EA 869 Algoritmos estruturas de dados e linguagens

EA 869 Algoritmos: estruturas de dados e linguagens de programação Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Prof. Levy Boccato 1

Introdução Problema Computável Problema Não-tratável Problema NP Problema P Encontro solução em tempo factível? COMPLEXIDADE O melhor algoritmo é O(cn) ou maior, mas não se sabe se é a melhor solução ORDEM DE COMPLEXIDADE DO ALGORITMO O(nc) ou menor 2

Introdução � As questões a respeito da computabilidade e da complexidade nos levam a refletir sobre a existência de um algoritmo para resolver um problema e sobre o custo computacional envolvido em sua execução. � Tendo em mãos um algoritmo de interesse, o que é necessário fazer para que ele esteja pronto para ser executado em um computador? Ø É preciso descrever ou expressar todos os seus passos segundo uma linguagem. Linguagens de programação Ø Uma vez escrito nesta linguagem, o algoritmo precisa ser traduzido para um formato inteligível à máquina incumbida de sua execução. Processo de execução de um programa 3

Linguagem de máquina �Na linguagem de máquina, os comandos (ou instruções) e dados que devem ser manipulados são codificados em cadeias binárias. �É a linguagem mais próxima ao hardware. �A programação, portanto, depende de um pleno conhecimento de como cada comando é representado e interpretado no circuito digital. Palavra de 16 bits 10101000101101011101010111010101011 0101011110 Instrução É fácil e eficiente programar em linguagem de máquina? 4

Linguagem de máquina �Vejamos um exemplo bastante simples: cb – determina se o valor do registrador B é ou não complementado. sb – seleciona entre o valor referente ao registrador B ou o valor fixo 1. la – habilita o carregamento de um valor especificado na entrada paralela do registrador A. 5

Linguagem de máquina �Exemplo: Este humilde computador permite a realização de algumas operações: (1) A ← A + B (2) A ← A + 1 (3) A ← A – B Um “programa”, escrito em linguagem de máquina, que compute a subtração entre os valores em A e B, seria dado pela sequência de comandos binários: cb ← 1 sb ← 0 la ← 1 (complementa B) (seleciona o complemento de B) (armazena o resultado em A) 6

Linguagem simbólica � Como poderíamos tornar o código mais compreensível ao programador? Linguagem simbólica (Assembly) Ø Substitui o código de máquina por símbolos mais próximos da linguagem humana. Ø Continua sendo muito próxima do hardware. Ø Trata-se de uma linguagem dependente da arquitetura do computador (hardware). Ø O código precisa ser interpretado, isto é, convertido ao formato binário para ser executado pelo computador. MOV R 1, R 2 101010001011010111010101 MOV R 1, #4 CMP R 1, #4 010101110101 BEQ FIM 1010101011 FIM: ADD R 1, 1 0101011110 Quais as vantagens e desvantagens desta linguagem? Etapa de montagem – veremos no final do curso 7

Linguagem simbólica � Breve história da linguagem Assembly Programas eram escritos em linguagem de máquina Surgimento das linguagens de alto nível “Era dos microprocessadores” e sistemas embarcados Década de 50 Década de 70/80 Década de 90 até hoje Assembly surge para facilitar a programação Assembly passou a ser pouco usada Assembly “volta” na busca de desempenho e velocidade 8

Linguagem simbólica � O uso de Assembly tem se tornado mais frequente. 9

Linguagem simbólica Muitas aplicações industriais são feitas em Assembly Mais eficiente – não gera códigos supérfluos Facilita a programação em alto nível Porque aprender a linguagem Assembly? Acesso direto e controle total do hardware Programas exigem menos memória e são menores Possibilidade de desenvolver rotinas mais eficazes e incorporá-las a programas de alto nível 10

Linguagem simbólica �O que é preciso saber para programar em Assembly? Ø Conhecer detalhes do hardware: organização da memória, registradores, periféricos, arquitetura etc. Ø Trabalhar fluentemente com representação binária: § Números negativos. § Condições de overflow. § Ponto flutuante. Ø Aprender o conjunto de instruções do processador. 11

Linguagens de alto nível � E como poderíamos pensar em uma linguagem executável em qualquer máquina e mais próxima da linguagem humana? Linguagens de alto nível Ø Possuem uma semântica mais amigável ao usuário. Ø Distante do código de máquina e muito próximo da linguagem humana. Ø Exemplos: C, C++, C#, Java, Ruby, Python, Lisp, Prolog etc. Ø Podem ser do tipo procedimental (descreve passo a passo) ou declarativa (descreve fatos e regras e busca uma solução lógica). public class Exemplo. De. For { MOV R 1, R 2 public static void main(String[] args) { MOV R 1, #4 for (int i = 0; i < 4; i++){ CMP R 1, #4 System. out. println("Indice " + i); } BEQ FIM } FIM: ADD R 1, 1 } 12

