I linguaggi di alto livello

1. I linguaggi di alto livello

2. Sommario • Introduzione alla programmazione • Caratteristiche dei linguaggi di programmazione • I linguaggi di programmazione di alto livello • Compilatori e interpreti • L’arte della programmazione • Storia del linguaggio C • Lo standard ANSI

3. Introduzione alla programmazione

4. Cos’è un linguaggio • Definizione 1 Un linguaggio è un insieme di parole e di metodi di combinazione delle parole usati e compresi da una comunità di persone • È una definizione poco precisa perché… • Non evita le ambiguità dei linguaggi naturali • Non si presta a descrivere processi computazionali automatici • Non aiuta a stabilire proprietà • Definizione 2 Il linguaggio è uno strumento matematico che consente di rispondere a domande come: • Quali sono gli elementi linguistici primitivi? • Quali sono le frasi lecite? • Si può decidere se una frase appartiene o no al linguaggio? • Come si stabilisce il significato di una frase?

5. Lessico, sintassi e semantica • Lessico:l’insieme di regole formali per la scrittura di parole in un linguaggio • Sintassi: l’insieme di regole formali per la scrittura di frasi in un linguaggio, che stabiliscono cioè la grammatica del linguaggio stesso • Semantica:l’insieme dei significati da attribuire alle frasi (sintatticamente corrette) costruite nel linguaggio • Nota:una frase può essere sintatticamente corretta e tuttavia non avere significato! “Sento il micino che cinguetta e annaffio nel giardino le mie mimose blu…”

6. Esempio: la sintassi di un numero naturale <cifra-non-nulla> : 1|2|3|4|5|6|7|8|9 <cifra> : 0 | <cifra-non-nulla> <naturale> : 0 | <cifra-non-nulla>{<cifra>} Diagramma sintattico

7. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  1 • Benché siano macchine in grado di compiere operazioni complesse, i calcolatori devono essere “guidati” per mezzo di istruzioni appartenenti ad un linguaggio specifico e limitato, a loro comprensibile • Un linguaggio di programmazione è costituito, come ogni altro tipo di linguaggio, da un alfabeto, con cui viene costruito un insieme di parole chiave(il vocabolario) e da un insieme di regole sintatticheper l’uso corretto delle parole del linguaggio • A livello hardware, i calcolatori riconoscono solo comandi semplici, del tipo copia un numero,addiziona due numeri,confronta due numeri

8. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  2 • I primi linguaggi di programmazione coincidevano con l’insieme delle istruzioni eseguibili dall’hardware • Le istruzioni hardware sono codificate in codice binario: ogni informazione è rappresentata, all’interno della macchina, come una sequenza di bit • Enorme sforzo programmativo richiesto per codificare algoritmi semplici • I comandi realizzati in hardware definiscono il set di istruzioni macchinae i programmi che li utilizzano direttamente sono i programmi in linguaggio macchina

9. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  3 • In linguaggio macchina… • …ogni “operazione” richiede l’attivazione di numerose istruzioni base • …qualunque entità, istruzioni, variabili, dati, è rappresentata da numeri binari: i programmi sono difficili da scrivere, leggere e manutenere • Il linguaggio macchina riflette l’organizzazione della macchina più che la natura del problema da risolvere • Dalla nascita dei primi calcolatori, si è cercato di diminuire lo sforzo ed aumentare la produttività dell’utente, anche a costo di caricare la macchina di maggiori compiti

10. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  4 • La prima evoluzione dei linguaggi di programmazione ha portato ad una codifica di tipo simbolico, anziché binaria, dei programmi • Tali versioni simboliche dei linguaggi hardware sono note come linguaggi assemblatori, dal termine usato per indicare i programmi traduttori che, ricevendo come dato la versione simbolica di un programma, producono come risultato la corrispondente forma binaria direttamente eseguibile dalla macchina • Per la prima volta, con la nascita degli assembler, fu applicato il principio che è meglio risparmiare il tempo dell’uomo anche a costo di sprecare tempomacchina (una parte del tempo è dedicata alla traduzione di programmi, non alla loro esecuzione)

11. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  5 • Negli anni ‘50, tutti i programmi erano scritti in linguaggio macchina o in assembly • In assembly… • …le istruzioni corrispondono univocamente alle istruzioni macchina, ma vengono espresse tramite nomi simbolici (parole chiave) piuttosto che mediante codici numerici • …il riferimento alle variabili viene effettuato per mezzo di nomi piuttosto che con indirizzi di memoria • I programmi scritti in assembly necessitano di un apposito programma assemblatore per tradurre le istruzioni tipiche del linguaggio in istruzioni macchina

12. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  6 • Il passo successivo nell’evoluzione dei linguaggi di programmazione tese a rendere la codifica degli algoritmi il più possibile “vicina” al problema da risolvere, anziché all’architettura della macchina destinata all’esecuzione del programma • I primi due linguaggi di alto livello, FORTRAN e COBOL, hanno costrutti fortemente ispirati alla notazione usata, negli anni ‘50, per l’elaborazione numerica e gestionale

13. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  7 • Negli anni ‘60: • Grande sforzo per razionalizzare la definizione e le tecniche di implementazione dei linguaggi, reso necessario dallo sviluppo quantitativamente impetuoso delle applicazioni • Definizione dell’ALGOL 60, il capostipite dei moderni linguaggi, basato sui principi della programmazione strutturata • Proliferazione selvaggia, favorita dalle industrie, di nuovi linguaggi, sia generalpurposeche rivolti a specifici settori applicativi

14. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  8 • Negli anni ‘70: • Si diffondono i linguaggi strutturati, quali il SIMULA 67, capostipite dei linguaggi ObjectOriented, l’ALGOL 68, ma soprattutto il PASCAL, primo esempio di prodotto di origine accademica che abbia conosciuto vasto successo ed applicazione nel mondo dell’industria • In modo simile, il C, concepito come un assembler strutturato per trasportare facilmente UNIX, ha finito per diventare il linguaggio più affermato nella programmazione di sistema

15. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  9 • Il periodo a cavallo tra gli anni ‘70 ed ‘80 è segnato da tendenze contraddittorie: • Viene lanciata dal Dipartimento della Difesa americano l’iniziativa per la definizione e la realizzazione di un nuovo linguaggio, che l’ente intende imporre come proprio standard • ADA dovrebbe rappresentare il punto di maturazione perfetta di tutti i principi di progettazione software e dei meccanismi linguistici elaborati negli anni precedenti • Si moltiplicano i nuovi linguaggi tesi a rendere più gradevole ed efficiente la programmazione tradizionale e si ha l’affermarsi definitivo dei linguaggi objectoriented (C, Visual BASIC, Java)

16. I linguaggi di programmazione: Cenni storici  10 • Nei linguaggi di alto livelloogni singola istruzione consente di effettuare un’operazione semplice, ma completa • I linguaggi di alto livello sono elementi intermedi di una varietà di linguaggi ai cui estremi si trovano il linguaggio macchina, da un lato, ed i linguaggi naturali, come l’italiano e l’inglese, dall’altro • I linguaggi di programmazione differiscono comunque dai linguaggi naturali: sono infatti meno espressivi ma più precisi • Sono semplici e poveri (poche parole chiave, poche regole), ma privi di qualsiasi ambiguità

17. Astrazione  1 • In informatica si parla di programmazione di basso livelloquando si utilizza un linguaggio molto vicino alla macchina • Si parla invece di programmazione di alto livelloquando si utilizzano linguaggi più sofisticati ed astratti, slegati dal funzionamento fisico della macchina • Si viene così a creare una gerarchia di linguaggi, dai meno evoluti (il linguaggio macchina o l’assembler) ai più evoluti (Pascal, Perl,Java, etc.) • In questa gerarchia il linguaggio C si pone ad un livello intermedio

