Conceitos de Linguagens de Programação

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1 Faculdade de Ciências e Tecnologia Departamento de Matemática e Computação Bacharelado em Ciência da Computação Conceitos de Linguagens de Programação Aula 06 (rogerio@fct.unesp.br) Aula 6 Subprogramas 2 1

2 Linguagens de Programação: hierarquia de componentes Tipos de Dados representação e operações Expressões Comandos ambientes: abstrações de valores e comandos obtenção de valores fluxo de controle Unidades unidade de execução Programas 3 Unidades [Ghezzi] Estruturas de controle no nível de unidades Unidades subordinadas chamadas explicitamente Procedimentos, funções, métodos Unidades chamadas implicitamente Tratamento de exceções Unidades simétricas Co-rotinas Unidades concorrentes 4 2

3 Semântica t1 P call Q síncrono t3 t1 P ret call t2 Q t2 assíncrono 5 Semântica 6 t1 t3 t1 t3 P P call ack call data Q t2 Q t2 t4 "handshake" "future" 3

4 Semântica t1 P call yield Q t2 cooperativo t3 t5 call yield t4 8 7 Unidades [Sebesta] Blocos Subprogramas Co-rotinas Unidades concorrentes Tratadores de exceções 4

5 Mecanismos de Abstração em LPs Mecanismos de abstração Abstração de processo Abstração de dados Um subprograma é um tipo de abstração de processo Instruções para realizar uma tarefa são agrupadas e tratadas como uma unidade lógica O conceito economiza espaço e esforço de desenvolvimento e codificação 9 Subprogramas Características fundamentais Cada subprograma possui um único ponto de entrada O chamador tem a sua execução suspensa durante a execução do subprograma O fluxo de controle sempre retorna ao ponto de chamada quando termina a execução do subprograma mesmo ambiente, único fluxo 10 5

6 Subprogramas: Definições básicas A definição de um subprograma consiste na descrição de seu cabeçalho e de seu corpo O cabeçalho de um subprograma inclui tipo do subprograma, nome, parâmetros formais, tipo de retorno O corpo de um subprograma é a descrição das ações da abstração do subprograma A chamada de um subprograma é uma requisição explícita para que o subprograma seja executado 11 Subprogramas: Definições básicas A declaração de um subprograma é uma descrição do tipo de abstração (função/procedimento), seu nome e seus parâmetros formais (cabeçalho) Um parâmetro formal é uma variável que aparece no cabeçalho do subprograma e é usada no corpo do subprograma Um parâmetro real representa um valor ou endereço usado na chamada do subprograma 12 6

7 Tipos de Subprogramas: procedimentos e funções Um procedimento atua como um novo comando definido pelo usuário Resultados produzidos via parâmetros ou variáveis não locais Uma função atua como um novo operador definido pelo usuário Função sem efeitos colaterais 13 Questões de Projeto de Subprogramas 14 Variáveis locais: estáticas ou semi-estáticas? Parâmetros Correspondência Métodos de passagem Verificação de tipos Subprogramas passados para outro subprograma Ambiente de referência Verificação de tipos em parâmetros Definição de unidades aninhadas Sobrecarga de subprogramas Subprogramas genéricos 7

8 Variáveis Locais Semi-estáticas (dinâmicas de pilha): Vantagens: a. Suporte a recursão b. Memória para variáveis locais é compartilhada entre alguns subprogramas Desvantagens: Estáticas a. Tempo de alocação, desalocação b. Endereçamento Indireto c. Subprogramas não podem manter "história" Variáveis Locais Exemplos: 1. FORTRAN 77 - estáticas 2. C - static, default é semi-estática 3. Pascal, Java e Ada - semi-estática 8

9 Parâmetros: Correspondência Correspondência entre parâmetros Por posição (positional parameters): mapeiam parâmetros formais e reais em função de sua ordem na lista de parâmetros Por palavra-chave (keyword parameters): mapeiam parâmetros formais e reais através de nomes Exemplo: por posição 17 Correspondência por palavra-chave Exemplo Declaração: procedure SORT(LIST : LIST_TYPE; LENGTH : INTEGER := 100); Chamada 1: SORT(LIST => A, LENGTH => N); Chamada 2: SORT(LIST => A); Avaliação Correspondência por palavra-chave promove maior legibilidade e confiabilidade 18 9

10 Métodos de passagem de parâmetros Modelos semânticos in mode, out mode, inout mode Modelos conceituais de transferência Mover o valor ("fisicamente") Mover um caminho de acesso par o valor 19 Modelos de Passagem de Parâmetros "mover valor" 20 10

11 Métodos de passagem de parâmetros Modelos de implementação Passagem por valor Passagem por resultado Passagem por valor-resultado Passagem por referência Passagem por nome 21 Passagem por valor Ou por passagem física ou por caminho Desvantagem de acesso por caminho: Deve-se proteger contra gravação no subprograma chamado Acessos custam mais (endereçamento indireto) Desvantagem em cópia física: Requer maior armazenamento (espaço duplicado) Custo de transferência (para parâmetros grandes) 22 11

12 Passagem por valor Modo de entrada Parâmetros são copiados em um novo local (armazenamento) no subprograma quando ele começa. Do ponto de vista do subprograma, o acesso é eficiente, mas a cópia não 23 Passagem por resultado Modo de saída O resultado em um subprograma é copiado no parâmetro atual quando o subprograma retorna Pode causar problema quando o mesmo parâmetro é mapeado para múltiplos parâmetros formais, ou quando o parâmetro atual é uma constante, que pode ser alterada quando o programa retorna 24 12

