6. Γλώσσες Προγραμματισμού

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Γλώσσες
Προγραμματισμού
● 6.1 Ιστορική εξέλιξη
● 6.2 Παραδοσιακές έννοιες προγραμματισμού
● 6.3 Διαδικασιακές μονάδες
● 6.4 Υλοποίηση γλώσσας
● 6.5 Αντικειμενοστρεφής προγραμματισμός
● 6.6 Προγραμματισμός ταυτόχρονων
δραστηριοτήτων
● 6.7 Δηλωτικός προγραμματισμός
Οι διαφάνειες βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε αυτές
που συνοδεύονται με το προτεινόμενο σύγγραμμα,
καθώς και στις διαφάνειες προηγούμενων ετών του
κ. Κουρκουμπέτη.
1
Γλώσσες προγραμματισμού
Γλώσσα Προγραμματισμού: Εργαλείο για αναπαράσταση των αλγορίθμων
• είναι προσιτό στους ανθρώπους
• εύκολα μετατρέπεται σε γλώσσα μηχανής που είναι κατανοητή από τον Η/Υ
2
Πρώτη Γενιά: Γλώσσα Μηχανής
• Γλώσσα μηχανής: οι εντολές αναπαριστώνται με το δυαδικό
σύστημα
• Κάθε εντολή αναπαρίσταται ως μια ακολουθία από δυαδικά
ψηφία
• Το πρόγραμμα ήταν μια σειρά από τέτοιες εντολές, π.χ.
• Εξαιρετικά δύσκολο το γράψιμο και η κατανόηση προγραμμάτων
• Συχνά σφάλματα
• Δύσκολη αποσφαλμάτωση (debugging)
3
Δεύτερη γενιά: γλώσσα assembly
● Ένα μνημονικό σύστημα για την αναπαράσταση προγραμμάτων
– Χρήση μνημονικών (mnemonic) ονομάτων για την αναπαράσταση
εντολών.
– Ονόματα για όλους τους καταχωρητές.
– Τα αναγνωριστικά (identifiers) είναι περιγραφικά ονόματα για τις θέσεις
μνήμης, τα οποία επιλέγονται από τον προγραμματιστή.
● Υπάρχει ακριβής 1-1 αντιστοιχία μεταξύ των εντολών της
μηχανής και των εντολών assembly.
● Η μετάφραση από γλώσσα assembly σε γλώσσα μηχανής
γίνεται από ένα πρόγραμμα που ονομάζεται “assembler”
4
Παράδειγμα γλώσσας assembly
Γλώσσα μηχανής
156C
166D
5056
30CE
C000
Γλώσσα assembly
LD R5, Price
LD R6, ShippingCharge
ADDI R0, R5 R6
ST R0, TotalCost
HLT
5
Μειονεκτήματα της Assembly
• O προγραμματιστής πρέπει να σκέφτεται πάλι σε γλώσσα
μηχανής (απλά αλλάζει η αναπαράσταση και η σύνταξη των
εντολών)
• Η assembly είναι εγγενώς εξαρτημένη από τη μηχανή (οι
εντολές ενός προγράμματος σε assembly εκφράζονται με
ιδιότητες εγγενείς στην τεχνολογία της συγκεκριμένης μηχανής
• Δύσκολη έως αδύνατη φορητότητα (portability) (μεταφορά του
ίδιου προγράμματος ώστε να είναι σωστό σε μια άλλη μηχανή)
• Τα αρχέτυπα (εντολές) είναι χαμηλού επιπέδου (πολύ κοντά
στο hardware)
• Δεν διευκολύνει στον γενικό σχεδιασμό ενός προγράμματος
(γιατί αποτελείται από μικροεντολές που συνδέονται με πολύ
μικρές λειτουργίες του Η/Υ)
6
Τρίτη γενιά γλωσσών
● Βασίζεται σε (σχετικά μικρό αριθμό από αρχέτυπα (primitives)
υψηλού επιπέδου, π.χ.
● Ανεξάρτητες από τη μηχανή (τις περισσότερες φορές)
● Παραδείγματα: FORTRAN, COBOL
● Κάθε αρχέτυπο ανταποκρίνεται σε μία μικρή ακολουθία εντολών
γλώσσας μηχανής.