18. Astrazione  2 • Esistono, quindi, diversi livelli di astrazione: • Linguaggio macchina e Assembler • Implicano la conoscenza dettagliata delle caratteristiche della macchina (registri, dimensione dati, set di istruzioni) • Semplici algoritmi implicano la specifica di molte istruzioni • Linguaggi di alto livello • Il programmatore può astrarre dai dettagli legati all’architettura ed esprimere i propri algoritmi in modo simbolico • Sono indipendenti dalla macchina hardware sottostante

19. Evoluzione dei linguaggi di programmazione

20. Linguaggi di programmazione di alto livello  1 • Consentono al programmatore di trattare oggetti complessi senza doversi preoccupare dei dettagli della particolare macchina sulla quale il programma viene eseguito • Richiedono un compilatore o un interprete che sia in grado di tradurre le istruzioni del linguaggio di alto livello in istruzioni macchina di basso livello, eseguibili dal calcolatore • Un compilatore è un programma traduttore complesso, infatti… • …mentre esiste una corrispondenza biunivoca fra istruzioni in assembler ed istruzioni macchina • …ogni singola istruzione di un linguaggio di alto livello corrisponde a molte istruzioni in linguaggio macchina: quanto più il linguaggio si discosta dal linguaggio macchina, tanto più il lavoro di traduzione del compilatore è difficile

21. Linguaggi di programmazione di alto livello  2 • I linguaggi che non dipendono dall’architettura della macchina offrono due vantaggi fondamentali: • i programmatori non devono cimentarsi con i dettagli architetturali di ogni calcolatore • i programmi risultano più semplici da leggere e da modificare portabilità, leggibilità,manutenibilità

22. Linguaggi di programmazione di alto livello  3 • Portabilità:i programmi scritti per un calcolatore possono essere utilizzati su qualsiasi altro calcolatore, previa ricompilazione • Leggibilità:la relativa similitudine con i linguaggi naturali rende i programmi più semplici, non solo da scrivere, ma anche da leggere • Manutenibilità:facilità nell’effettuare modifiche di tipo correttivo, perfettivo, evolutivo e adattivo • La possibilità di codificare algoritmi in maniera astratta si traduce in una migliore comprensibilità del codice e quindi in una più facile analisi di correttezza

23. Linguaggi di programmazione di alto livello  4 • Eventuale svantaggio dell’uso dei linguaggi di alto livello è la riduzione di efficienza • È possibile utilizzare successioni di istruzioni macchina diverse per scrivere programmi funzionalmente equivalenti: il programmatore ha un controllo limitato sulle modalità con cui il compilatore traduce il codice • Tuttavia… i compilatori attuali ricorrono a trucchi di cui molti programmatori ignorano l’esistenza • La ragione fondamentale per decretare la superiorità dei linguaggi di alto livello consiste nel fatto che la maggior parte dei costi di produzione del software è localizzata nella fase di manutenzione, per la quale leggibilità e portabilità sono cruciali

24. Linguaggi di programmazione di alto livello  5 • Possiamo aggregare i numerosi linguaggi di programmazione esistenti sulla base delmodello astratto di programmazioneche sottintendono e che è necessario adottare per utilizzarli Linguaggi di programmazione Imperativi Dichiarativi Procedurali (C, Pascal) Ad oggetti (C++, Java) Funzionali (Lisp) Logici (Prolog) Paralleli

25. Linguaggi di programmazione di alto livello  6 • Linguaggi imperativi • Il modello computazionale è basato sul cambiamento di stato della memoria della macchina • È centrale il concetto di assegnazione di un valoread una (variabile) locazione di memoria • Il compito del programmatore è costruire una sequenza di assegnazioni che producano lo stato finale (in modo tale che questo rappresenti la soluzione del problema) • Linguaggi dichiarativi • Il modello computazionale è basato sui concetti di funzione e relazione • Il programmatore non ragiona in termini di assegnazioni di valori, ma di relazioni tra entità e di valori di una funzione

