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Fondamenti di Informatica

FONDAMENTI DI INFORMATICA

Prof. Angela [email protected]

A.A. 2005-2006Facoltà di IngegneriaUNICAL

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Fondamenti di Informatica -Obiettivi

L’obiettivo del corso e' lo studio delle metodologie di base della programmazione dei calcolatori e della loro applicazione nello sviluppo di moduli software in Java che utilizzino tipi di dati semplici ed array.

Il corso introduce alle tematiche relative alla programmazione ad oggetti.

Crediti : 4 CFU.

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Fondamenti di Informatica - Orario

Periodo: 16 Gennaio 2006 – 9 Marzo 2006.

Ogni settimana 3 ore di lezione e 2 di esercitazione.

In totale 25 ore di lezione e 12 ore di esercitazioni.Ore aggiuntive di tutoraggio (opzionali)

Ricevimento Docente: Venerdi 10:30-12:30DEIS, cubo 41c,1° piano.

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Fondamenti di Informatica - Programma

Introduzione alla programmazione e all’organizzazione dei calcolatori

Risoluzione algoritmica dei problemi. Correttezza ed altre

proprietà degli algoritmi.

Algoritmi e programmi. Livelli di astrazione e linguaggi.

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Programmazione su tipi semplici

Introduzione alla programmazione orientata agli oggetti. Codifica di algoritmi in programmi Java. Struttura di un programma: costanti, variabili, tipi, classi, oggetti, costruttori.

Istruzioni semplici e tipi predefiniti. Compatibilità di tipo nella assegnazione.

Operazioni di ingresso/uscita. Istruzioni per il controllo del flusso di elaborazione. Sviluppo incrementale di programmi.

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Metodi e programmazione con array

Concetto di funzione e procedura.

Metodi in Java.

Esecuzione di metodi e passaggio dei parametri.

Il costruttore di tipo array.

Tipi array monodimensionali,

Tipi array multidimensionali, manipolazione di array.

Gestione di vettori e matrici.

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Tecniche di programmazione

Proprietà delle classi e degli oggetti.

Semplici algoritmi di ricerca.

Tecniche di ordinamento di vettori.

CENNI di

Gerarchia di classi.

Classi per la gestione di file.

Classi per la gestione di vettori e stringhe.

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Fondamenti di Informatica – Materiale didattico

Lucidi delle lezioni e programmi svolti nelle esercitazioni.

Sito web :

http://www.icar.cnr.it/angela/teaching/fond/IndexFond0506.html

con i lucidi in formato PDF.

CD-ROM

L’ambiente JDK, esempi di programmazione, libreria di input e

altro materiale.

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Fondamenti di Informatica – Testi

Libri su JavaL.Cabibbo, Fondamenti di Informatica: Oggetti e Java, McGraw-Hill,

2003 (consigliato ma non obbligatorio).

M. Bertacca, A. Guidi, Introduzione a Java, McGraw-Hill.

K. Arnold, J. Gosling, Java – Didattica e Programmazione, Addison-

Wesley.

J. Hubbard, Programmare in Java, McGraw-Hill Libri Italia.

L. Lemay, R. Cadanhead, Java 2 – Guida Completa, Apogeo.

C.S. Horstmann, Concetti di Informatica e Fondamenti di Java 2,

Apogeo.

C.T. Wu, Introduzione alla Programmazione a Oggetti in JAVA,

McGraw-Hill, 2000.

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Fondamenti di Informatica – Libri

Consultazione e approfondimenti

D. Sciuto, ed altri, Introduzione ai sistemi informatici, McGraw-Hill.

S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella: Istituzioni di informatica, McGraw-

Hill.

S. Ceri, D. Mandrioli, L. Sbattella: Informatica: arte e mestiere,

McGraw-Hill.

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Fondamenti di Informatica – Modalità di esame

Propedeuticità : l’esame può essere sostenuto da chi ha

superato l’esame di Introduzione all’ Informatica.

L’esame prevede lo svolgimento di

Una prova scritta di programmazione Java in aula con

possibilità del voto massimo.