● Μεταφράζεται σε γλώσσα μηχανής από ένα πρόγραμμα που
λέγεται compiler (μεταγλωττιστής)
● Εναλλακτικά αντί για compiler υπάρχει ο ερμηνευτής
(interpreter)
● Εκτελεί τις εντολές καθώς τις μεταφράζει, ενώ ο compiler πρώτα
μεταφράζει όλες τις εντολές του προγράμματος σε γλώσσα μηχανής και
μετά τις εκτελεί
7
Η εξέλιξη των προγραμματιστικών μοντέλων
8
Προγραμματιστικά μοντέλα
• Διαφορετικές φιλοσοφίες στον προγραμματισμό
• Προστακτικό (imperative) ή διαδικαστικό (procedural) μοντέλο: η
διαδικασία προγραμματισμού είναι μια ακολουθία από εντολές ,
που όταν εκτελεστούν, επενεργούν στα δεδομένα και παράγουν
το επιθυμητό αποτέλεσμα
– Υπονοεί ότι πρέπει να βρεθεί ο αλγόριθμος για την επίλυση του
προβλήματος και έπειτα ο αλγόριθμος να αναπαρασταθεί σαν μια
ακολουθία από εντολές
– Το πιο παραδοσιακό από τα μοντέλα
– Παραδείγματα:
– FORTRAN (για αριθμητικούς υπολογισμούς)
– COBOL (για επιχειρησιακές εφαρμογές ),
– BASIC, C, Pascal (γενικής χρήσης)
– Ada (η επίσημη γλώσσα ανάπτυξης στρατιωτικών εφαρμογών από το Υπ.
Άμυνας των ΗΠΑ, επίσης για εναέριες εφαρμογές)
9
Προγραμματιστικά μοντέλα (2)
• Δηλωτικό (declarative) μοντέλο: ο προγραμματιστής πρέπει να
περιγράψει το πρόβλημα προς επίλυση, και όχι τον αλγόριθμο
Εφαρμόζει ένα γενικό αλγόριθμο επίλυσης προβλημάτων
Ο προγραμματιστής πρέπει να περιγράψει κατάλληλα το πρόβλημα
Παραδείγματα:
Χρήση για προσομοίωση συστημάτων (οικονομία, πολιτική, μετεωρολογία,
περιβάλλον) για π.χ. πρόγνωση
– Ο προγραμματιστής περιγράφει τι θέλει να προσομοιωθεί, ο αλγόριθμος
πρόγνωσης υπάρχει στην γλώσσα
– Παραδείγματα: Prolog: στον τομές της τεχνητής νοημοσύνης
– Ο τομέας μαθηματικών της επίσημης λογικής (formal logic) έδωσε ώθηση
σε αυτές τις γλώσσες
–
–
–
–
10
Προγραμματιστικά μοντέλα (3)
• Συναρτησιακό (functional) μοντέλο: Το πρόγραμμα είναι μια
οντότητα που δέχεται εισόδους και βγάζει εξόδους (όπως η
συνάρτηση)
– Πρόγραμμα = συνάρτηση που μετασχηματίζει εισόδους σε εξόδους
– Το πρόγραμμα κατασκευάζεται συνδέοντας τις μικρότερες ενότητες
(συναρτήσεις)
– Προγραμματισμός: σύνθεση αυτής της συνάρτησης από απλούστερες
– Έξοδοι από μια συνάρτηση χρησιμοποιούνται ως είσοδοι σε άλλη ή άλλες
συναρτήσεις
– Ο προγραμματισμός σε αυτές τις γλώσσες έγκειται στο χτίσιμο μεγάλων
συναρτήσεων από μικρότερες
– Παραδείγματα: LISP
– Συμβολισμός για την f(x,y,z): (f x y z)
– Μεγάλο πλεονέκτημα σε σχέση με τις προστακτικές γλώσσες
προγραμματισμού: δεν χρειάζονται πολλές μεταβλητές και συνεπώς
καταναλώνεται πολύ λιγότερος χώρος στη μνήμη για το πρόγραμμα
11
Παράδειγμα Συναρτησιακού Μοντέλου Γλώσσας
Προγραμματισμού
Σε μια imperative γλώσσα
προγραμματισμού
θα ήταν
(Find_diff (Find_sum Old_balance Credits) (Find_sum Debits))
12
Προγραμματιστικά μοντέλα (4)
• Αντικειμενο-στραφές (object-oriented) μοντέλο / Object-oriented
Programming
– Κατά βάση προστακτικό μοντέλο
– Μονάδες δεδομένων = ενεργά αντικείμενα
– Κάθε αντικείμενο μπορεί να επενεργεί στον εαυτό του ή σε άλλα
αντικείμενα
– Παράδειγμα 1: Graphical User Interface