26. Linguaggi di programmazione di alto livello  7 • Sulla base dell’ambito in cui si colloca il problema da risolvere, è opportuno adottare un linguaggio piuttosto che un altro: • Calcolo scientifico: Fortran, C • Intelligenza artificiale:Prolog, Lisp, C • Applicazioni gestionali: Cobol, SQL, C • Sistemi operativi:Assembler, C • Applicazioni visuali: C, Java, VisualBasic • Applicazioni Web: Java, PHP, ASP

27. I programmi traduttori  1 • Affinché un programma scritto in un qualsiasi linguaggio di programmazione sia comprensibile (e quindi eseguibile) da parte di un calcolatore, occorre tradurlodal linguaggio originario al linguaggio della macchina • Ogni traduttore è in grado di comprendere e tradurre un solo linguaggio • Il traduttoreconverte il testodi un programma scritto in un particolare linguaggio di programmazione (sorgente) nella corrispondente rappresentazione in linguaggio macchina(eseguibile)

28. I programmi traduttori  2 • Compilatore:opera la traduzione di un programma sorgente (scritto in linguaggio di alto livello) in un programma direttamente eseguibile dal calcolatore • PRIMA si traduce tutto il programma • POI si esegue la versione tradotta • Interprete:traduce ed esegue il programma sorgente, istruzione per istruzione • Traduzione ed esecuzione sono intercalate

29. I programmi traduttori  3

30. Il compilatore  1 • Eseguire un programma scritto in un linguaggio compilato • Il programma P scritto in linguaggio L viene dato in ingresso a un programma PComp • PComp è il programma compilatore del linguaggio L (ad esempio il programma compilatore del C) • L’esecuzione da parte di un calcolatore di PComp su P (dove P è il dato di ingresso) produce Pexe FASE di COMPILAZIONE (compile time) • L’esecuzione da parte di un calcolatore di Pexe su particolari dati in input produce i relativi risultati FASE di ESECUZIONE (runtime)

31. Il compilatore  2 • Esempio di compilatore • Dobbiamo sottoporre un curriculum, in inglese, ad una azienda, ma non conosciamo l’inglese • Abbiamo bisogno di un traduttore che traduca quanto scritto da noi dall’italiano all’inglese • contattiamo il traduttore • il traduttore riceve il testo da tradurre • il traduttore fornisce il testo tradotto • possiamo sottoporre il nostro curriculum all’azienda

32. Il compilatore  3 • Compilatore • Analisi lessicale token (parole) • Analisi sintattica  albero sintattico • Analisi semantica  tabella dei simboli

33. Il compilatore  4 • L’analizzatore lessicale trasforma il programma sorgente da stringa di caratteri a stringa di token • Un token è un simbolo che esprime la natura di un elemento del linguaggio • Punteggiatura ed operatori vengono trasformati direttamente in token • Per parole riservate, nomi di variabili e costanti, l’analizzatore deve determinare il token appropriato, esaminando sia la stringa di caratteri, sia il contesto • Ogni identificatore viene inserito nella tabella dei simboli ed i suoi attributi vengono aggiornati nella fase di analisi semantica

34. Il compilatore  5 • L’output del’analisi lessicale è un insieme di coppie, il cui primo elemento identifica la classe del token ed il secondo punta alla posizione del token e dei suoi attributi nella tabella dei simboli • Alcuni token non richiedono attributi e dunque avranno puntatori nulli (ad es., operatori e parole riservate del linguaggio)

35. Il compilatore  6

36. Il compilatore  7 • L’analizzatore sintattico (o parser) permette la costruzione dell’albero di derivazione del particolare programma basato sulla grammatica del linguaggio

37. Il compilatore  8 • L’analizzatore semantico, infine, usa l’albero di derivazione per generare una rappresentazione intermedia e completare la tabella di simboli • Un altro ruolo svolto dall’analizzatore semantico è la scoperta di errori dipendenti dal contesto (tipi di dati che non corrispondono, variabili non dichiarate, etc.)

