Aspectos preliminares

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1 Aspectos preliminares Marco A L Barbosa malbarbo.pro.br Departamento de Informática Universidade Estadual de Maringá cba Este trabalho está licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

2 Conteúdo Razões para estudar conceitos de linguagens de programação Domínios de programação Classes de linguagens Métodos de implementação Critérios para avaliação de linguagens Influências no projeto de linguagens

3 Razões para estudar conceitos de linguagens de programação 3/53

4 Razões para estudar conceitos de linguagens de programação Aumentar a capacidade de expressar ideias Melhorar as condições de escolha da linguagem apropriada para cada problema Aumentar a capacidade de aprender novas linguagens Melhorar o uso das linguagens já conhecidas Entender a importância da implementação Avanço da área de computação 4/53

5 Domínios de programação 5/53

6 Domínios de programação Linguagens de programação com objetivos diferentes Desde controle de usinas nucleares até jogos em dispositivos móveis 6/53

7 Domínios de programação Aplicações científicas Estruturas simples (arranjos e matrizes) Muitas operações com pontos flutuantes Fortran, C/C++ Recentemente Hardware especializado (GPU, TPU) Python (numpy), Octave (Mathlab), Julia 7/53

8 Domínios de programação Aplicações comerciais Inicialmente Integração com banco de dados Produção de relatórios Armazenamento e manipulação de números decimais e texto Cobol Atualmente Muitos requisitos Muitas linguagens 8/53

9 Domínios de programação Inteligência artificial Manipulação de símbolos (estruturas encadeadas ao invés de arranjos) Criação e execução de código Lisp, Prolog Atualmente Métodos numéricos Python, C/C++ 9/53

10 Domínios de programação Software de sistema Software básico e ferramentas de suporte a programação Sistemas operacionais Construções para interfaceamento com dispostos externos Eficiência devido ao uso contínuo Compiladores e interpretadores E os softwares que são executados continuamente? Navegadores, Sistemas web C/C++, D, Go, Rust 10/53

11 Domínios de programação Sistemas Web Apresentação de conteúdo dinâmico Código junto com a tecnologia de apresentação Inicialmente PHP, Javascript Segurança Escalabilidade Desempenho Integração com sistemas existentes 11/53

12 Classes de linguagens 12/53

13 Classes de linguagens É comum a seguinte classificação hierárquica: Imperativas Procedurais (Fortran, Pascal, C, ) Orientada a Objetos (Smalltalk, Java, C++, ) Declarativas Funcionais (Lisp/Scheme, Haskell, Ocaml, ) Lógicas (Prolog) 13/53

14 Classes de linguagens A maioria das linguagens é multiparadigma, por isso, ao invés de classificação hierárquica é mais útil identificar as características de cada paradigma presente em uma linguagem. 14/53

15 Classes de linguagens A seguir, mostramos como o problema de encontrar o valor máximo em uma lista não vazia de números inteiros pode ser resolvido utilizando os paradigmas imperativo, funcional e lógico. 15/53

16 Imperativo Inicialize a variável max com o primeiro elemento da lista Para cada elemento x da lista a partir do segundo elemento, faça: Se x é maior do max, então atribua o valor x para max A variável max contém o maior valor da lista 16/53

17 Imperativo Código em C int maximo(int lst[], size_t n) { assert(n > 0); int max = lst[0]; for (int i = 1; i < n; i++) { if (lst[i] > max) { max = lst[i]; } } return max; } 17/53

18 Funcional O valor maximo(lst) é definido como: O primeiro elemento de lst se lst só tem um elemento O primeiro elemento de lst se ele é maior do que o maximo do restante de lst maximo do restante de lst se ele é maior ou igual ao primeiro elemento de lst Para computar o valor de maximo de uma dada lista, expanda e simplifique esta definição até que ela termine 18/53

19 Funcional Código em Racket (define (maximo lst) (cond [(empty? (rest lst)) (first lst)] [(> (first lst) (maximo (rest lst))) (first lst)] [else (maximo (rest lst))])) 19/53

20 Lógico A proposição maximo(lst, x) é verdadeira se: x é o único elemento de lst; ou x é primeiro elemento de lst e maximo(restante lst, m) é verdadeiro e x é maior do que m; ou p é o primeiro elemento de lst e maximo(restante lst, x) é verdadeiro x é maior ou igual a p Para computar o valor máximo de uma dada lista, busque por um valor x que permita provar que a proposição maximo(lst, x) é verdadeira. 20/53

21 Lógico Código em Prolog maximo([x], X). maximo([x Xs], X) :- maximo(xs, M), X > M. maximo([p Xs], X) :- maximo(xs, X), X >= P. 21/53

22 Classes de linguagens Nível de abstração Baixo nível Poucas abstrações sobre os detalhes do computador Alto nível Abstrações sobre os detalhes do computador 22/53

23 Classes de linguagens Linguagens de scripting Juntar programas escritos em outras linguagens 23/53

24 Métodos de implementação 24/53

25 Métodos de implementação Compilação Interpretação Híbrido 25/53

26 Métodos de implementação Computador virtual VB.NET Computador virtual C# Computador virtual C Compilador VB.NET....NET Common Language Runtime Compilador C# Interpretador Scheme Computador virtual Scheme Compilador C Sistema operacional Compilador Java Interpretador de macroinstruções Interpretador de comandos do sistema operacional Computador virtual Java Máquina Virtual Java Máquina pura Montador Compilador Ada Computador virtual Ada... Computador virtual de linguagem de montagem Interface em camadas de computadores virtuais, fornecida por um sistema de computação típico 26/53

