slides6.pdf 16 nov

Transcriptie

1 Inhoud Inleiding Algemeen 5 Waarom programmeertalen? Geschiedenis Abstractiemechanismen Programmeertalen Piet van Oostrum 16 november 2001 INL/Alg-5 1 X INL/Alg-5 1 X Machinecode Voor- en nadelen assemblercode Computers werken met simpele instructies Bijv: tel twee getallen op, haal iets uit het geheugen Oorspronkelijk was programmeren: het bedenken van de benodigde serie machineinstructies Later: assemblercode = een notatie voor machineinstructies ADD R1, R1 MOV R1, X Voordeel: Mogelijkheid om alles van de computer uit te buiten (snelheid) Nadelen: Moeilijk, kost veel tijd Foutgevoelig Beperkt tot een bepaald type computer INL/Alg-5 2 X INL/Alg-5 3 X Hogere programmeertaal Omzetting Hogere programmertaal = notatie waarmee grotere operaties opgeschreven kunnen worden Staat dicht bij het op te lossen probleem i.p.v. dicht bij de machine Sneller voor de programmeur, meestal langzamer voor de computer Wordt tegenwoordig bijna altijd gebruikt Uitzonderingen: Speciale toepassingen, bijv aansturing hardware Als snelheid een absolute vereiste is Speciale computers, bijv. DSP s (Digital Signal Processor) Hogere programmeertaal moet omgezet worden in voor de computer begrijpelijk instructies: Compiler: Zet programma om in reeks machineinstructies (vb.exe) Deze worden door de computer uitgevoerd Compiler is zelf meestal in hogere programmeertaal geschreven Je moet ergens nen: Bootstrap probleem Interpreter: Analyseert het programma en voert de gewenste bewerkingen uit Moet zelf een gecompileerd programma zijn. INL/Alg-5 4 X INL/Alg-5 5 X slides6.pdf 16 nov

2 Tussenvormen Virtuele Machine = hypothetische machine die idealere eigenschappen heeft dan een echte computer Compiler vertaalt naar machinecode van virtuele machine Interpreter interpreteert de instructies van virtuele machine Voorbeeld: Java Microsoft.NET gebeuren: Compiler vertaalt naar MSIL (MS Intermediate Language) MSIL wordt vertaald naar machinecode MSIL is taal- en machineonafhankelijk Rond 1960 Fortran, Cobol, Algol 60, Lisp Hiervóór voornamelijk machinecode Enkele pogingen om iets hogers te maken Voor speciale toepassingsgebieden talen ontworpen: FORTRAN wetenschappelijk rekenwerk COBOL administratie Algol algemenere taal (rekenwerk) Lisp Kunstmatige Intelligentie INL/Alg-5 6 X INL/Alg-5 7 X FORTRAN FORTRAN eigenschappen FORmula TRANslation Vooral bedoeld voor wetenschappelijk rekenwerk Notatie vergelijkbaar met formules: x = b + b 2 4ac 2a Variabelen: Integer en Real (floating-point) Arrays: (1- of meerdimensionaal), komt overeen met vectoren en matrices Loops (DO opdracht) voor herhaalde berekeningen Subroutines en functies In- en uitvoer opdrachten X = ( B + SQRT(B B 4 A C))/(2 A) INL/Alg-5 8 X INL/Alg-5 9 X Functies Subroutines Functies voor berekeningen die vaker moeten plaatsvinden: FUNCTION CALC(X, A, B, C) RETURN A*X*X + B*X + C Aanroep: Z = CALC(T, 2.0, 3.0, 4.0) Maar als er meer dan één uitkomst is dan via uitgaande parameters SUBROUTINE CALC(X, A, B, C, Y) Y = A*X*X + B*X + C RETURN Aanroep: CALL CALC(T, 2.0, 3.0, 4.0, Z) Argumenten kunnen variabelen, constanten of expressies zijn. Parameters kunnen ook in linkerkant van toekenning staan. Wat betekent: CALL CALC(T, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0) INL/Alg-5 10 X INL/Alg-5 11 X slides6.pdf 16 nov

