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 03 (rogerio@fct.unesp.br) Aula 3 Variáveis: Nomes Vinculações (binding) Verificação de tipo e Escopo 2 1

2 Questões de Projeto Qual o tamanho máximo de um nome? Caracteres de conexão podem ser usados em nomes? Maiúsculas e minúsculas são diferentes? Palavras especiais são palavras reservadas ou palavras-chave? 3 Tamanho de nomes FORTRAN : máximo 6 COBOL: máximo 30 FORTRAN 90 e ANS C: máximo 31 Ada: sem limite e todos são significantes C++: sem limite, mas implementadores freqüentemente estabelecem limite 4 2

3 5 Variáveis Variável memória é uma abstração de uma célula de Podem ser atributos: caracterizada pela sêxtupla de Nome, endereço, valor, tipo, tempo de vida, e escopo Nome: string Endereço: endereço de memória a ela associado Uma variável pode ter diferentes endereços de memória durante a execução Uma variável pode ter diferentes endereços em diferentes lugares de um programa Pode haver dois nomes para um mesmo endereço (aliases) Prejudicial a legibilidade "nformation Binding" As LPs imperativas imitam as ações dos computadores em nível de linguagem de máquina (LM). Nesse nível, os computadores operam com 2 unidades principais: CPU e memória. Uma unidade de execução típica em LM consiste de 4 passos. 6 3

4 "nformation Binding" 1. Obter o endereço de locações para um resultado e 1 ou mais operandos 2. Obter o dado operando da(s) locação(ões) do operando 3. Computar o dado resultado dos dados operandos 4. Armazenar o dado resultado na locação do resultado 7 "nformation Binding" Exemplo A := B + C seria executado como: 1 - Obter os endereços de A, B e C 2 - Obter os dados dos endereços B e C 3 - Computar o resultado de B + C 4 - Armazenar o resultado na locação de A 8 4

5 Binding Apesar da abstração de endereços em nomes, as LPs imperativas mantém os 4 passos como uma unidade de programa padrão. Essa unidade de execução se tornou a unidade fundamental de LP imperativas chamada de comando de atribuição. 9 Binding De fundamental importância para a performance dessa atribuição é o estabelecimento e uso de um número de bindings ("ligações"): passo 1: binding entre nomes e locações de operandos e resultados passo 2: binding entre locação e valor para estabelecer valores de operandos passo 4: binding entre locação do resultado e o valor computado 10 5

6 Binding No passo 3, a computação depende da interpretação dos dados e dos operadores definidos. LPs relacionam dados e operadores através de tipos. Veremos o papel de tipo em binding. Além disso será discutido o Escopo dos bindings: definição e mudança de bindings. Dados objetos & Bindings Binding Dado objeto = (L, N, V, T) onde L - locação, N - nome, V - valor, T - tipo Binding é a atribuição de valor a um dos quatro componentes acima. Esses bindings podem ser alterados em certas ocasiões. Os bindings podem ocorrer em tempo de compilação, em tempo de loading (quando o programa LM gerado pelo compilador está sendo alocado à locações específicas na memória), ou em tempo de execução. 6

7 Tipos de Binding Bindings de locação geralmente ocorrem em tempo de loading, mas também podem ocorrer em tempo de execução (variáveis em procedimentos e alocação dinâmica). Bindings de nome ocorrem tipicamente em tempo de compilação, quando uma declaração é encontrada. (em arrays e records ocorrem bindings compostos de nomes). 13 Tipos de Binding Bindings de tipo ocorrem geralmente em tempo de compilação, através de declarações de tipo. Veja exemplos dos efeitos da declaração de tipos em ADA nas figuras seguintes. Binding de tipo dinâmico ocorre durante tempo de execução, não havendo declarações. O tipo do dado objeto é determinado pelo tipo do valor, e portanto, uma mudança de valor implica em novo binding. 14 7

8 Tipos de Binding 15 Exemplo A:integer; 16 8

9 Exemplo B:integer:=0; 17 Exemplo C : constant integer := 0; 18 9

10 Escopo de Binding e Unidades de Execução Divisões de um programa: programa - maior divisão; unidade executável fundamental blocos comando - menor divisão; unidade indivisível O objetivo de se juntar unidades de execução, neste caso, é para identificar o escopo de bindings. 19 Tipos de Binding Um binding é dito estático se ocorre antes da execução e permanece inalterado durante a execução do programa Um binding é dito dinâmico se ocorre durante a execução ou pode ser alterado durante a execução do programa 20 10

11 Tipos de Binding Como um tipo é especificado? Quando acontece o binding? Se estático, o tipo pode ser especificado ou por uma declaração explícita ou por declaração implícita Uma declaração explícita é uma sentença declarativa para o tipo da variável Uma declaração implícita é um mecanismo default para a especificação de tipos acontece na primeira vez que uma variável é encontrada Exemplos: FORTRAN, PL/, BASC, e Perl têm mecanismos de declaração implícita Vantagens: facilidade na escrita Desvantagem: legibilidade (menos problema em Perl) Binding Dinâmico Especificado por sentenças APL: LST < LST < Vantagem: flexibilidade Desvantagem: Alto custo (checagem de tipo e interpretação) Detecção de erros de tipo pelo compilador é difícil 11