• Κάθε εικονίδιο είναι ένα αντικείμενο
• Κάθε αντικείμενο περιλαμβάνει διαδικασίες (μεθόδους, methods) που
ορίζουν πως αποκρίνεται σε διάφορα γεγονότα
– Παράδειγμα 2: λίστα ονομάτων
• Παραδοσιακός προγραμματισμός: λίστα = σύνολο δεδομένων,
προγραμματιστής υπεύθυνος να κατασκευάσει αλγόριθμο
προσπέλασης
• OOP: λίστα = αντικείμενο = δεδομένα + διαδικασίες χειρισμού
(εισαγωγή ή αφαίρεση στοιχείου στη λίστα, ταξινόμηση, αναζήτηση)
13
Αντικειμενο-στραφές μοντέλο
• Κλάση (class) αντικειμένων: το σύνολο ιδιοτήτων που
χαρακτηρίζουν ίδια αντικείμενα (που ανήκουν στην ίδια κλάση)
• Ορίζεται μια κλάση αντικειμένων π.χ. Εικονίδιο, δορυφόρος,
σταθμός βάσης
– Έπειτα ορίζονται αντικείμενα π.χ. icon1, icon2 σαν εκδοχές (instances) της
κλάσης
• Το μοντέλο OOP είναι μοντέλο δομημένου προγραμματισμού
όπου ο προγραμματισμός γίνεται σε χτίζοντας το πρόγραμμα με
μπλοκ
• Παραδείγματα: C++, Visual Basic, Java, C#
14
Σεναριακές Γλώσσες προγραμματισμού
• Σεναριακές Γλώσσες προγραμματισμού (scripting
languages): χρησιμοποιούνται για να κάνουν μικρές
διαχειριστικές εργασίες στον υπολογιστή
• Σενάριο (script): κομμάτι κώδικα που υλοποιεί την
συγκεκριμένη εργασία
• Π.χ. Ο διαχειριστής ενός συστήματος γράφει ένα
πρόγραμμα για να καταγράψει τις εργασίες που
χρειάζεται να γίνουν για αρχειοποίηση
• Ή ένα script για ανάγνωση και δεικτειοδότηση
(indexing) εικόνων από μια φωτογραφική μηχανή
• Γλώσσες: Perl, PHP
15
Η σύνθεση ενός τυπικού προστακτικού
προγράμματος
(Declarative statements)
(imperative statements)
Υπάρχουν και σχόλια (comments) που βελτιώνουν την αναγνωσιμότητα
16
Τύποι και Δηλώσεις μεταβλητών σε C, C++,
C# και Java
• Μεταβλητή (variable): όνομα που υποδηλώνει μια θέση μνήμης
– Αν αλλάξει η τιμή που είναι αποθηκευμένη σε αυτή τη θέση μνήμης, αλλάζει
και η τιμή που σχετίζεται με την μεταβλητή
• Τύποι (types) Δεδομένων
–
–
–
–
Ακέραιος (integer): Ακέραιος αριθμός
Πραγματικός (real): Αριθμοί με δεκαδικά ψηφία
Χαρακτήρες (character): Σύμβολα
Boolean: Αληθές/ψευδές
• Δηλώσεις Μεταβλητών
• float Length, Width;
• int Price, Tax, Total;
• char Symbol
17
Δομές δεδομένων (Data structures)
• Μεταβλητές συσχετίζονται και με δομές δεδομένων
• Δομές δεδομένων: Νοητικά σχήματα για τη διάταξη δεδομένων
• Αλγόριθμοι προτιμούν τα δεδομένα να είναι δομημένα (για
μεγαλύτερη αποδοτικότητα)
– Πίνακες (arrays)
– Λίστες (lists)
– Δένδρα (trees)
• Πως τα υλοποιούμε στη μνήμη;
18
Πίνακες
Δομή δεδομένων:
α11 α12 α13
γραμμή 1
α21 α22 α23
γραμμή 2
γραμμή 3
Μνήμη:
αρχή του πίνακα
...
γραμμή 1
γραμμή 2
γραμμή 3
...
19
Παράδειγμα: Ένας δισδιάστατος πίνακας 2 γραμμών
και 9 στηλών
int Scores[2][9] στην C
INTEGER Scores(2,9) στην Fortran
Πάνω αριστερά στοιχείο του πίνακα: Scores[0][0] στην C, Scores(1,1) στην FORTRAN
20
Λίστες
Λίστα: ακολουθία από records (int ή πιο σύνθετα records, βλ. Παρακάτω)
Λίστα: 10, 12, 6, 7
πρόσθεση μέλους: 10, 12, 2, 6, 7
pointer (δείκτης)
...
27
30
34
36
...
10 30
12 34
6 36 7 nil
27
27
30
34
10 30
12 40
6 36 7 nil
36
...