Una prova orale facoltativa sugli argomenti del programma con

la possibilità di miglioramento del voto dello scritto.

La prova orale è obbligatoria per chi riporta un voto allo scritto

compreso nell'intervallo chiuso (15,17) e per gli studenti del

vecchio ordinamento.

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Richiami di concetti di base: Calcolatore

Calcolatore Elettronico - Computer:

Strumento per la rappresentazione e l'elaborazione

dell'informazione oppure

Esecutore di algoritmi.

Il Calcolatore

è uno strumento in grado di eseguire insiemi di azioni

(“mosse”) elementari

le azioni vengono eseguite su oggetti (dati) per produrre altri oggetti (risultati)

l’esecuzione di azioni viene richiesta all’elaboratore attraverso

frasi scritte in un qualche linguaggio (istruzioni).

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Richiami di concetti di base: Algoritmo

Concetto di Algoritmo

Sequenza finita e non ambigua di passi che portano alla

realizzazione di un compito in tempo finito.

Proprietà fondamentali

Eseguibilità: ogni azione deve essere eseguibile da parte

dell’esecutore dell’algoritmo in un tempo finito;

Non-ambiguità: ogni azione deve essere univocamente

interpretabile dall'esecutore;

Finitezza: il numero totale di azioni da eseguire, per ogni

insieme di dati di ingresso, deve essere finito.

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Richiami di concetti di base: Algoritmo

Quindi un algoritmo deve:

Essere applicabile a qualsiasi insieme di dati di ingresso

appartenenti al dominio di definizione dell’algoritmo;

Essere costituito da operazioni appartenenti ad un determinato

insieme di operazioni fondamentali;

Essere costituito da regole non ambigue, cioè interpretabili in

modo univoco qualunque sia l’esecutore (persona o

“macchina”) che le legge.

Altre proprietà desiderabili:

Correttezza, Efficienza, Leggibilità, modificabilità,

modularità, riusabilità.

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Programmi e Programmazione

Programmazione

È l'attività con cui definiscono le operazioni che servono a

predisporre l'elaboratore ad eseguire un particolare insieme di

azioni su particolari dati, allo scopo di risolvere un problema.

Programma

Sequenza di istruzioni di un linguaggio di programmazione

comprensibile al calcolatore che realizzano un compito o

risolvono un problema.

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Cosa è la Programmazione

La programmazione è l’attività di progettare e realizzare una programma, cioè definire le istruzioni che indicano ad un calcolatore i passi da eseguire per risolvere un problema.

Usare un computer non necessariamente richiede una attività di programmazione.

Tuttavia imparare a programmare un computer è una delle attività principali in informatica ed è utile a progettare e realizzare soluzioni a problemi in numerosi settori.

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METODO DI RISOLUZIONE LINGUAGGIO

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PROGRAMMA : È la descrizione di un algoritmo in un particolare linguaggio di programmazione.

Quali “parole chiave” ?

Quali dati ?

Quali operazioni elementari ?

Quali meccanismi di combinazione ?

Un linguaggio di programmazione è una notazione formale

per descrivere algoritmi che è comprensibile ad un calcolatore.

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SINTASSI e SEMANTICAOgni linguaggio è caratterizzato da:

sintassi: l’insieme di regole formali per la scrittura di programmi in quel linguaggio, che dettano le modalità per costruire frasi corrette nel linguaggio stesso.semantica: l’insieme dei significati da attribuire alle frasi (sintatticamente corrette) costruite nel linguaggio.

Una frase può essere sintatticamente corretta e tuttavia non aver alcun significato!Lo stesso può accadere per una istruzione.

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Tipi di Linguaggi di ProgrammazioneLinguaggi macchina e linguaggi assemblerogni azione è indicata in codice binario o con operazioni molto semplici e “rudimentali” : ADD X, Y oppure STORE A

Linguaggi imperativi (PASCAL, FORTRAN, C, BASIC, …)le azioni da compiere sono indicate in una sequenza che partendo dai dati si completa calcolando i risultati : if a > 0 print (“valore positivo”)else print (“valore negativo”);

Linguaggi dichiarativi (logici - PROLOG, funzionali - LISP)un programma è la definizione di una funzione o l’elenco delle regole logiche che portano a verificare una condizione.