12 Categoria de Variáveis por Tempo de Vida Estáticas Ligadas a células de memória antes da execução, permanecendo na mesma célula durante toda a execução 23 Exemplos: variáveis em FORTRAN 77, variáveis estáticas em C (cláusula static) Vantagem: eficiência (endereçamento direto) Sensível à história suporte a subprogramação Desvantagem: falta de flexibilidade (sem recursão) Categoria de Variáveis por Tempo de Vida Stack-dynamic 24 Binding de armazenamento são criados quando suas sentenças de declaração são efetuadas Se escalares, todos os atributos exceto endereço são estaticamente ligados Exemplos: variáveis locais em procedimentos/funções em Pascal e C Vantagem: permitem recursão e otimizam o uso de espaço em memória Desvantagens: overhead de alocação e liberação Subprogramas não podem ser history sensitive Referência ineficiente (endereçamento indireto) 12

13 Categoria de Variáveis por Tempo de Vida Heap-dynamic Explícito Alocado e liberado por diretivas explícitas, especificadas pelo programador, que tem efeito durante a execução Referenciadas por ponteiros Exemplos: objetos dinâmicos em C e tudo em JAVA Vantagem: armazenamento dinâmico Desvantagem: neficientes e não confiável 25 Categoria de Variáveis por Tempo de Vida mplicit heap-dynamic Alocação e liberação causadas por sentenças de associação Exemplo; todas variáveis em APL Vantagem: flexibilidade Desvantagem: neficiente, porque todos os atributos são dinâmicos Sem detecção de erros 26 13

14 Tipo de Variáveis Checagem de Tipo é uma atividade de garantia de que operandos e operadores são de tipos compatíveis Tipo compatível é um tipo que é legal para um operando, ou é permitido, segundo as regras da linguagem. Pode ser que haja a conversão automática para garantir a compatibilidade (coerção) 27 Uma linguagem é fortemente tipada se erros de tipo são sempre detectados Blocos Conjunto de comandos para atender a determinado fim. 1 - Escopo de estrutura de controle Estruturas condicionais Estruturas iterativas 2 - Escopo de procedimentos ou funções 3 - Unidades de compilação Blocos compilados separadamente e depois unidos para execução 4 - Escopo de bindings Bloco de comandos sobre os quais bindings específicos são válidos 31 14

15 Escopo de Binding de Nome Blocos que definem um escopo de binding de nome contém, em geral, duas partes: Uma seção de DECLARAÇÕES, que define os bindings que valem dentro do bloco Uma seção EXECUTÁVEL, que contém os comandos do bloco, onde valem os bindings Sintaticamente, isso requer delimitadores Exemplo BLOCK A; DECLARE ; BEGN A... { de A} - binding válido END A; 15

16 Dois tipos de binding (local e não local) em um Bloco (Exemplo) Blocos aninhados: program P; declare X; begin P... {X de P} block A; declare Y; begin A... {X de P; Y de A} block B; declare Z; begin B... {X de P; Y de A; Z de B} end B;... {X de P; Y de A} end A;... {X de P} block C; declare Z; begin C... {X de P; Z de C} end C;... {X de P} end. 34 Política do Escopo Léxico ou Estático Se um nome tem uma declaração num bloco, este nome é ligado ao objeto especificado na declaração. Se um nome não tem declaração num bloco, ele é ligado ao mesmo objeto ao qual ele foi ligado no bloco que contém o bloco atual, no texto do programa. Se o bloco não está contido em outro, ou se o nome não foi ligado no bloco que contém este, então o nome não está ligado a qualquer objeto no bloco atual

17 Regra de Escopo Quando um bloco redeclara um nome já ligado no ambiente que o contém, a declaração local se sobrepõe ao binding não-local, fazendo o objeto ligado não-localmente inacessível no bloco atual. program P; declare X, Y; begin P... {X de P; Y de P} block A; declare X, Z; begin A... {X de A; Z de A; Y de P; X de P é inacessível em A} end A... {X de P; Y de P} end P; 36 Escopo Estático X Escopo Dinâmico Escopo Dinâmico: O ambiente "global" de uma unidade (procedure) é o ambiente da unidade que a chamou. sto é, uma procedure herda como ambiente global aquele da unidade que a chamou e, portanto, este só pode ser determinado em tempo de execução. Ex: APL, SNOBOL4 e primeiras versões de LSP 37 17

18 Escopo de Binding de Locação Hipótese assumida: binding de locação feito em tempo de loading, permanecendo válido durante toda a execução do programa. Efeito colateral: ao re-executar um bloco, as variáveis locais reteriam os valores da execução anterior. Se um novo binding de locação for feito a cada nova entrada no bloco, nenhuma suposição poderia ser feita Exemplo program P declare ; begin P for := 1 to 10 do block A; declare J; begin A if = 1 then { de P; J de A} J := 1 else J := J * {assume-se que J retém valor de execução prévia} endif end A; end P 18