40
2 34
21
Δένδρα
T
Δομή δεδομένων:
A
Α
C
B
Β
nil
D
nil
E
C
Υλοποίηση στη μνήμη:
D
nil nil
E
nil
nil
22
Ετερογενής πίνακας (structure)
Eτερογενής πίνακας
ή Δομή (structure)
ή record:
Μπλοκ δεδομένων
με στοιχεία (πεδία)
Ενδεχομένως
διαφορετικού
τύπου
Employee.Name
Employee.Age
Employee.SkillRating
23
Παράδειγμα Ετερογενούς πίνακα δεδομένων
24
Σταθερές (constants) και δηλώσεις ανάθεσης
• Καλύτερα να δηλώνονται στην αρχή του προγράμματος
•
– Αν χρειαστεί να αλλαχθούν, θα αλλαχθούν μόνο εκεί
• Δηλώσεις ανάθεσης (assignment statements)
– Μπορεί να διαφέρουν σε διαφορετικές γλώσσες, π.χ.
• Αριθμητικές πράξεις
Τηρείται η προτεραιότητα τελεστών (operator precedence)
2*4 + 6 / 2 = 11
Ο ίδιος τελεστής μπορεί να έχει διαφορετικές λειτουργίες π.χ.
“+” κάνει πρόσθεση (αν έχει ως τελεστέους αριθμούς) ή συνένωση
(concatenation) από strings (αν έχει ως τελεστέους strings)
– Υπερφόρτωση τελεστή (operator overloading)
–
–
–
–
25
Δομές ελέγχου και οι
αναπαραστάσεις τους
στις γλώσσες C, C++,
C#, και Java
Η δομή βρόχου for και η αναπαράσταση της
στις γλώσσες C++, C# και Java
27
Διαδικασίες (procedures)
Διαδικασία (procedure): μια σειρά από εντολές που υλοποιούν μια εργασία
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αυτούσια προγραμματιστική μονάδα
28
Διαδικασίες (2)
• Έχει τη δομή ενός συνήθους προγράμματος (κεφαλίδα, δήλωση
μεταβλήτών, σειρά εντολών)
• Μεταβλητές:
• Τοπικές (local), χρησιμοποιούνται και αλλάζουν μόνο εντός της
διαδικασίας
• Ολικές (global), χρησιμοποιούνται και αλλάζουν μέσα σε όλο το
πρόγραμμα
• Εύρος ή εμβέλεια (scope) μιας μεταβλητής: το μέρος του
προγράμματος που μπορεί μια μεταβλητή να χρησιμοποιηθεί
• Κλήση: απλά με το όνομα
29
Παράδειγμα Διαδικασίας
Παράμετροι (parameters): ορίσματα
Τυπικές (formal) παράμετροι: οι παράμετροι που χρησιμοποιούνται εντός της διαδικασίας
Πραγματικές (actual) παράμετροι: οι τιμές που ανατίθενται στις τυπικές παραμέτρους
όταν καλείται η διαδικασία από το κυρίως πρόγραμμα
30
Πέρασμα παραμέτρων
• Περιγραφή διαδικασίας:
• Κλήση διαδικασίας με κατάλληλες παραμέτρους:
• Πέρασμα παραμέτρων κατά τιμή ή αξία (Passed by value)
– Ένα αντίγραφο των δεδομένων που παριστάνεται με τις πραγματικές
παραμέτρους δίνεται στην διαδικασία
– Αλλαγή των δεδομένων από την διαδικασία αλλάζει μόνο τα δεδομένα στο
αντίγραφο, και όχι αυτά στο κυρίως (καλόν) πρόγραμμα
• Πέρασμα παραμέτρων κατ’ αναφορά (passed by reference)
– Δίνεται στην διαδικασία απευθείας πρόσβαση στις τιμές των πραγματικών
παραμέτρων, δηλ. δίνονται στην διαδικασία οι διευθύνσεις των πραγματικών
παραμέτρων
– Αλλαγή των δεδομένων από την διαδίκασία αλλάζει τα δεδομένα στο κυρίως
πρόγραμμα
– Η μέθοδος χρησιμοποιείται αν ο σκοπός της διαδικασίας είναι η αλλαγή των
δεδομένων (π.χ. ταξινόμηση μιας λίστας)
31
Παράδειγμα: Πέρασμα παραμέτρων κατά αξία
Actual = 5
Κλήση διαδικασίας:
32
Παράδειγμα: Πέρασμα παραμέτρων κατ’ αναφορά
Actual = 5
Κλήση διαδικασίας:
33
Παράδειγμα Συνάρτησης