3 Meer dan 1 resultaat Fortran keuzeopdrachten SUBROUTINE SOLVE(A, B, C, X1, X2) DET = B*B - 4*A*C... X1 = (-B +...) / (2*A) X2 = (-B -...) / (2*A) RETURN Aanroep: CALL CALC(2.0, 3.0, 4.0, Y, Z) Functions en Subroutines vormen abstractiemachanismes DO 20 I = 1, N IF (A(I).LT. 1.0) GOTO 20 COUNT = COUNT+1 20 CONTINUE Springen naar labels. Geen blokstructuur. Geeft aanleiding tot spaghetti code. In moderne Fortrans is dit opgelost. INL/Alg-5 12 X INL/Alg-5 13 X COBOL COBOL Records COmmon Business Oriented Language Vooral bedoeld voor administratief rekenwerk Onafhankelijk van de machine Variabelen d.m.v. PICTUREs AANTAL PICTURE (4 cijfers) BESCHRIJVING PICTURE X(20). (20 tekens) WATISDIT PICTURE 9999XX. (???) Simpele subroutines (zonder parameters) In- en uitvoer opdrachten Variabelen groeperen in Records Een record is bijv. een regel uit een boekhouding. 01 PERSON. 02 NAME PIC X(25). 02 SOFI-NUMMER PIC 9(9). 02 ADDRESS. 03 STRAAT PIC X(25). 03 HUISNR PIC X(10). 03 POSTCODE PIC 9999XX. 03 WOONPLAATS PIC X(25).... INL/Alg-5 14 X INL/Alg-5 15 X COBOL - evaluatie LISP Bedoeld om door de baas gelezen te kunnen worden ADD BTW TO AMOUNT GIVING TOTAL Weinig abstractie: Geen functies/procedures met parameters Gelijksoortige records moeten herhaald worden Geen typedefinities Sterk in in- en uitvoer LISt Processing Bedoeld voor werk in Artificial Intelligence Onafhankelijk van de machine Niet alleen rekenen met getallen Ook manipuleren van symbolische structuren Gegevens worden opgeslagen in lijsten: (aap noot mies) INL/Alg-5 16 X INL/Alg-5 17 X slides6.pdf 16 nov

4 LISP symbolisch LISP programma s Voorbeeld: weegave van feiten: (moeder Juliana Beatrix) (moeder Beatrix Willem-Alexander) Dit kan verder gebruikt worden om grootmoeders uit te rekenen Lijsten kunnen weer lijsten bevatten: (kinderen Juliana (Beatrix Irene...)) (geboren (Beatrix 1938) (Irene 1940)) Een LISP programma is zelf ook een lijst. Functies/procedure-aanroepen als lijst van functienaam en argumenten (zelfs formules): (print 3) (bereken-grootmoeder Willem-Alexander) (+ 3 5) Onderscheid wordt gemaakt tussen het symbool Willem-Alexander en een evt. variabele Willem-Alexander. Een programma kan een ander programma construeren! INL/Alg-5 18 X INL/Alg-5 19 X LISP variabelen LISP functies Variabelen hoeven niet gedeclareerd te worden Een variabele kan willekeurige inhoud hebben (ongetypeerd): Getal Tekst Lijst Functie In moderne Lisp versies (Common Lisp) ook klassen en objecten Voorbeeld: bereken ax 2 + bx + c: (defun calc (x a b c) (+ (* a x x) (* b x) c)) LISP = Lots of Irritating Single Parentheses INL/Alg-5 20 X INL/Alg-5 21 X LISP besturing Algol 60 Alle opdrachten hebben dezelfde structuur: (if (< a b) (doe-dit) (doe-dat) ) ALGOrithmic Language Antwoord op de tekortkomingen van Fortran Betere structuur in programma s: Blokstructuur met en (vergelijk { } in Java). Gestructureerde if then else Lussen met for en while do INL/Alg-5 22 X INL/Alg-5 23 X slides6.pdf 16 nov

5 Algol 60 voorbeeld Algol 60 functies if a < 3 then x := 5 else x := 10; y := 1 Procedure = methode met of zonder resultaat Alleen integer en real als variabelen en resultaat En arrays van deze. Arrays mogen variabele grenzen hebben (in FORTRAN/COBOL vast). Functies mogen recursief zijn (zichzelf aanroepen). Functies binnen functies INL/Alg-5 24 X INL/Alg-5 25 X Voorbeeld functie Recursieve functie Bereken de faculteit van n n! = 1 n integer procedure fac(n); integer n, result, k; result := 1; for k := 1 step 1 until n do result := result * k; fac := result; Bereken de faculteit van n n! = 1 n integer procedure fac(n); integer n, result, k; if n = 0 then fac := 1 else fac := n * fac (n-1); Vraag: Hoe vertalen we dit naar machinecode? INL/Alg-5 26 X INL/Alg-5 27 X Parametermechanisme Beperkingen van Algol 60 Bij de aanroep wordt gedaan alsof de argumenten ingevuld worden in de procedure op de plaats van de parameters y := fac(2*i+7); result := 1; for k := 1 step 1 until 2*i+7 do result := result * k; fac := result; Ook links van het := teken. Geen in- en uitvoer gedefinieerd Iedereen deed het op eigen manier Geavanceerd en daarom langzaam Parametermechanisme Recursie Geneste procedures Variabele arrays Geen manieren om eigen datatypes te definiëren Maar: Algol 60 was een verbetering op veel van zijn opvolgers INL/Alg-5 28 X INL/Alg-5 29 X slides6.pdf 16 nov

