PiLdP-Tema1

Report
Tema 1:
Introducció als llenguatges de
programació i als seus paradigmes
Seccions
• Llenguatge de Programació
• Història i Evolució
• Paradigmes i models de còmput subjacents
LLENGUATGE DE PROGRAMACIÓ
Llenguatge de Programació
• Un llenguatge de programació és una notació
per a escriure programes. (Sethi, 89)
• Un programa és una especificació d’un
còmput.
• Per còmput entenem allò que pot fer una
màquina de Turing.
Tesis de Church-Turing
• Church’s Thesis: “Every effectively calculable
function (effectively decidable predicate) is
general recursive”.
• Turing’s Thesis: “Every function which would
be naturally regarded as computable is
computable by a Turing machine”.
Formalismes de còmput
• Lògica de Predicats
• Gottlöb Frege (1848-1925)
• Base formal de la teoria de la
demostració i la demostració
automàtica de teoremes
• Programació lògica
– Un còmput és una deducció lògica
• Màquines de Turing
• Alan Turing (1912-1954)
• Programació imperativa
– Un còmput és l’evolució seqüencial
d’estats mitjançant assignacions
slide 6
Formalismes de còmput
• Lambda calculus
• Alonzo Church (1903-1995)
• Base formal per als llenguatges
funcionals, la semàntica, la teoria de
tipus, etc.
• Programació Funcional
– Un còmput és la reescriptura d’una
expressió fins a una forma normal. No hi
ha assignacions.
• Funcions recursives & automates
• Stephen Kleene (1909-1994)
• Expressions regulars, màquines
d’estats finits, PDAs
slide 7
Sobre la Tesis de Church-Turing
• Turing-completesa: tenir la mateixa capacitat
de còmput que les màquines de Turing.
Per exemple: Lambda-càlcul, funcions recursives,
lògica de predicats,…
• No serien Turing-complets: autòmates finits
(DFAs), gramàtiques incontextuals, etc.
• No es coneix cap sistema Turing-complet que
no sigui Turing-equivalent => reforça Tesis C-T
Llenguatge de Programació
• Notació formal per a especificar còmputs:
– Lèxic (paraules permeses…)
– Sintaxis (regles de formació de programes…)
– Semàntica (significat i efecte de les diferents
construccions…)
– Implementacions concretes…
• Normalment s’espera que el sistema notacional
sigui intel·ligible per l’humà i fàcilment traduïble
per a que la màquina l’“entengui”.
Perquè estudiar LP i Paradigmes?
• L’estructura d’un llenguatge de programació
acota el procés intel·lectual del programador
al programar.
• Aprendrem conceptes bàsics i de vegades
ignorats les llenguatges: pas per valor, pas per
paràmetre, tipus estàtics, funcions d’ordre
superior, etc.
• Farà més fàcil aprendre nous llenguatges
• Farà més fàcil dissenyar nous llenguatges
HISTÒRIA I EVOLUCIÓ
Primeres màquines amb “llenguatge”
• Teler de Jaquard, 1801.
• Permetia fer diferente
tipus de teles en funció
de les targetes
perforades que
contenien els patrons
desitjats.
Primeres màquines amb “llenguatge”
• Màquina analítica de
Charles Babbage per a
càlcul (1816+-)
• Motor a vapor, programes
amb targetes perforades, …
• No es va arribar a fabricar.
• Ada Lovelance, primera
programadora.
Primers “ordinadors”
• ENIAC: Electronic Numerical Integrator And
Computer. (1946 … 1955)
– Primer ordinador electronic de propòsit general.
– Dim: 2,4m x 0,9m x 30m, 167m^2, 27 Tonelades,
17468 vàlvules, 150kW, …
– Programar era complicat… per “passar al programa
dins d’ENIAC”, s’havia de tocar interruptors i cables…
– Encara no havia implementat la idea de tenir memoria
per al programa i memòria per a les dades
ENIAC:
•
•
•
•
Altres ordinadors cohetanis durant WWII:
Z3 (1941): targetes perforades
Colossus (1943): criptoanàlisis
…
Codis Màquina
• 40’s
• Els codis eren numèrics.
– Poc llegibles
– Poc modificables
– Programar era molt complicat
– Problemes inherents al hardware com falta
d’indexació, no existència d’aritmètica real, …
• Llenguatge de Programació?
Llenguatges ensambladors
• Principis dels 50: per no haver de
escriure/perforar directament codis binaris
com a operacions del càlcul de les màquines,
es va recorrer al mnemotècnics:
– Llenguatge ensamblador:
push ebp
mov ebp, esp
sub esp, 4
push edi
– Introduia gestio de macros i subrutines.
Primer llenguatge algorísmic
• PlanKalkul per Conrad Zuse (dissenyador de
Z3), 1948.