13 Passagem por valor-resultado Modo In-out Combina passagem por valor e passagem por resultado. Também chamado passagem por cópia Passagem por referência Modo In-out Diferente da passagem-por-valor-resultado, um caminho de acesso a dado é passado para o subprograma, não o dado em si Passagem de parâmetros é eficiente, mas o acesso não Pode introduzir alias inesperado quando um parâmetro atual é mapeado para diferentes parâmetros formais, ou quando uma variável global é passada a um subprograma onde a própria variável global é visível 13

14 27 Passagem por nome Modo In-out A ocorrência de um parâmetro formal é textualmente trocada pelo parâmetro atual O método de acesso é ligado à invocação do subprograma, mas a avaliação acontece cada vez que o parâmetro formal é encontrado Se o parâmetro atual é uma variável escalar, então a passagem por nome tem o mesmo comportamento da passagem por referência Se o parâmetro atual é uma constante, é equivalente a passagem por valor Se o parâmetro atual é a referência para um array ou uma expressão com variáveis, então ela é avaliada cada vez que é encontrada. Isso é chamado de avaliação preguiçosa ou ligação tardia (late binding) 28 Implementação Todos os principais métodos de passagem de parâmetro podem ser implementados por meio de pilhas Há diferenças entre passagem por referência e por valor-resultado, sendo que neste último é alocado espaço para o armazenamento (completo) do parâmetro formal. As alterações feitas no parâmetro atual são visíveis somente quando o subprograma termina, mas na passagem por referência reflete as alterações passo a passo Passagem por nome é implementada como uma máscara em segmento de código, que é ligada ao ambiente de referência quando o subprograma é chamado, e é avaliado para cada ocorrência do parâmetro formal 14

15 Exemplo 29 Funções como parâmetros O protótipo de ver checado para o parâmetro atual, que é um subprograma A referência para o subprograma A que é passado para outro subprograma B pode ser: Binding Superficial o ambiente (em B) A é chamado Binding em profundidade o ambiente A é definido Binding Ad Hoc o ambiente onde A é passado para B (onde B é chamado) Bloco estruturado geralmente usa deep binding para facilitar a adoção de escopo estático 30 15

16 Parâmetros que são Subprogramas Questões: 1. Os parâmetros são checados? Primeiras versões de Pascal e FORTRAN 77 não Versões posteriores de Pascal e FORTRAN 90 sim Ada não permite parâmetros em subprogramas Java não permite nomes de métodos serem passados como parâmetros C e C++ passam ponteiros para funções; parâmetros podem ser checados F(g): g é um ponteiro para a função g(parametros) int f(*p()) { Chama-se p } int g(int x) {... } main() { f(g) } 16

17 33 Parâmetros que são Subprogramas 2. Qual é o ambiente de referência correto para um subprograma que foi mandado como parâmetro? Possibilidades: a. É aquele que executou o subprograma Binding Superficial (shallow binding) b. É aquele que declarou o subprograma Binding em Profundidade (deep binding) c. É aquele que passou Binding Ad hoc (nunca usado) Parâmetros que são subprogramas Para linguagens de escopo estático, deep binding é mais natural Para linguagens de escopo dinâmico shallow binding é mais natural 34 17

18 35 Parâmetros que são subprogramas Exemplo: sub1 sub2 sub3 call sub4(sub2) sub4(subx) call subx call sub3 Qual é o ambiente de referencia do sub2 quando ele é chamado em sub4? Shallow binding => sub2, sub4, sub3, sub1 Deep binding => sub2, sub1 Sobrecarga de subprogramas Subprogramas que têm o mesmo nome, mas diferentes protótipos Em Ada o compilador pode distinguir o uso pelo tipo de retorno, portanto o protótipo completo deve ser considerado 36 18

19 Subprogramas Genéricos 37 Polimorfismo significa que a mesma construção pode ter significado diferente de acordo com o contexto Polimorfismo Ad hoc sobrecarga de operadores Polimorfismo Paramétrico um programa genérico que funciona com diferentes tipos de variáveis, de acordo com os parâmetros recebidos Em Ada Unidade genérica para um programa que implementa polimorfismo paramétrico Em C++ Chamado de template em C++ e provê flexibilidade de programação As funções são construídas pelo uso (no header file, não no código fonte) Aspectos de Projetos para Funções 1. Efeitos colaterais são permitidos? a. Parâmetros Two-way (Ada não permite) b. Referência não-local (todas pertmitem) 2. Quais tipos de retorno são permitidos? 38 19

20 Co-rotinas O controle é trocado entre vários processos Um processo é resumed, e não há retorno Geralmente um processo master cria outros processos, e distribui o controle entre eles 39 Esquema 40 20

21 Exemplo 41 Exemplo 42 21

22 Abstrações: suporte Abstração procedimental (subprogramas/ métodos) modos de passagem de parâmetros ambientes de referência: local e global, escopo e visibilidade de componentes proteção de componentes locais sobrecarga de operadores e polimorfismo unidades genéricas 43 Semântica de chamadas e retornos A ligação de subprogramas exige armazenamento de informações sobre: estado da execução no ponto de chamada passagem de parâmetros, dependendo do modo ambiente global de execução ambiente local de execução endereço de retorno Informações são organizadas em um registro de ativação A cada ativação é criada uma instância do registro de ativação e colocada na pilha de execução 44 22

23 Abstração procedimental: execução Requisição A execução ocorre quando é feita uma chamada Uma unidade requisita a execução de outra unidade (chamada) A unidade requisitante suspende sua execução e aguarda o término da execução da unidade chamada Parâmetros As definições/chamadas podem ser parametrizadas Parâmetros reais: valores passados à unidade chamada (argumentos) Parâmetros formais: descrição dos tipos de dados que a abstração pode receber Tipo da abstração: tipo de resultado da execução 45 23