27 Métodos de implementação - Compilação Programa fonte Analisador léxico Unidades léxicas Analisador sintático Árvores de análise sintática Tabela de símbolos Gerador de código intermediário e analisador semântico Otimização (opcional) Código intermediário Gerador de código Linguagem de máquina Dados de entrada Computador Resultados 27/53

28 Métodos de implementação - Interpretação Programa fonte Dados de entrada Interpretador Resultado 28/53

29 Métodos de implementação - Híbrido Programa fonte Analisador léxico Unidades léxicas Analisador sintático Árvores de análise sintática Gerador de código intermediário Código intermediário Dados de entrada Interpretador Resultado 29/53

30 Critérios para avaliação de linguagens 30/53

31 Critérios para avaliação de linguagens Como os recursos das linguagens influenciam o desenvolvimento de software? Alguns critérios podem ser controversos Alguns critérios são objetivos, enquanto outros não Algumas pessoas valorizam mais alguns critérios do que outros O Sebesta valoriza muito as características que permitem que erros possam ser detectados em tempo de compilação, mas estas características podem tornam os programas mais difíceis de serem mantidos do que o necessário 31/53

32 Critérios para avaliação de linguagens Legibilidade (facilidade de leitura) Deve ser considerada em relação ao domínio do problema Facilidade de escrita Deve ser considerada em relação ao domínio do problema Confiabilidade Custo 32/53

33 Critérios para avaliação de linguagens Característica Legibilidade Facilidade de escrita Confiabilidade Simplicidade Ortogonalidade Tipos de dados Projeto de sintaxe Suporte para abstração Expressividade Verificação de tipos Tratamento de exceções Apelidos restritos 33/53

34 Legibilidade Simplicidade Um conjunto bom de características e construções Poucas formas de expressar cada operação Sobrecarga de operadores? Muito simples não é bom (assembly) 34/53

35 Legibilidade Ortogonalidade Poucas características podem ser combinadas de várias maneiras Uma característica deve ser independente do contexto que é usada (exceções a regra são ruins) Muito ortogonalidade não é bom (Algol68) Linguagens funcionais oferecem uma boa combinação de simplicidade e ortogonalidade 35/53

36 Exemplo de falta de ortogonalidade em C typedef struct par { int primeiro; int segundo; } par; void f(par x) { x.primeiro = 10; } void test_f() { par x = {1, 2}; // passagem de parâmetro // por valor f(x); assert(x.primeiro == 1); } void g(int x[2]) { x[0] = 10; } void test_g() { int x[2] = {1, 2}; // vetores não podem ser passados // como parâmetro por valor! g(x); assert(x[0] == 10); } 36/53

37 Legibilidade Tipos de dados Tipos pré-definidos adequados 37/53

38 Legibilidade Sintaxe Flexibilidade para nomear identificadores Forma de criar sentenças compostas A forma deve ter relação com o significado 38/53

39 Facilidade de escrita Simplicidade e ortogonalidade Poucas construções e um conjunto consistente de formas de combinação 39/53

40 Facilidade de escrita Suporte para abstração Definir e usar estruturas e operações de maneira que os detalhes possam ser ignorados Suporte a subprogramas Suporte a tipos abstratos de dados 40/53

41 Facilidade de escrita Expressividade Maneira conveniente de expressar a computação 41/53

42 Facilidade de escrita Algumas linguagens tem a sintaxe e/ou a semântica tão densas e bizarras que são chamadas de Linguagens somente de escrita! 42/53

43 Confiabilidade Um programa é dito confiável quando está de acordo com suas especificações em todas as condições Verificação de tipos Tratamento de exceções Apelidos (um ou mais nomes para acessar a mesma célula de memória) Facilidade de leitura e escrita 43/53

44 Confiabilidade Os testes automatizados são extremamente importantes para aumentar a confiabilidade/manutenibilidade dos programas Especificação executável Frameworks de testes 44/53

45 Uso de apelidos em C++, Java e Rust C++ Java Rust vector<int> v = {10, 20, 30}; int soma = 0; for (int &x : v) { soma += x; if (x == 20) { v.push_back(1); } } assert(soma == 61); Pode ou não falhar x pode referenciar memória desalocada ArrayList<Integer> lista = new ArrayList<>( aslist(10, 20, 30)); int soma = 0; for (Integer x : lista) { soma += x; if (x == 20) { lista.add(1); } } assert soma == 61; Falha na execução: lista.add gera o erro java.util.concurrentmodificationexception let mut v = vec![10, 20, 30]; let mut soma = 0; for &x in &v { soma += x; if x == 20 { v.push(1); } } assert_eq!(soma, 61); Falha na compilação: cannot borrow v as mutable because it is also borrowed as immutable 45/53

46 Custo Os fatores que mais afetam os custos são Desenvolvimento Manutenção Confiabilidade 46/53

47 Custo Treinar programadores Escrever programas Aspectos importantes Ambiente de desenvolvimento (IDE) Gerenciamento de pacotes 47/53

48 Custo Compilar programas Executar programas Aspectos importantes Compiladores/Interpretadores (software livre) Linguagens com execução eficiente 48/53

49 Custo Confiabilidade Manutenção 49/53

50 Outros Outros critérios Portabilidade Padronização Diferentes visões Programador Projetista da linguagem Implementador da linguagem 50/53

51 Influências no projeto de linguagens 51/53

52 Influências no projeto de linguagens Arquitetura do Computador Arquitetura de von Neumann Arquiteturas multicore Outras? Metodologias de Programação Orientada a processos Orientada a dados Orientação a objetos 52/53

53 Referências Robert Sebesta, Concepts of programming languages, 9ª edição. Capítulo 1. 53/53