38. Il compilatore  9 • Il generatore di codice traduce la rappresentazione intermedia in linguaggio assembler o linguaggio macchina • Prima della generazione di codice: • Allocazione della memoria • Allocazione dei registri • L’ottimizzatore del codice intermedio effettua trasformazioni atte a migliorare l’efficienza del codice eseguibile finale

39. Il compilatore  10 Traduzione da algoritmo a codice C e da C ad Assembler

40. Il compilatore  11 Interazione fra compilatore, SO e hardware

41. Compilatore e linker 1 • I compilatori consentono tipicamente la compilazione separata di parti di programmi (moduli) • I diversi moduli possono essere progettati, costruiti e messi a punto separatamente, e archiviati in opportune librerie • Nel momento in cui un programma deve essere eseguito, un programma apposito, detto linker, si occupa di collegare opportunamente fra loro i moduli oggetto • Il risultato dell’esecuzione del linker è un unico modulo, detto modulo eseguibile, pronto per il caricamento in memoria e l’esecuzione

42. Compilatore e linker 2 Il ruolo del linker

43. Compilatore e linker 3 Da sorgente ad eseguibile

44. L’interprete  1 • Eseguire un programma scritto in un linguaggio interpretato • Il programma P scritto in linguaggio L viene dato in ingresso a un programma PInt • PInt è il programma interprete del linguaggio L (ad esempio il programma interprete del Python) • L’esecuzione da parte di un calcolatore di PInt su P, con i dati di ingresso a P, produce i relativi risultati

45. L’interprete  2 • Esempio di interprete • Dobbiamo incontrare un manager cinese per motivi di lavoro ma non conosciamo il cinese • Abbiamo bisogno di un interprete che traduca il nostro dialogo • contattiamo l’interprete • parliamo in italiano, in presenza dell’interprete • contemporaneamentel’interprete comunica al manager cinese quanto detto da noi (e viceversa) • Il compito dell’interprete si svolge contestualmente all’incontro col manager cinese

46. L’interprete  3 Interazione fra interprete, SO e hardware

47. Compilatori e interpreti  1 • Riassumendo… • I compilatori traducono un intero programma dal linguaggio L al linguaggio macchina della macchina prescelta: • traduzione e esecuzione procedono separatamente • al termine della compilazione è disponibile la versione tradotta del programma • la versione tradotta è però specifica per quella macchina • per eseguire il programma basta avere disponibile la versione tradotta (non è necessario ricompilare) • Gli interpreti invece traducono e immediatamente eseguono il programma istruzione per istruzione, infatti: • traduzione ed esecuzione procedono insieme • al termine non vi è alcuna versione tradotta del programma originale • se si vuole rieseguire il programma occorre anche ritradurlo

48. Compilatori e interpreti  2 • L’esecuzione di un programma compilato è generalmente più veloce dell’esecuzione di un programma interpretato (nella compilazione si possono attuare processi di ottimizzazione dell’eseguibile), tuttavia… • L’interprete ha il vantaggio di tradurre solo le istruzioni che effettivamente esegue, riducendo al minimo l’operazione di traduzione nel caso in cui l’esecuzione venga terminata o un gruppo di istruzioni non facciano parte del flusso esecutivo corrente • Un compilatore ha il vantaggio di tradurre una sola volta l’intero programma e reiterare certe istruzioni (iterazioni) per il numero di volte richiesto dalla particolare esecuzione

49. Compilatori ed interpreti  3 • I linguaggi interpretati sono tipicamente più flessibili e semplici da utilizzare (nei linguaggi compilati esistono maggiori limitazioni alla semantica dei costrutti) • Per distribuire un programma interpretato si deve necessariamente distribuire il codice sorgente, rendendo possibili operazioni di plagio • Nei programmi interpretati, è facilitato il rilevamento di errori di runtime

50. Analisi Programmazione L’arte della programmazione  1 • La soluzione di un problema tramite un programma è un procedimento che non si esaurisce nello scrivere codice in un dato linguaggio di programmazione, ma comprende una fase di progetto, che precede, e di verifica, che segue, la scrittura del codice • Definizione del problema • Algoritmo per la soluzione del problema • Codifica • Debugging • Validazione • Documentazione • Manutenzione