Linguagens de alto nível � Existem também linguagens especiais voltadas à aplicação e para outros propósitos. Linguagens voltadas à aplicação Alguns exemplos: • Aplicações matemáticas: Matlab • Voltadas a inteligência artificial: Prolog, Lisp • Linguagens esotéricas: LOLcode HAI CAN HAS STDIO? VISIBLE "OLÁ MUNDO!" KTHXBYE Piet Brainfuck +++++[>+++++++++++ >----->++++++++>++++++++++>+++ ++++>+++<<<<<-]>-. >--. > ++++. >---. >. >. >+++. , 13

Processo de execução �Uma vez escolhida uma linguagem de programação e escrito o código, como ele é executado? Problema resolução Algoritmo NÍVEL CONCEITUAL Programa em linguagem de máquina HIERARQUIA DE LINGUAGENS ação m a r prog Programa de alto nível tradução compilador montador decodificação Execução HARDWARE (circuitos e sinais físicos) 14

Linguagens de Programação �Ponto importante: um algoritmo pode ser expresso em qualquer linguagem de programação. Em última análise, elas servem apenas como um mediador entre o programador e a máquina. �As linguagens de baixo nível (máquina e simbólica) não oferecem muitos recursos para o programador. Porém, o controle sobre sinais e aspectos de hardware é bem mais efetivo. �O que muda, portanto, de uma linguagem para outra é a dificuldade e a inteligibilidade do código escrito. 15

Estruturas de dados � A preparação de um algoritmo também envolve a escolha de uma forma vantajosa de organizar os dados que serão acessados e processados. � Dependendo da aplicação, pode haver um tipo de organização que capture ou expresse de maneira natural uma característica dos dados associados ao problema. � Veremos quatro tipos básicos: Ø Vetor Ø Fila Ø Pilha Ø Árvore 16

Estruturas de dados � Suponha que certo algoritmo precise acessar a nota de um aluno dado o seu RA. Como os dados devem ser organizados? Ø Solução: uma lista cujo índice seja o RA e o conteúdo as notas Ø Dessa forma, é possível acessar, incluir e modificar a nota de um aluno dado o seu RA de maneira direta. � Vetor: sequência de tamanho fixo cujo acesso é realizado através do índice que identifica a posição do elemento a ser lido ou escrito. Ø Com isto, temos acesso aleatório (“direto”) e o tempo de acesso a qualquer elemento é idêntico. Leitura – vetor(i) Escrita – vetor(i) • i é fornecido • elemento ← vetor(i) • vetor(i) ← elemento 17

Estruturas de dados � Considere um algoritmo que deve gerenciar o atendimento telefônico de um call center. Como os dados devem ser organizados? c 0 c 1 REGISTRO DE DADOS c 2 c 3 c 4 c 5 c 6 18

Estruturas de dados � Fila: o acesso aos elementos da fila é realizado através das posições “entrada” e “saída” – as demais posições não são visíveis. Ø Estrutura do tipo FIFO (first in, first out). Ø Acesso: através de dois apontadores. Ø Manipulação: apenas a entrada e a saída são visíveis. Leitura – posição “saída” Escrita – posição “entrada” • elemento ← f(j) • f(i) ← elemento • atualiza índice de saída j • atualiza índice de entrada i Ø Fila cheia: índice de entrada i > índice máximo da fila. Ø Fila vazia: índice de entrada i = índice de saída j. 19

Estruturas de dados � Considere um algoritmo que armazena as páginas que você acessa na Internet de tal modo que seja possível retornar à primeira página acessada refazendo o mesmo caminho. Como os dados devem ser organizados? (2) (1) Devo retornar à página mais recentemente visitada. 20

Estruturas de dados � Pilha: o acesso aos elementos da pilha é realizado através da mesma posição (entrada = saída) – as demais posições não são visíveis. Ø Estrutura do tipo LIFO (last in, first out). Ø Acesso: através de um único apontador. Leitura Escrita • atualiza o índice i • p(i) ← elemento • elemento ← p(i) • atualiza o índice i Ø Pilha cheia: i > índice da última posição da pilha. Ø Pilha vazia: i = índice da primeira posição da pilha. Ø i sempre aponta para a próxima posição livre da pilha. 21

Estruturas de dados � Árvore: Ø Estrutura: cada célula contém um dado e apontador para a(s) próxima(s) célula(s). As células não precisam ser homogêneas. célula: dados apontador Ø Manipulação: flexível, com início pela raiz. 22

Estruturas de dados � Árvore: Ø O acesso aos elementos da árvore é realizado através de um percurso a partir de sua raiz, seguindo o(s) apontador(es) das células. Todas as posições da estrutura são acessíveis. Leitura – célula j Escrita –célula j • navegar na estrutura até célula j • elemento ← dados da célula • dados da célula ← elemento 23

Créditos Ø Este material está baseado nas notas de aula elaboradas pelo Prof. Léo Pini e pelo aluno de doutorado Tiago Novaes. 24