Διαφορά από την Διαδικασία: Η συνάρτηση (function) πάντα επιστρέφει μια τιμή
34
Υλοποίηση γλώσσας: Μετάφραση
• Πρόγραμμα-πηγή (source program): το πρόγραμμα στην αρχική
του μορφή
• Μετάφραση: μετατροπή προγράμματος από τη μια γλώσσα
στην άλλη
• Πρόγραμμα-αντικείμενο (object-program): το αποτέλεσμα της
μετάφρασης
• Χρειαζόμαστε μετάφραση για
– εντολές σε γλώσσα υψηλού επιπέδου
– δομές δεδομένων (υψηλού επιπέδου)
i:=0;
while i<N do
{A[i]:=B[i]; i:=i+1}
– δύο στρατηγικές:
• διερμηνεία (interpretation)
• μεταγλωττισμός (compilation)
35
Διερμηνεία
• Διερμηνευτής (interpreter): Μεταφράζει και εκτελεί
το πρόγραμμα υψηλού επιπέδου εντολή προς εντολή
ξεκίνα από την αρχή του προγράμματος υψηλού επιπέδου
Repeat
μετάφρασε την επόμενη εντολή υψηλού επιπέδου
εκτέλεσε την μετάφραση της εντολής με τα αντίστοιχα δεδομένα
until τέλος προγράμματος
36
Μεταγλωττισμός
• Μεταγλωττιστής (Compiler): μεταφράζει μία φορά το
πρόγραμμα υψηλού επιπέδου (source program) σε
πρόγραμμα γλώσσας μηχανής / πρόγραμμα-αντικείμενο
(object program)
ξεκίνα από την αρχή του προγράμματος υψηλού επιπέδου
Repeat
μετάφρασε την επόμενη εντολή υψηλού επιπέδου
until τέλος προγράμματος
κάνε τις τελικές αλλαγές στον μεταφρασμένο κώδικα
ώστε να είναι έτοιμος για εκτέλεση
37
Μεταγλωττισμός vs. Διερμηνεία
• Interpreters
– ταχύτητα όχι σημαντική
– λίγη μνήμη
– ανακάλυψη λαθών (debugging)
• Compilers
– ταχύτητα σημαντική
38
Η διαδικασία της μεταγλώττισης
Λεκτικός
Αναλυτής
Συντακτικός
Αναλυτής
Γεννήτρια
κώδικα
Πρόγραμμα
αντικείμενο
Πηγαίο
Πρόγραμμα
39
Μεταγλώττιση
• Λεκτικός αναλυτής (lexical analyzer): διαβάζει το πρόγραμμα
χαρακτήρα προς χαρακτήρα, αναγνωρίζει συμβολικές οντότητες
– Συμβολική οντότητα (token)
– Ταξινόμηση tokens σε κατηγορίες (τελεστές, σύμβολα, αριθμητικές τιμές,
κλπ)
• Συντακτικός αναλυτής (parser): συντάσσει τα tokens σε
προτάσεις και statements
– Αναγνώριση της γραμματικής δομής του προγράμματος
– Αναγνώριση του ρόλου κάθε token
– Παράδειγμα σύνταξης στα αγγλικά:
• Δεσμευμένες λέξεις (reserved words)
• Ο parser χρησιμοποιεί την Γραμματική (grammar) της γλώσσας
– Γραμματική: σύνολο από συντακτικούς κανόνες
40
Περιγραφή σύνταξης
Α. Διαγράμματα σύνταξης
if
Λογική
Παράσταση
then
Εντολή
else
Εντολή
Β.Κανόνες BNF
ifstmt -> if log_exp then stmt | if log_exp then stmt else stmt
If x<1 then y=2 else z=1
41
Παράδειγμα γραμματικής
Ο Γιάννης είναι καλός μαθητής και έχει κακό χαρακτήρα
Γραμματική (σύνταξη):
προτ -> απλή_προτ | σύνθ_προτ
απλή_προτ -> υποκ ρήμα επίθ αντικ | υποκ ρήμα αντικ
σύνθ_προτ -> απλή_προτ και απλή_προτ
| απλή_προτ και σύνθ_προτ
Βασικοί τύποι λέξεων (τερματικά σύμβολα):
{υποκ, ρήμα, επίθ, αντικ, και}
Λεξικογραφική περιγραφή: υποκ -> Γιάννης, Κώστας, άνδρας
ρήμα -> έχει, κάνει,...
42
Ορισμός σύνταξης BNF
• Γραμματικές: BNF σύνταξη (Backus-Naur Form)
– κανόνες παραγωγής, τερματικά, μη-τερματικά σύμβολα
– τερματικά σύμβολα (terminals, tokens): στοιχειώδη σύμβολα,
δεν αναλύονται περισσότερο (“τύποι” λέξεων...)
