Linguagens Computacionais (Conceitos Básicos)

Transcrição

1 Linguagens Computacionais (Conceitos Básicos) George Darmiton da Cunha Cavalcanti

2 Tópicos Razões para estudar os conceitos de linguagens de programação Domínios de programação Critérios de avaliação de linguagens Influências sobre o projeto de uma linguagem Categorias de Linguagens Custo\benefício no projeto da linguagem Métodos de Implementação Ambientes de programação

3 Razões para estudar os conceitos de linguagens de programação Aumento da capacidade de expressar idéias Capacidade intelectual poder de se expressar Facilidades de algumas linguagens podem ser simuladas em outras linguagens Maior embasamento para a escolha de linguagens apropriadas Escolha mais consciente Capacidade aumentada para aprender novas linguagens Consolidação dos conceitos das linguagens

4 Razões para estudar os conceitos de linguagens de programação Entender melhor a importância da implementação Uso de uma linguagem de forma mais inteligente Aumento da capacidade de projetar novas linguagens Avanço global da computação

5 Domínios de Programação Aplicações científicas Grande número de operações com números reais Fortran Aplicações comerciais Produção de relatórios, uso de números decimais e texto COBOL Inteligência artificial Uso de computações simbólicas em vez de numéricas LISP Programação de sistemas Precisa de eficiência devido ao uso contínuo C Softwares para a Web Coleção eclética de linguagens: markup (XHTML), scripting (PHP), general-purpose (Java)

6 Critérios de avaliação da linguagem Legibilidade (Readability) Quão facilmente um programa pode ser lido e entendido Capacidade escrita (Writability) Quão facilmente uma linguagem pode ser usada para criar programas Confiabilidade (Reliability) Conformidade com as especificações sob todas as condições Custo O custo final de uma linguagem é uma função de suas características

7 Critérios de avaliação da linguagem

8 Legibilidade (Readability) Simplicidade global Linguagens com um pequeno número de componentes básicos são mais fáceis de aprender Multiplicidade de recursos (mais de uma maneira para realizar uma operação particular) Um exemplo em C para incrementar uma variável inteira simples: cont = cont +1 cont += 1 cont++ ++cont Sobrecarga (overloading) de um operador, ou seja, um único símbolo possui mais de um significado.

9 Legibilidade (Readability) Ortogonalidade Um conjunto relativamente pequeno de construções primitivas pode ser combinado em um número relativamente pequeno de maneiras Toda combinação possível é legal e significativa

10 Legibilidade (Readability) Ortogonalidade Um exemplo: adicionar valores inteiros de 32 bits que residem na memória ou nos registradores e substituir um dos valores pela soma. Computadores de grande porte da IBM A Reg1, célula_de_memória AR Reg1, Reg2 Semântica: Reg1 conteúdo(reg1) + conteúdo(célula_de_memória) Reg1 conteúdo(reg1) + conteúdo(reg2) Instrução de adição do VAX ADDL operando_1, operando_2 Semântica: operando_2 conteúdo(operando_1) + conteúdo(operando_2) O projeto da instrução VAX é ortogonal, pois uma única operação pode usar registradores ou células de memória como operandos.

11 Legibilidade (Readability) Instruções de controle A existência de estruturas de controle bem conhecidas (exemplo: while) while (incr < 20) { while (sum <= 100) { sum += incr; } incr++; } loop1: if (incr >= 20) goto out; loop2: if (sum > 100) goto next; sum += incr; goto loop2; next: incr++; goto loop1; out:

12 Legibilidade (Readability) Tipos de dados e estruturas A presença de facilidades adequadas para definir tipos de dados e estruturas de dados Exemplo: suponha que em uma linguagem não exista um tipo de dado booleano e um tipo numérico seja usado para substituí-lo: timeout = 1 (significado não claro) timeout = true (significado claro)