• No es va implementar…
• Permetia coherència de tipus int/bool,
estructures condicionals, iteracions,
assignacions, etc.
• Va dissenyar un programa per jugar a escacs.
FORTRAN (Formula Tranlator)
• 1954-57 per John Backus.
• Orientat al càlcul matemàtic.
• Característiques:
– Variables de fins a 6 caràcters
• Les que comencen per i, j, k, l, m o n eren enteres
• Les altres floats
–
–
–
–
–
Assignacions amb expressions aritm.
do … while
Subrutines i funcions
Formats d’entrada sortida
Independència de la màquina (idea de
compilar/interpretar)
Exemple de Fortran
Èxit de Fortran
• Dubtes d’eficiència degut al Alt nivell, cosa
que implicava traduir… però, molt bon
traductor.
• Facilitava l’aprenentatge (vs. Assemblador)
• IBM
• Eficiència al desenvolupar
• Moltes seqüeles i avui en dia encar utilitzat en
cert àmbits científics… (Fortran 2003, OO)
ALGOL (ALGOrithmic Language)
• 1958
• Desenvolupat per comitè per a ser standard
(acadèmic) per descriure càlculs en
publicacions.
– Inclure notació matemàtica llegigle
– Fàcil de traduir a codi màquina
• Descripció gramàtica amb BNF, facilitat
compiladors.
ALGOL (ALGOrithmic Language) (2)
• Aportacions:
– Variables amb nom qualsevol
– Estructurat. Blocks i visibilitat
– Arrays amb multiples dimensions
– Estructures de control riques:
• Seqüències, if-then-else, For-step-until-do, …
– Procediments recursius
– Modes al pas de parametres (e/s)
Exemple d’Algol
Èxit Algol?
• Tres anys després de Fortran.
• Era més ric i per tant més complicat
d’aprendre.
• Els compiladors de Fortran eren més senzills
de fer i més eficients.
• …
• D’altra banda: influència tota la programació
estructurada: Pascal, C, JAVA, …
Program
Stack
program P0;
var
R1, T1: real;
A1: array[0:5,0:20] of real;
procedure P1(
X: real;
Working space for Procedure P2
var
T: real;
Y: array[0:5,0:20] of real;)
Pointer to the elements of A2
Memory for the variable T2
procedure P2;
var
R2, T2: real;
A2: array[0:5,0:20] of real;
Activation
record for
P2
Memory for the variable R2
Working space for Procedure P1
begin
R2 := 5;
T2 := 25;
P1(R2, T2, A2);
end;(* P2 *)
Reference to procedure P2
/* calls P1 */
begin
P2;
end; (* P1 *)
/* calls P2 */
Pointer to variable T1
Memory for variable X
Working space for Procedure P0, the
main program
begin
P1(R1, T1, A1);
end;(* program *)
Indirect pointer to elements of A1
Activation
record for
P1
/* calls P1 */
Reference to procedure P1
Pointer to elements of A1
Memory for variable T1
Memory for variable R1
Activation
record for
P0
COBOL
(Common Business Oriented Language)
• 1957
• És bàsicament un llenguatge processador de
dades, orientat a negoci.
• Aportacions:
–
–
–
–
–
–
–
Dades i programes separats
Llenguatge proper al natural (ops. en anglès)
Fàcil implementació
Noms de dades 30 caràcters
Tipus registre
Autodocumentat
…
Exemple de COBOL
000100 ID DIVISION.
000200 PROGRAM-ID. ACCEPT1.
000300 DATA DIVISION.
000400 WORKING-STORAGE SECTION.
000500 01 WS-FIRST-NUMBER PIC 9(3).
000600 01 WS-SECOND-NUMBER PIC 9(3).
000700 01 WS-TOTAL
PIC ZZZ9.
000800*
000900 PROCEDURE DIVISION.
001000 0000-MAINLINE.
001100 DISPLAY 'ENTER A NUMBER: '.
001200 ACCEPT WS-FIRST-NUMBER.
001300*
001400 DISPLAY 'ANOTHER NUMBER: '.
001500 ACCEPT WS-SECOND-NUMBER.
001600*
001700 COMPUTE WS-TOTAL = WS-FIRST-NUMBER + WS-SECOND-NUMBER.
001800 DISPLAY 'THE TOTAL IS: ', WS-TOTAL.
001900 STOP RUN.
Èxit de COBOL
• Llenguatge simple
• Molt arrelat en l’entorn financer, e.g. Bancs i
Caixes.
• Entorns molt grans on els canvis són molt
costosos…. (ex. cas de l’any 2000)
• Avui en dia… OO
LISP (List Processing Language)
• 1959, MIT, McCarthy (T. Aw.)