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Linguaggi orientati agli oggetti (C++, Java, Smalltalk, ….)

Sono basati sul concetto di oggetto software che rappresenta un oggetto del mondo reale (un numero, un archivio, un testo, una matrice).

I dati sono rappresentati come oggetti e le azioni da compiere come operazioni da effettuare sugli oggetti.

Di solito sono realizzati come estensione dei linguaggi imperativi.

Un programma modella un problema reale come una collezione di oggetti software che interagiscono.

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Per far eseguire un programma ad un calcolatore occorre tradurlo dal linguaggio usato nel linguaggio macchina.

La traduzione avviene secondo due modalità principali:

CompilazioneIl compilatore controlla che tutte le istruzioni del programma siano corrette e alla fine di questo controllo se non ci sono errorigenera il programma eseguibile che verrà eseguito dall’esecutore.

InterpretazioneL’interprete controlla una per volta ogni singola istruzione delprogramma e se questa è corretta la traduce e la esegue. Al primo errore termina l’esecuzione del programma.

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Compilazione ed esecuzione di programmi Java

Java usa un approccio misto alla compilazione dei programmi

il codice sorgente Java viene compilato in bytecode Javail programma nella forma di bytecode Java può essere eseguito da un interprete, la macchina virtuale Java (JVM)

la JVM rende il calcolatore una macchina virtuale che sa eseguire programmi in bytecode Java

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Editing, compilazione ed esecuzione di programmi Java

calcolatore dotato di macchina virtuale Java

codice sorgente

... getstatic #6 ...

bytecode Java

interpretazione

compilazione

editing

/* Applicazione che visualizza una frase sullo schermo. */ class ScrittoreSulloSchermo {

public static void main(String[] args) { System.out.println("ciao a tutti"); System.out.println("questo testo introduce"); System.out.println("i fondamenti dell’informatica");

} }

ciao a tutti questo testo introduce i fondamenti dell’informatica

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Write once, run everywhere

calcolatori dotati di

macchina virtuale Java

... getstatic #6 ...

bytecode Java

esecuzione

PC IntelWindows

Sun UltraSolaris

Power MacintoshSystem 8




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Java 2 Software Development Kit

JavaTM 2 Software Development Kit (Java 2 SDK) è un ambiente di sviluppo per la programmazione in Java

http://java.sun.com/j2se/

Java 2 SDK comprende i seguenti strumenti di programmazione

compilatore Java — javacmacchina virtuale Java — javaAPI (Application Programming Interface) di Java applet viewer — appletviewerdebugger — jdbgeneratore di documentazione — javadoc

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Che cosa fare in pratica

Le tre attività da svolgere nello sviluppo di programmi Java

editingeditor

compilazione javac

esecuzione java

Vengono mostrate due modalitàuso di alcuni strumenti semplici (primitivi) uso di un ambiente integrato di sviluppo

In quanto segue, si assume che il software di sviluppo necessario sia installato e configurato correttamente nel calcolatore in uso

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Che cosa fare in pratica — editing

Un editor che può essere utilizzato è Blocco note di Windows

Il codice sorgente di ciascuna classe deve essere memorizzato in un diverso file di testo

il file di testo per una classe deve avere come nome il nome della classe seguito dall’estensione .java

ad esempio, la classe ScrittoreSulloSchermo va memorizzata nel file ScrittoreSulloSchermo.java

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Che cosa fare in pratica — compilazione

Il codice sorgente Java deve essere compilato in bytecode Java usando il comando javac

ad esempio, compilazione della classe ScrittoreSulloSchermo

javac ScrittoreSulloSchermo.java

l’esecuzione di questo comando produce il bytecode di ScrittoreSulloSchermo

nel file ScrittoreSulloSchermo.class

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Che cosa fare in pratica — esecuzione

