I linguaggi di programmazione: evoluzione e fondamenti per l'informatica

Introduzione alla programmazione

Antonio Tufano
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 di linguaggio

Definizione 2 - Il linguaggio è un sistema matematico che
consente di rispondere a domande come:

• quali sono le frasi lecite?
• si può stabilire se una frase appartiene al linguaggio?
• come si stabilisce il significato di una frase?
• quali sono gli elementi linguistici primitivi?

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!

Cenni storici

. 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.

Linguaggio di programmazione: costituzione

• 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 sintattiche per l'uso corretto delle parole del linguaggio.

Comandi hardware

• A livello hardware, i calcolatori riconoscono solo comandi
  semplici, del tipo copia un numero, addiziona due numeri,
  confronta due numeri.

Linguaggio macchina

• I comandi realizzati in hardware definiscono il set di istruzioni macchina
  e i programmi che li utilizzano direttamente sono i programmi in
  linguaggio macchina
• 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

Programmazione in linguaggio macchina e assembly

• Negli anni '50, tutti i programmi erano scritti in linguaggio macchina
  o in assembly
  - ogni istruzione è identificata da una sigla piuttosto che da un
  codice numerico
  - il riferimento alle variabili viene effettuato per mezzo di nomi
  piuttosto che mediante indirizzi di memoria
• I programmi scritti in assembly necessitano di un apposito
  programma assemblatore per tradurre le istruzioni tipiche del
  linguaggio in istruzioni macchina

Linguaggi di alto livello

• Oggi si utilizza l'assembly solo se esistono vincoli stringenti sui
  tempi di esecuzione; viceversa, si usano linguaggi più vicini al
  linguaggio naturale, i linguaggi di alto livello
  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

Linguaggi di programmazione: alfabeto e regole

• 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 sintattiche
  (la grammatica) per l'uso corretto delle parole del linguaggio
• I microprocessori presenti all'interno della macchina sono stati
  progettati per riconoscere ed eseguire un insieme piuttosto ristretto
  di istruzioni; tali istruzioni costituiscono il cosiddetto linguaggio
  macchina
• Il linguaggio macchina è basato su una codifica estremamente
  compatta e poco intuitiva

Codifica e diffusione della programmazione

• Codificare un programma utilizzando il linguaggio macchina è assai
  arduo e richiede una conoscenza approfondita del funzionamento di
  un particolare calcolatore (o meglio: del microprocessore che
  costituisce la CPU della macchina)
• Per ovviare a questo problema, che ha costituito per molti anni un
  grosso limite alla diffusione della programmazione e quindi anche
  dell'uso dei calcolatori, sono stati sviluppati dei linguaggi di
  programmazione più evoluti, che si pongono a metà strada fra il
  nostro linguaggio naturale ed il linguaggio macchina
• Sono semplici e poveri (poche parole chiave, poche regole), ma
  privi di qualsiasi ambiguità

Programmazione a basso e alto livello

• In informatica si parla di programmazione a basso livello quando si
  utilizza un linguaggio molto vicino alla macchina, al suo
  funzionamento interno
• Si parla invece di programmazione ad alto livello quando 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 e l'assembler) a quelli più evoluti (Pascal,
  Fortran, Cobol, Java, Perl, Python, Go)
• Il linguaggio C si pone ad un livello intermedio

Efficienza e velocità di programmazione

• La programmazione a basso livello è più ardua e meno intuitiva, ma
  consente di sviluppare programmi molto efficienti su uno specifico
  sistema hardware/software, sfruttandone a fondo le caratteristiche
• Ad alto livello la programmazione è più "naturale" e rapida, ma è
  possibile che non consenta di produrre software particolarmente
  efficiente
  Efficienza del programma
  Programmazione
  a basso livello
  Programmazione
  ad alto livello
  Facilità e velocità di programmazione

Vantaggi dei linguaggi di alto livello

• Consentono di trattare oggetti complessi senza doversi preoccupare
  dei dettagli della macchina sulla quale il programma viene eseguito
• Richiedono un compilatore o un interprete 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 simile ad un
  assemblatore, ma più complesso, infatti ...
  - 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

Portabilità, leggibilità, manutenibilità

• 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

Benefici dei linguaggi di alto livello

• 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

Svantaggi e costi di produzione software

• 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 ... compilatori sofisticati 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

Tipi di linguaggi ad alto livello

Possiamo aggregare i numerosi linguaggi di programmazione esistenti
sulla base del modello astratto di programmazione che sottintendono e
che è necessario adottare per utilizzarli
Linguaggi di
programmazione
Imperativi
Dichiarativi
Procedurali
(C, Pascal)
Ad oggetti
(C++, Java)
Linguaggi per il
calcolo Parallelo
Funzionali
(Lisp)
Logici
(Prolog)

Linguaggi imperativi

• Il modello computazionale è basato sul cambiamento di stato
  della memoria della macchina
• È centrale il concetto di assegnazione di un valore ad 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

Scelta del linguaggio in base al problema

• 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, Visual Basic
  - Applicazioni Web: Java, PHP, ASP