6 Simula 67 Simulatie Simula is een taal voor simulatie van echte systemen Bijvoorbeeld: verkeer: wat gebeurt er als je de stoplichten anders laat lopen? Simula is een uitbreiding van Algol 60 Klassen en objecten Een klasse is een groep variabelen en functies (methodes) Objecten zijn instances van een klasse en kunnen min of meer zelfstandig draaien Simulatie door de objecten met elkaar te laten samenwerken Bijv: auto-objecten die stoppen en rijden Objecten kunnen andere objecten starten stoppen laten wachten door laten gaan Simula had de meeste dingen van Java al in zich! INL/Alg-5 30 X INL/Alg-5 31 X Pascal en Algol 68 Pascal en Algol : zoeken naar de universele programmeertaal Concept van datatypes: Een variabele of waarde heeft een bepaald type simpele types: int, real, e.d. samengestelde types: array = rijtje gelijksoortige elementen, genummerd record = rijtje evt. verschille elementen, toegankelijk met een labeltje (naam) Gevolg: Betere abstractie type persoon = record naam: array [1..10] of char; leeftijd: integer ; var ik: persoon Algol 68: Ingewikkeld, alles moest kunnen Pascal: simpel, alleen dat wat gemakkelijk te compileren is INL/Alg-5 32 X INL/Alg-5 33 X Pascal Declaratief Programmeren 1 Arrays met vaste grenzen functies alleen simpele types als resultaat Bij parameters aangeven of het een ingaande of uitgaande parameter is procedure calc (x, a, b, c: real; var y: real) y := a*x*x + b*x + c (Vergelijk Fortran) Geen opdrachten dus: geen toekenning, geen volgorde... wat dan wel? programma = declaraties van functies of relaties (maar geen procedures) runnen van programma = berekenen van functiewaarde oplossen van vergelijkingen INL/Alg-5 34 X INL/Alg-5 35 X slides6.pdf 16 nov

7 Declaratief Programmeren 2 Prolog 1 Specificatie van wat je wilt i.p.v. hoe het berek moet worden Computer moet uitzoeken hoe het berek moet worden Hierdoor grotere mate van abstractie Soorten: Logisch programmeren Functioneel programmeren Combinatie van beide Logisch Programmeren: Redeneren met regels over feiten. moeder (wilhelmina, juliana). moeder (juliana, beatrix). moeder (beatrix, willemalex). oma (X, Z) :- moeder (X,Y), moeder (Y,Z). oma (wilhelmina, beatrix) levert op: YES INL/Alg-5 36 X INL/Alg-5 37 X Prolog 2 Functioneel Programmeren 1 oma (X,Y) levert op: X=wilhelmina, Y=beatrix X=juliana, Y=willemalex Programmeren met Functies Je schrijft geen opdrachten die iets veranderen maar functies die een waarde berekenen De functies zelf zijn ook waarden waarmee je kunt rekenen fac 0 = 1 fac n = n * fac (n-1) Lijkt vaak veel op de wiskundige definitie INL/Alg-5 38 X INL/Alg-5 39 X Functioneel Programmeren 2 Sorteren Hogere orde datastructuren: Voorbeeld: lijsten x = [1, 2, 3, 5, 7, 11] Verzamelingnotatie: {x 2 x Nat} [ x*x x <- [1..] ] Oneindige lijsten mogelijk Mits maar eindig aantal gebruikt wordt Als je een lijst wilt sorteren: sorteer alle elementen x gevolgd door x gevolgd door de gesorteerde elementen > x. Een niet-lege lijst kun je schrijven als x:rest x = eerste element, gevolgd door de rest. sort [] = [] sort (x:rest) = sort [z z<-rest,z<=x] ++ [x] ++ sort [z z<-rest,z>x] INL/Alg-5 40 X INL/Alg-5 41 X slides6.pdf 16 nov