Per eseguire una applicazione si deve usare il comando java

ad esempio, esecuzione della classe ScrittoreSulloSchermo

java ScrittoreSulloSchermo

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Fondamenti di Informatica

PROBLEMI E ALGORITMILINGUAGGIO MACCHINA

Prof. Angela [email protected]

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Problemi e algoritmi

Il problema dell’attraversamento di un labirinto semplice

una soluzione

in out

robbie

1: avanza()2: avanza()3: avanza()

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Comprensione del problema

I problemi sono descritti dalla loro specificaProblema

attraversamento di un labirinto semplice

Insieme di ingressoil robot robbie

Pre-condizioneil robot robbie si trova all’ingresso di un labirinto semplice, nella direzione di ingresso

Insieme di uscitavuoto

Post-condizioneil robot robbie si trova all’uscita del labirinto semplice

in out

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Specifica di un problema

La specifica di un problemainsieme di ingresso o parametri

i parametri del problema dati di ingresso e oggetti di ingresso

pre-condizionecondizione relativa all’insieme di ingresso

insieme di uscita o risultatidati di uscita e oggetti di uscita

post-condizionecondizione relativa all’insieme di uscita

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Identificazione di un algoritmo per il problema

Un algoritmo per un problema una sequenza di istruzioni che permette di far evolvere gli oggetti di interesse da uno stato iniziale che soddisfa la pre-condizione a uno stato finale che soddisfa la post-condizione

sulla base di ulteriori dati di ingresso calcolando eventuali dati in uscita

espressa in termini delle istruzioni di un esecutore automatico

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ESEMPIO: Equazione di secondo grado

Problema: Calcolare le radici dell’equazioneax2+bx+c = 0

Specifica del problemaDati di ingresso: tre numeri reali a, b, c.Pre-condizione: nessunaDati di uscita: le radici x1 e x2, se esistono.Post-condizione:

ax12+bx1+c = 0 e ax22+bx2+c = 0

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ESEMPIO: Equazione di secondo grado

Specifica dell’algoritmo:

delta ← b2 – 4acse (delta >≥ 0)

sqrtdelta ← radice quadrata (delta)x1 ← (-b +sqrtdelta) /2ax2 ←(-b –sqrtdelta) / 2a

altrimentinon esistono radici realidelta

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ESEMPIO: Prodotto di N numeri

Problema: Calcolare il prodotto di N numeri.

Specifica del problema:

Dati di ingresso: N numeri {x1, x2, ..., xn}

Pre-condizione: nessuna

Dati di uscita: un numero P

Post-condizione: P = Πi=1,n xi

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ESEMPIO: Prodotto di N numeri

Specifica dell’algoritmo:

P ← 1i ← 1Finchè (1

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Fondamenti di Informatica - Linguaggio Macchina

Le istruzioni elementari eseguite dalla CPU di un computer si chiamano istruzioni macchina.

L’insieme delle istruzioni macchina (instruction set ) costituiscono il linguaggio macchina.

Un linguaggio macchinaconsente la programmazione della Macchina di von Neumann,è direttamente eseguibile da un calcolatore senza nessuna traduzione,naturalmente cambia da macchina a macchina (ad es., quello del Pentium è diverso da quello dello AMD).

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Le istruzioni sono codificate in formato binarioe sono composte da

CODICE OPERATIVO : indica l’istruzione da eseguireOPERANDI : indicano gli operandi (indirizzi o valore)

Per semplicità ipotizziamo di avere istruzioni con solo operando.

Lunghezza delle istruzioni : I = m + n

m: num bit del codice operativo, n: num bit dell’operando.

m n

I

C o d ic e -o p O p e r a n d o

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Set di istruzioniinsieme delle operazioni del linguaggio macchina (

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Fondamenti di Informatica – Linguaggio Assembler

Linguaggi Assemblatori (ASSEMBLER)Linguaggi le cui istruzioni corrispondono univocamente a quelle del linguaggio macchina, ma sono espresse tramite nomi simbolici (parole chiave) invece che in binario.