13 Legibilidade (Readability) Considerações sobre a sintaxe Formas identificadoras Restringir os identificadores a tamanhos muito pequenos prejudica a legibilidade Palavras especiais Formas das palavras especiais de uma linguagem (exemplo: while, class, for e begin-end) Palavras especiais de uma linguagem podem ser usadas como nomes de variáveis? Forma e significado Projetar instruções de forma que sua aparência indique sua finalidade

14 Capacidade de Escrita (Writability) Simplicidade e ortogonalidade Poucos construtores, um pequeno número de primitivas, um pequeno conjunto de regras para combiná-los Suporte para abstração A capacidade de definir e de usar estruturas ou operações complexas de maneira que permita ignorar muitos dos detalhes Expressividade Um conjunto relativamente conveniente de maneiras de especificar operadores Exemplos: count++ é mais conveniente do que count = count + 1 a inclusão do for em muitas linguagens modernas

15 Confiabilidade (Reliability) Verificação de tipos Testar se existem erros de tipos Manipulação de Exceções Capacidade de interceptar erros em tempo de execução e por em prática medidas corretivas Apelidos (Aliasing) Presença de dois ou mais métodos, ou nomes, distintos que referenciam a mesma célula de memória Legibilidade (Readability) e Capacidade de Escrita (Writability) Uma linguagem que não suporta maneiras naturais de expressar os algoritmos usará, necessariamente, abordagens não-naturais. Assim, a legibilidade será reduzida. A legibilidade afeta a confiabilidade tanto na escrita quanto na manutenção.

16 Custo Treinamento dos programadores para usar a linguagem Escrita de programas na linguagem Compilação programas na linguagem Execução dos programas Sistema de implementação da linguagem: existência de compiladores free Confiabilidade Confiabilidade baixa leva a altos custos Manutenção dos programas

17 Custo Desenvolvimento do Programa Fatores importantes para os custos da linguagem Manutenção Confiabilidade Sabendo que esses são funções da capacidade de escrita e da legibilidade.

18 Outros critérios de avaliação Portabilidade Quão facilmente um programa pode ser movido de uma implementação para outra Generalidade Seu uso em uma gama de aplicações Boa definição (Well-definedness) A precisão e a completeza da definição oficial da linguagem

19 Influências sobre o projeto da linguagem Arquitetura do Computador Linguagens são desenvolvidas com base na arquitetura mais usada, conhecida como arquitetura von Neumann Metodologias de programação Novas metodologias de desenvolvimento de software (exemplo, desenvolvimento orientado a objetos) levam a novos paradigmas de programação, e novas linguagens de programação

20 Influência da arquitetura de computador Arquitetura Von Neumann As Linguagens Imperativas são as dominantes, motivadas por computadores von Neumann Dados e programas armazenados na memória Memória separada da CPU Instruções e dados trafegam da memória para a CPU

21 A arquitetura von Neumann

22 Influências sobre as metodologias de programação Década de 1950 e início da década de 1960 aplicações simples; preocupações com a eficiência da máquina Final da década de 1960 a eficiência das pessoas se tornou um ponto importante; legibilidade, melhores estruturas de controle Programação estruturada Projeto top-down e refinamento passo-a-passo Final da década de 1970 orientado para processo orientada a dados Abstração de dados Meados da década de 1980 programação orientada a objetos Abstração de dados + herança + polimorfismo

23 Categorias de Linguagens Imperativa Características centrais: variáveis, estruturas de atribuição e iteração Exemplos: C, Pascal Funcional Principal maneira de computar é através da aplicação de funções para os parâmetros fornecidos Exemplos: LISP, Scheme Lógica Baseado em regras (regras são especificadas sem ordem prédeterminada) Exemplo: Prolog Orientada a objetos Abstração de dados, herança Exemplos: Java, C++ Marcação (Markup) Nova; não especificam computação, são usadas para definir o layout de informação em documentos Web Exemplos: XHTML, XML