– μη-τερματικά σύμβολα (non-terminals): συντακτικές
κατηγορίες (προτάσεις, υπο-προτάσεις,...), δηλ. αυτά που
μπορούν να αναλυθούν περαιτέρω με άλλα διαγράμματα
– δυνατότητα αναδρομικών ορισμών
– Γλώσσα: σύνολο σωστών ακολουθιών τερματικών συμβόλων
43
Διαγράμματα σύνταξης για τη δομή μίας απλής
αλγεβρικής παράστασης x+y*z
E -> T+E | T-E | T
T -> F*T | F/T | F
F -> x | y | z
44
Το δέντρο συντακτικής ανάλυσης για τη συμβολοσειρά
x+y*z
E -> T+E | T-E | T
T -> F*T | F/T | F
F -> x | y | z
45
Παράδειγμα γλώσσας
Γλώσσα = απλές αριθμητικές εκφράσεις με 0,...,9 και +,-,*,/
E -> E + E | E – E | E * E | E / E | -E
E -> 0|1|2|3|4|5|6|7|8|9
E
9-2*5 είναι σωστή πρόταση;
6+*4 είναι σωστή πρόταση;
Σημασία πρότασης;
E
9
-
E
E
2
E
*
5
συντακτικό δέντρο
Σωστή πρόταση: υπάρχει προτασιακό δέντρο που να την δικαιολογεί
46
Συντακτικός αναλυτής
• Ο συντακτικός αναλυτής κατασκευάζει ένα συντακτικό δέντρο
(parse tree) για το πηγαίο πρόγραμμα
– Το δέντρο παριστάνει την ερμηνεία του αναλυτή για την γραμματική
σύνθεση του προγράμματος
– Γι’αυτό πρέπει οι συντακτικοί κανόνες μιας γλώσσας να είναι
μονοσήμαντοι, δηλ. μια σειρά από εντολές να μην οδηγεί σε 2 ή
περισσότερα δυνατά συντακτικά δέντρα
• Ο συντακτικός αναλυτής διαχωρίζει τις δηλωτικές από τις
προστακτικές εντολές
– Κατασκευάζει τον πίνακα συμβόλων (symbol table) με μεταβλητές,
σταθερές, τύπους δεδομένων
– Χρησιμοποιεί τους τύπους δεδομένων για να ερμηνεύσει μια εντολή
π.χ. z  x + y, δηλ. τι τύπος είναι το x και το y (int, float, char)
– Ακολούθως, δίνει ανάλογο σήμα στην γεννήτρια κώδικα για να
κατασκευάσει την κατάλληλη εντολή (ή ακολουθία εντολών) σε
γλώσσα μηχανής
47
Ασάφεια στην Γραμματική
E -> E + E | E – E | E * E | E / E | -E
E -> 0|1|2|3|4|5|6|7|8|9
E
E
τι σημαίνει 9-2*5 ;
E
-
E
E
9
2
2 συντακτικά δέντρα!
ποιο από τα δύο εννοούμε;
E
E
*
E
5
9
*
E
-
E
5
2
48
Παράδειγμα ασαφούς γραμματικής
• Θεωρείστε την εντολή:
• Μπορεί να ερμηνευτεί και με
τα δυο δέντρα
– Ασάφεια (ambiguity)
– Σε ποιο if αναφέρεται το else;
– Στον ψευδοκώδικα
αποφεύγουμε το μπέρδεμα ως
εξής:
49
Παράδειγμα
statement
Συντακτική ανάλυση
conditional
συντακτικό
δένδρο
condition
statement
assignment
expression
operator
relation
if
b if b
id
neq
x b b !=b
Λεκτική ανάλυση
num then set id
1
to id
then b set b y b to b x
+
id
+
y
50
Οι φάσεις της μεταγλώττισης
πηγαίο πρόγραμμα
σε γλώσσα υψηλού
επιπέδου
αφαιρεί άχρηστη
πληροφορία
Λεκτική
ανάλυση
Συντακτική
ανάλυση
L
Γεννήτρια
κώδικα
G
συντακτικό δένδρο
... bif bbx17=bmaxb-3 ...
blank space
41
12
πίνακας αριθμ. σταθερών
τιμή θέση
3
100
4001 101
if
nil
eq
19
-
πίνακας συμβόλων
όνομα
id
3
12
13
αντικείμενο πρόγραμμα
σε γλώσσα μηχανής
nil
id
nil
τύπος
θέση στη μνήμη
x17
integer
1445
y
integer
1446
max
integer
1447
num
51
Συντακτική ανάλυση
abcdbwbwbw
Συντακτική
ανάλυση
Λεκτική
ανάλυση
tokens
Γεννήτρια
κώδικα
Γραμματική
G
Κατασκευή συντακτικού δένδρου (parse tree)
• bottom – up
αρχικό σύμβολο
• top - down
κανόνας της
γραμματικής
Πίνακας συμβόλων
τερματικά
(tokens)
52
Γεννήτρια κώδικα
• Κατασκευάζει τις εντολές σε γλώσσα μηχανής που υλοποιούν
τις εντολές που αναγνωρίζονται από τον συντακτικό αναλυτή
• Βελτιστοποίηση κώδικα (code optimization)
– Π.χ. Ελαχιστοποίηση του αριθμού των εντολών σε γλώσσα
μηχανής που υλοποιούν μια σειρά εντολών
– Στο παραπάνω, μετά την 1η εντολή και πριν την 2η,
αναγνωρίζει η γεννήτρια κώδικα ότι οι x, z υπάρχουν ήδη σε
καταχωρητές
53
Γεννήτρια κώδικα (2)
statement
conditional
statement
assignment
condition
expression
operator
relation
if
id
neq
num then set id
y
x
integer 1456
1
100
to id
+
id
1000
1001
1002
1002
1003
1004
1005
1006
1007
load R0 1456
load R1 100
subtract R0 R0 R1
jumpzero 1007
load R1 1456
load R2 1457
add R1 R1 R2
store R1 1457
......