19 Comentários Desvantagem: memória para todos os blocos do programa deve ser reservada por todo o tempo de execução do programa. Alternativa: (binding dinâmico) Fazer o binding de locação, bem como o de nome, em tempo de execução, a cada entrada de um bloco, desfazendo esses bindings quando da saída do bloco. (Alocação dinâmica de memória). 40 Comentários Extensão do binding: período de tempo, durante execução, em que o binding é válido

20 mplementação A implementação é via registros de ativação, que são registros contendo informações sobre uma unidade de execução, necessárias para restabelecer sua execução, depois de ela ter sido suspensa. Para efeito de binding de locação, o registro de ativação precisará conter apenas as locações para todos os objetos ligados localmente, mais um ponteiro para o registro de ativação do bloco que o contém. 42 Funcionamento Conforme um bloco é ativado, seu registro é colocado no topo de uma pilha. No término de sua execução, seu registro é desempilhado

21 Exemplo 44 program P; declare, J; begin P block A; declare, K; begin A block B; declare, L; begin B;... end B;... end A; block C; declare, N; begin C... end C; end P; Comentários Pela disposição dos blocos no texto, é possível determinar o escopo sem o uso de binding dinâmico. Assim, seria desvantagem a sua utilização. Porém, normalmente utilizamos procedures e functions e só conhecemos a execução desses blocos em tempo de execução. Dessa forma, o uso de binding dinâmico é utilizado

22 Uso da pilha para localizar objetos 1. Procura no registro do topo pelo objeto ligado ao nome. 2. Se não encontrar, procure-o no registro apontado por ele; continue nesse processo até encontrá-lo na lista, ou a lista acabar. 3. Esta busca pode ser otimizada, uma vez que se sabe, em tempo de compilação, a estrutura da pilha e de cada registro de ativação. 46 EXEMPLO 47 program P; declare, J; procedure Proc_A; declare, K; begin A... End A Procedure Proc_ B; declare, L; begin B;... Proc_A; end B; Procedure Proc_ C; declare, N; begin C... Proc_B; end C; begin P Proc_ C Proc_A end P; P J 22

23 EXEMPLO 48 program P; declare, J; procedure Proc_A; declare, K; begin A... End A Procedure Proc_ B; declare, L; begin B;... Proc_A; end B; Procedure Proc_ C; declare, N; begin C... Proc_B; end C; begin P Proc_ C Proc_A end P; Chamando o procedimento Proc_C Proc_C P N J EXEMPLO 49 program P; declare, J; procedure Proc_A; declare, K; begin A... End A Procedure Proc_ B; declare, L; begin B;... Proc_A; end B; Procedure Proc_ C; declare, N; begin C... Proc_B; end C; begin P Proc_ C Proc_A end P; Chamando o procedimento Proc_B Proc_B Proc_C P L N J 23

24 EXEMPLO 50 program P; declare, J; procedure Proc_A; declare, K; begin A... End A Procedure Proc_ B; declare, L; begin B;... Proc_A; end B; Procedure Proc_ C; declare, N; begin C... Proc_B; end C; begin P Proc_ C Proc_A end P; Chamando o procedimento Proc_A Proc_A Proc_B Proc_C P K L N J EXEMPLO 51 program P; declare, J; procedure Proc_A; declare, K; begin A... End A Procedure Proc_ B; declare, L; begin B;... Proc_A; end B; Procedure Proc_ C; declare, N; begin C... Proc_B; end C; begin P Proc_ C Proc_A end P; Saindo do procedimento Proc_A Proc_B Proc_C P L N J 24

25 EXEMPLO 52 program P; declare, J; procedure Proc_A; declare, K; begin A... End A Procedure Proc_ B; declare, L; begin B;... Proc_A; end B; Procedure Proc_ C; declare, N; begin C... Proc_B; end C; begin P Proc_ C Proc_A end P; Saindo do procedimento Proc_B Proc_C P N J EXEMPLO 53 program P; declare, J; procedure Proc_A; declare, K; begin A... End A Procedure Proc_ B; declare, L; begin B;... Proc_A; end B; Procedure Proc_ C; declare, N; begin C... Proc_B; end C; begin P Proc_ C Proc_A end P; Saindo do procedimento Proc_C P J 25

26 EXEMPLO 54 program P; declare, J; procedure Proc_A; declare, K; begin A... End A Procedure Proc_ B; declare, L; begin B;... Proc_A; end B; Procedure Proc_ C; declare, N; begin C... Proc_B; end C; begin P Proc_ C Proc_A end P; Chamando o procedimento Proc_A Proc_A P K J EXEMPLO 55 program P; declare, J; procedure Proc_A; declare, K; begin A... End A Procedure Proc_ B; declare, L; begin B;... Proc_A; end B; Procedure Proc_ C; declare, N; begin C... Proc_B; end C; begin P Proc_ C Proc_A end P; Saindo do procedimento Proc_A P J 26

27 Formato nterno de Dados O formato interno para representar um tipo inteiro depende de seu limite mínimo e máximo. Tipo ntervalo Tamanho Shortint bits Byte bits nteger bits Word bits Longint bits 56 Padrão EEE Pesquisa 57 27