Ad esempio :READ X ; MULT X, Y; LOAD Z;

AssemblatoreStrumento automatico (programma) che traduce le istruzioni da formato simbolico al formato binario.

0100 1001 READ X.

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Fondamenti di Informatica – Linguaggio Assembler

In un linguaggio Assembler Le istruzioni vengono specificate con nomi simbolici (parole chiave).

I riferimenti alle celle di memoria (dati) sono fatti mediante nomi simbolici (identificatori).

I modi di indirizzamento vengono indicati tramite simboli.

Il programma prima di essere eseguito deve essere tradottoin linguaggio macchina dall’ Assemblatore.

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READ X

READ Y

SUB X, Y

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Prodotto di due numeri – Linguaggio Macchina

EsempioProgramma assembler che calcola il prodotto di due numeri con il corrispondente programma in linguaggio macchina

ASSEMBLER LINGUAGGIO MACCHINAREAD X 0 0100 1000

READ Y 1 0100 1001

LOADA X 2 0000 1000

LOADB Y 3 0000 1001

MUL 4 1000

STOREA X 5 0010 1000

WRITE X 6 0101 1000

HALT 7 1101 0000

X INT 8 0000 0000

Y INT 9 0000 0000

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VERSO LINGUAGGI DI ALTO LIVELLO

Linguaggio MacchinaConoscenza precisa dei metodi di rappresentazione e manipolazione delle informazioni utilizzate.

Linguaggio Macchina ed AssemblerNecessità di conoscere dettagliatamente le caratteristiche della macchina (registri, dimensioni dati, set di istruzioni).Semplici algoritmi richiedono l'uso di molte istruzioni.

Linguaggi di Alto LivelloIl programmatore può astrarre dai dettagli legati all’architettura e può esprimere i propri algoritmi in modo simbolico. I linguaggi di alto livello sono indipendenti dalla macchina fisica (astrazione).

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VERSO LINGUAGGI DI ALTO LIVELLO

COME ESEGUIRE UN PROGRAMMA SCRITTO IN UN LINGUAGGIO DI ALTO LIVELLO ?

Occorre tradurlo nel linguaggio macchina dello specifico processore che si sta usando.

Due possibili modi:Compilazione (es. C, FORTRAN, Pascal, C++, COBOL, ...)Interpretazione (es. Basic, Perl, JavaScript, …)

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COMPILATORI

I compilatori traducono un intero programma dal linguaggio L1 al linguaggio macchina L0 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 di quella macchina; per eseguire il programma basta avere disponibile la versione tradotta (non serve il programma originale!).

L1 L0

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INTERPRETI

Gli interpreti invece traducono e immediatamenteeseguono il programma istruzione per istruzione

traduzione ed esecuzione procedono insieme,

al termine non vi è alcuna versione tradotta del

programma originale,

se si vuole ri-eseguire il programma occorre anche ri-

tradurlo.

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FASI DI SVILUPPO DI UN PROGRAMMA

Qualunque sia il linguaggio di programmazione scelto occorre:

1. Scrivere il testo del programma e memorizzarlo su supporti di memoria permanenti (editing);

2. Se il linguaggio è compilato:Tradurre il linguaggio in linguaggio macchina (compilazione);Eseguire il programma tradotto.

3. Se il linguaggio è interpretato:Usare l’interprete per eseguire il programma.

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Prodotto di due numeri – Linguaggio Java

Programma Java che calcola il prodotto di due numeri:

class prodotto {public static void main(String args[]){

int x=3;int y=5;int p;p = x * y;System.out.println("Prodotto = " + p);

}}

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Specifica di un algoritmo

Primo approccio, scrittura diretta del programma: la soluzione coincide con la codifica

Causa errori difficilmente individuabiliNon garantisce che non esistano soluzioni chiaramentemigliori,

Non funziona con programmi grandiRende difficile cambiare linguaggio di programmazione

Perciò, è conveniente concentrarsi sulla specificadel problema e dell’algoritmo (cosiddettoPSEUDOCODICE); la codifica dovrebbe essere solo un passo implementativo.

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