integer 1457 module generate-expression(T)
A1:= & of left child
generate “load R1 A1”
A2:= & of right child
generate “load R2 A2”
if op = + then generate “add R1 R1 R2”
else generate “subtract R1 R1 R2”
54
Διαδικασία Μετάφρασης
Διαρκής αλληλεπίδραση και ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ των διαφόρων σταδίων
Κάθε στάδιο μπορεί να θεωρηθεί ως αντικείμενο (object)
Αντικειμενοστραφής προσέγγιση
55
Ολόκληρη η διαδικασία προετοιμασίας ενός
προγράμματος για εκτέλεση
Πηγαίο
Μετάφραση
Πρόγραμμα
Σύνδεση
Πρόγραμμα
Υπομονάδα
αντικείμενο
φόρτωσης
Φόρτωση Εκτελέσιμο
Πρόγραμμα
56
Αντικειμενοστραφής προγραμματισμός
● Αντικείμενο (object): μία αυτόνομη προγραμματιστική μονάδα που
περιέχει τόσο δεδομένα όσο και διαδικασίες
● Στις γλώσσες αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού (C++, Java) το σημαντικό
είναι η σωστή περιγραφή των αντικειμένων
● Κλάση (class): ένα πρότυπο για όλα τα αντικείμενα του ίδιου τύπου
● Ένα αντικείμενο ονομάζεται στιγμιότυπο (instance) της κλάσης.
● Ορισμός αντικειμένων στην C++:
Java:
57
Στοιχεία ενός αντικειμένου
● Μεταβλητή στιγμιότυπου (instance variable) είναι μία μεταβλητή που
βρίσκεται στο εσωτερικό ενός αντικειμένου.
● Π.χ. RemainingPower
● Μέθοδος (method) είναι μία διαδικασία στο εσωτερικό ενός αντικειμένου.
– Μπορεί να χειριστεί τις μεταβλητές στιγμιότυπου ενός αντικειμένου.
– Π.χ. turnRight(), turnLeft(), fire()
58
Μέθοδος Κατασκευής
• Μέθοδος κατασκευής (constructor): μία ειδική μέθοδος που
εκτελείται αυτόματα κατά τη δημιουργία ενός αντικειμένου από
την κλάση.
– Ίδιο όνομα με το αντικείμενο
– Βοηθά στην διαφορετική αρχικοποίηση ή ανάθεση διαφορετικών
παραμέτρων σε αντικείμενα
της ίδιας κλάσης
59
Πρόσθετες ιδέες
● Η κληρονομικότητα (inheritance) επιτρέπει σε μία κλάση να
περιλαμβάνει ιδιότητες κάποιας προηγούμενης κλάσης
● Ο πολυμορφισμός (polymorphism) επιτρέπει σε μία μέθοδο
που κάνει κλήση να ερμηνευτεί κατά περίπτωση από το
αντικείμενο που λαμβάνει την κλήση.
● Π.χ. Η μέθοδος σχεδιασμού ενός σχήματος ερμηνεύεται ανάλογα με το
σχήμα
● Αντίστοιχο σαν ιδέα με την υπερφόρτωση τελεστών
60
Ενθυλάκωση
● Ενθυλάκωση (encapsulation) είναι ένας τρόπος περιορισμού της πρόσβασης
στις εσωτερικές ιδιότητες ενός αντικειμένου.
● Μόνο το ίδιο το αντικείμενο μπορεί να έχει πρόσβαση και να αλλάξει τις
ιδιότητες.
● Μπορεί να είναι:
● Ιδιωτική
● Δημόσια.
