceito de bloco. Em PASCAL um bloco é uma sequência de instruções entre BEGIN e END. Em PASCAL uma dada variável pode ser associada a um bloco (sendo declarada num PROCEDURE ou FUNCTION associado a um conjunto de instruções). Em C, os blocos são declarado pelos caracteres '{' (o inicio do bloco) e '}' (o fim do bloco). O C é mais genérico que o PASCAL, pois qualquer bloco pode conter no inicio a declaração de uma variável. Scope rules (regras de visibilidade de uma variável): variáveis locais: Uma variável local é aquela que é declarada dentro dum bloco de código, sendo apenas visível dentro desse bloco. variáveis não locais: As variáveis declaradas num bloco que contenha outro bloco dentro de si, são chamadas de não locais quando no bloco mais interno, mas continuam a ser visíveis. variáveis globais: Uma variável não local, declarada no bloco mais externo (o programa) é também chamada de variável global. Exemplo 1: no seguinte programa C: int a; float b; main() { /* inicio do bloco main */ int c; a=5; for(c=1;c<a; c++) { /* inicio do bloco for */ int j; int a; a=3; } /* fim do bloco for */ } /* fim do bloco main */ a e b são variáveis globais, e logo conhecidas em todo o programa. c é uma variável local ao bloco main e logo não local (mas conhecida) no bloco do ciclo for. Já j é uma variável apenas conhecida no interior do bloco do ciclo for. A variável global a, foi redefinida no interior do bloco do ciclo for, assim dentro do bloco do ciclo for (i.e. entre { e } )é uma nova variável (i.e. é associada a uma nova área de memória). Esta variável local mantém o nome, escondendo por isso a variável global: no interior deste bloco a variável global a não está visível, referindo-se todas as operações sobre a à variável local. O ciclo continua a ser executado 5 vezes, pois embora quando se entra/sai do bloco no interior do ciclo for, a continua a ter o valor de 5. Apenas durante o ciclo a nova variável a passa a ter o valor 3. Uma vez terminado o ciclo, a variável retorna o seu valor original de 5. static scope (i.e. visibilidade estática): Em linguagens como o FORTRAN, C, Pascal, Ada e Modula-2, a visibilidade de um identificador e o endereço de memória ao qual este está associado são determinados em tempo de compilação. Como consequência os nomes são associados aos tipos em tempo de compilação. Universidade Aberta