• Basat en lambda-càlcul
• Aportacions
– Garbagge collector
– Tipatge dinàmic
– Identificació de manipulació entre codi i dades
– Pare de la programació funcional…
Frases sobre LISP
• “LISP being the most powerful and cleanest of
languages, that's the language that the GNU
project always prefer” -- Richard Stallman
• “Anyone could learn Lisp in one day, except
that if they already knew FORTRAN, it would
take three days” -- Marvin Minsky
Exemple LISP
(defun list-nth (N L)
"Return the N'th member of a list L."
(if (null L)
nil
(if (zerop N)
(first L)
(list-nth (1- N) (rest L))
)
)
)
PL/1
• 1964
• Desenvolupat per un comitee d’IBM
– Millorar el rendiment dels programadors de
propòsit general (vs. Fortran i Cobol)
– Eclèctic:
• Pas de paràmetres, estructurat, registres, processament
de llistes, excepcions, multi-tasca, punters, …
– Però: massa gran i complexe
Exemple de PL/1
BASIC
(Beginner’s All-purpose Symbolic
Instruction Code)
• 1966
• Característiques:
– Variables no es declaren. Els noms són lletres
simples. S’inicialitzen a 0.
– Fàcil de fer servir i aprendre.
– GOTO…
Exemple de BASIC
10 REM THIS IS A BASIC PROGRAM FOR FINDING THE MEAN
20 DIM A(99)
30 INPUT N
40 FOR I = 1 TO N
50 INPUT A(I)
60 LET S = S + A(I)
70 NEXT I
80 LET M = S/N
90 LET K = 0
100 FOR I = 1 TO N
110 IF A(I) < M THEN 130
120 LET K = K + 1
130 NEXT I
140 PRINT “MEAN IS”, M
150 PRINT “NUMBER GREATER THAN MEAN IS”, K
160 STOP
170 END
PASCAL
•
•
•
•
71, Wirth (T. Aw.)
Llenguatge educatiu.
El més usat dels 70.
Inclou “rut-time environment”: (Codi, dades
estàtiques, pila -> … <- Heap)
• Permet definir nous tipus a l’usuari.
• Continua amb C, ADA, Java, …
Frases de Wirth
• “Power of a language lies in its regularity and
not in its abundant of Features”
• “Character of a language is defined by what it
prevents more than by what it allows to be
expressed”
Exemple de Codi PASCAL
(*Pascal program for finding the mean*)
Program main (input, output);
type intlist = array [1 . . 99] of integer;
var
a : intlist;
i, n, number : integer;
sum, mean : real;
(*main program starts here *)
begin
number := 0;
sum := 0;
readln (n);
for I := 1 to n do
begin
readln(a[i]);
sum := sum + a[i]
end;
mean := sum/n;
for I := 1 to n do
if (a[i] > mean) then number := number + 1;
writeln (‘the number over mean is: ‘, number)
end.
C
•
•
•
•
•
•
72, Dennis Ritchie (T. Aw.)
Més baix nivell que PASCAL
Fortament lligat a Unix
Descomposició de mòduls i linkatge
Sistema de tipus més permissiu.
Clar condicionador de C++ i JAVA (sintaxi)
80s
• ADA: TAD, taskes, excepcions, paquets, …
• Smalltalk: OOP (Simula 67), entorn de
desenvolupament visual
• Funcionals: ML, Miranda, … Fortament tipats,
lazyness, …
primes = sieve [2..]
sieve (p:x) = p : sieve [n | n <- x; n mod p ~= 0]
• Prolog: Primer en programació lògica
• C++: C + classes, i herència múltiple,
Templates/genèrics, excepcions, … Té molt èxit.
90’s
• JAVA: interfaces explítics, herència simple,
garbagge collection (s’amaga la gestió de
memòria), …
– Èxit per la conexió amb l’explosió WWW
– Compile once, run everywhere
– Màquina virtual
– +lent que C++
– Sintaxi similar al C++ -> fàcil trànsit.
90’s
• Scripting: Perl, python, AWK,…
– senzills, dinàmics, estructures de tipus d’alt nivell,
no fortament tipats, etc.
• Haskell: fortament tipat, lazy, pur, …
• Constraint Programming: SICSTUS Prolog, …
2000’s
• SCALA
– Web, Concurrencia, Funcional (alt nivell i
modularitat) + JAVA
• MiniZinc
– Constraint programming declaratiu
– Model once solve everywhere
Què volem d’un bon llenguatge?
• Claritat, simplictat i unicitat
– Pocs conceptes fàcils de combinar (integritat)
– Llegibilitat
• Suport a l’abstracció
– Tipus
– Funcions
•
•
•
•
•
•
Facilitat de raonar-ne la correctesa i de testejar
Eficiència
Portabilitat
Entorna de desenvolupament
Documentació
…
Biblio
• Capítol: 1,2: “Concepts in programming
languages”
• Capítol 1,2: “Lenguajes de programación:
principios y prácticas”
• Wikipedia (fotos i demés…)

similar documents