61
Προγραμματισμός Ταυτόχρονων
Δραστηριοτήτων
• Παράλληλη (ή ταυτόχρονη) επεξεργασία (concurrent
processing) ταυτόχρονη εκτέλεση πολλών διεργασιών
– Η πραγματική ταυτόχρονη επεξεργασία απαιτεί την ύπαρξη πολλών CPU
– Μπορεί να προσομοιωθεί μέσω χρονομερισμού (time-sharing) στην
περίπτωση μίας μόνο CPU
• Java: πολλαπλά νήματα (threads)
• Ada: Πολλές εργασίες (tasks)
• Ζητήματα:
– Δημιουργία threads
– Σταμάτημα και επανεκκίνηση threads
– Επικοινωνία μεταξύ 2 ή περισσότερων threads (π.χ. Ένα thread χρειάζεται
να ξεκινήσει όταν ένα άλλο thread έχει φτάσει σε ένα συγκεκριμένο
σημείο)
62
Παραγωγή νημάτων
63
Διάδραση μεταξύ διεργασιών
● Αμοιβαίος αποκλεισμός (mutual exclusion) είναι μία μέθοδος
που εξασφαλίζει ότι τα δεδομένα μπορούν να προσπελαστούν
από μία μόνο διεργασία τη φορά.
● Aναγνώριση κρίσιμων περιοχών (critical regions): περιοχές του
προγράμματος που δεν μπορούν να χρησιμοποιούνται από 2 ή
περισσότερα threads ταυτόχρονα
● Αυτοελεγχόμενο (monitoring) λέγεται ένα στοιχείο δεδομένων
με τη δυνατότητα να ελέγχει την πρόσβαση στον εαυτό του
● Ο έλεγχος υπάρχει μόνο σε ένα σημείο του προγράμματος
● Αντί τα νήματα να προσέχουν να μην παίρνουν πρόσβαση σε ένα στοιχεία
δεδομένων (ο έλεγχος είναι μοιρασμένος σε διαφορετικά σημεία του
προγράμματος)
64
Δηλωτικός προγραμματισμός (Declarative
Programming)
● Επίλυση (resolution) λέγεται ο συνδυασμός δύο ή
περισσοτέρων προτάσεων για την παραγωγή μίας νέας
λογικά ισοδύναμης πρότασης.
– Παράδειγμα: (P OR Q) AND (R OR ¬Q)
δίνει ως αποτέλεσμα (είναι ισοδύναμη με την) (P OR R)
– Σημαίνει ότι αν η αρχική πρόταση είναι αληθής, και το
αποτέλεσμα (η ισοδύναμη πρόταση) είναι αληθής
– Αν Q αληθής, τότε R πρέπει να είναι αληθής. Αν Q ψευδής,
τότε η P πρέπει να είναι αληθής. Άρα P OR R είναι αληθής,
ανεξάρτητα του τι είναι το Q
– Επιλυθέν (resolvent) ονομάζεται η νέα πρόταση που
σχηματίζεται από την επίλυση.
– Μορφή όρων (clause form) έχουμε σε μία πρόταση των
οποίων τα θεμελιώδη στοιχεία συνδέονται με τη λογική πράξη
ΟR.
● Ενοποίηση (unification) είναι η διαδικασία ανάθεσης
τιμών σε μεταβλητές μέσα σε μία πρόταση.
65
Παράδειγμα: Επίλυση των προτάσεων (P OR Q) και (R
OR ¬Q) ώστε να παραχθεί η (P OR R)
Α
Β
Αν Συνθήκη Α αληθής
Και συνθήκη Β αληθής
Τότε και Συνθήκη Γ αληθής
Γ
66
Παράδειγμα 2: Επίλυση των προτάσεων (P OR Q),
(R OR ¬Q), ¬R, και ¬P
Ένα σύνολο από προτάσεις λέγεται
ασυνεπές (inconsistent) αν είναι αδύνατο
όλες να είναι αληθείς την ίδια στιγμή
Επαναληπτική επίλυση για να βρεθεί αν
το σύνολο προτάσεων είναι ασυνεπές ή όχι
67
Prolog
● Κατηγόρημα (predicate): βασικό δομικό συστατικό της γλώσσας
● Όλες οι προτάσεις είναι είτε γεγονότα είτε κανόνες.
● Γεγονός (Fact): όνομα Κατηγορήματος(ορίσματα)
– Παράδειγμα: parent( bill, mary)
– faster(rabbit, turtle) (μια συγκεκριμένη εκδοχή)
● Κανόνας (Rule): συμπέρασμα :- πρόταση
– :- σημαίνει αν
– Παράδειγμα: wise(X) :- old(X).
– Παράδειγμα: (μια γενική ιδιότητα)
faster(X, Z) :- faster(X, Y), faster(Y, Z) σημαίνει
• Ο προγραμματιστής καθορίζει τα γεγονότα και τους κανόνες
• Το πρόγραμμα επιβεβαίωνει ή π.χ. λύνει το faster (W, snail) ή
καταγράφει όλες τις συγκρίσεις faster (X,Y)
68

Download Report