24 Custo\benefício no projeto da linguagem Confiabilidade versus Custo de Execução Critérios conflitantes Exemplo: Java requer que todas as referências a vetores sejam checadas para garantir que os índices estejam dentro dos limites, mas isso aumenta o custo de execução Readability versus writability Critérios conflitantes Exemplo: APL provê muitos operadores poderosos (e uma grande quantidade de novos símbolos), permitindo que computações complexas sejam escritas em programas compactos, porém isso dificulta a leitura Writability (flexibility) versus reliability Critérios conflitantes Exemplo: ponteiros em C++ são poderosos e muito flexíveis

25 Interface de computadores disposta em camadas

26 Métodos de Implementação Compilação Programas são traduzidos para linguagem de máquina Interpretação pura Programas são interpretados por outro programa conhecido como interpretador Sistemas de Implementação Híbridos Um meio-termo entre compiladores e interpretadores puros

27 Compilação Traduz programas em alto-nível (linguagem fonte) em código de máquina (linguagem de máquina) Tradução lenta, execução rápida O processo de compilação possui várias fases: Análise léxica Converte caracteres de um programa fonte em unidades léxicas Análise sintática Transforma unidades léxicas em parse trees, as quais representam a estrutura sintática do programa Análise semântica Gera código intermediário Geração de código Código de máquina é gerado

28 O processo de compilação

29 Gargalo de Von Neumann Velocidade de conexão entre a memória do computador e seu processador determina a velocidade de um computador As instruções geralmente são executadas mais rapidamente do que podem ser transferidas Conhecido como o gargalo de von Neumann; esse é o fator limitante primário da velocidade dos computadores

30 Interpretação Pura Sem tradução Fácil implementação de programas (erros de execução podem ser facilmente e rapidamente mostrados) Execução lenta (de 10 a 100 vezes mais lenta do que programas compilados) Geralmente requer mais espaço Cada vez mais raro em linguagens de alto-nível Embora não seja uma linguagem simples, JavaScript é puramente interpretado

31 O processo de interpretação pura

32 Sistemas de Implementação Híbridos Um meio-termo entre compilador e interpretador puro Um programa em uma linguagem de alto-nível é traduzido para uma linguagem intermediária que permite fácil interpretação Mais rápido do que interpretação pura Exemplos Programas em Perl são parcialmente compilados para detectar erros antes da interpretação Implementações iniciais de Java eram híbridas A forma intermediária, byte code, provinha portabilidade para qualquer máquina que tivesse o interpretador de byte code e um sistema de run-time (juntos, esses são chamados de Java Virtual Machine)

33 O processo de implementação híbrida

34 Pré-processadores Macros instruções são normalmente usadas para especificar que um código de outro arquivo deve ser incluído Um pré-processador processa um programa imediatamente antes do programa ser compilado, expandindo as macros Um exemplo: pré-processador C expande #include, #define, entre outras

35 Ambientes de Programação Uma coleção de ferramentas usadas no desenvolvimento de software UNIX Um sistema operacional e um conjunto de ferramentas Atualmente, normalmente usada através de uma GUI (exemplos: CDE, KDE ou GNOME) que roda em cima do UNIX Borland JBuilder Um ambiente integrado de desenvolvimento para Java Microsoft Visual Studio.NET Um grande e complexo ambiente Usado para programar C#, Visual BASIC.NET, Jscript, J# ou C++

36 Sumário O estudo de linguagens de programação é válido por uma série de motivos: Aumenta nossa capacidade de usar diferentes construções para escrever programas Nos habilita a escolher linguagens de forma mais inteligente Nos ajuda a aprender novas linguagens mais facilmente Os critérios mais importantes para a avaliação de linguagens: Readability, writability, reliability e cost As principais influências no projeto de uma linguagem têm sido a arquitetura da máquina e as metodologias de projeto de software Os principais métodos para implementar linguagens são: compilação, interpretação pura e implementação híbrida