Introduzione a Java Richiami Cenni sull Implementazione Macchine

Introduzione a Java

Richiami • Cenni sull’ Implementazione, Macchine Astratte, Compilatore, Interprete • Ruolo delle Classi in Java

Implementare un linguaggio • implementazione un linguaggio L su una macchina ospite MO • realizzare la macchina astratta ML sulla macchina ospite MO • tipicamente L linguaggio ad alto livello • MO esegue un linguaggio piu’ a basso livello (e. g. linguaggio macchina, assembler)

Macchina Astratta § ML una collezione di strutture dati ed algoritmi in grado di memorizzare ed eseguire programmi di L §componenti della macchina astratta interprete lmemoria (dati e programmi) lcontrollo loperazioni “primitive” (del linguaggio della macchina ospite) l

Macchina astratta Memoria Interprete Programma Dati Controllo Operazioni primitive op 1 op 2 … . . . opn

L’interprete start acquisisci la prossima istruzione controllo decodifica acquisisci gli operandi controllo seleziona operazioni controllo esegui op 1 esegui op 2 . . . esegui opn memorizza il risultato esegui alt stop

Dal linguaggio alla macchina astratta • L linguaggio ML macchina astratta di L • implementazione di L = realizzazione di ML su una macchina ospite MO • se L è un linguaggio ad alto livello ed MO è una macchina “fisica” – l’interprete di ML è necessariamente diverso dall’interprete di MO – come si implementa?

Implementare un linguaggio • implementazione di L 1: interprete (puro) – ML è realizzata su MO in modo interpretativo – scarsa efficienza, soprattutto per colpa dell’interprete (ciclo di decodifica) • implementazione di L 2: compilatore (puro) – i programmi di L sono tradotti in programmi funzionalmente equivalenti nel linguaggio macchina di MO – i programmi tradotti sono eseguiti direttamente su MO • ML non viene realizzata – il problema è quello della dimensione del codice prodotto • due casi limite che nella realtà non esistono quasi mai: c’è sempre una macchina intermedia che estende eventualmente la macchina ospite in alcuni componenti

Implementazione mista ML MI Programma in L realizzazione MO Programma in LMI traduzione • quando l’interprete della macchina intermedia MI non coincide con quello della macchina ospite MO • esiste un ciclo di interpretazione del linguaggio intermedio LMI realizzato su MO

Interpretazione e traduzione pure ML MI Programma in L realizzazione MO Programma in LMI traduzione • Casi limite (possibili solo se i linguaggi sono molto vicini) • ML = MI interpretazione pura • MO = MI traduzione pura

Implementazioni miste: vantaggi – per ottenere un codice tradotto più compatto – per facilitare la portabilità su diverse macchine ospiti • si deve riimplementare l’interprete del linguaggio intermedio • non è necessario riimplementare il traduttore – su una tipica macchina ospite e’ piu’ semplice realizzare l’interprete per ill linguaggio intermedio (piu’ vicino al linguaggio della macchina ospite).

L’implementazione di Java • è un’implementazione mista – traduzione dei programmi da Java a byte-code, linguaggio macchina di una macchina intermedia chiamata Java Virtual Machine – i programmi byte-code sono interpretati

Vantaggi • su una tipica macchina ospite, è più semplice realizzare l’interprete di byte-code che l’interprete di Java • byte-code piu’ a basso livello

Vantaggi • inoltre si possono effettuare una volta per tutte (a tempo di traduzione, staticamente) analisi, verifiche e ottimizzazioni che migliorano – l’affidabilità dei programmi (assenza di errori run-time) – l’efficienza dell’esecuzione (meno controlli run-time) • varie proprietà interessate – controllo dei tipi – controllo sull’uso dei nomi e loro risoluzione “statica” – ….

Analisi statica in Java • Java è fortemente tipato – il type checking può essere in gran parte effettuato dal traduttore e sparire quindi dal byte-code generato • come vedremo pero’ le relazioni di subtyping permettono che una entità abbia un tipo vero (tipo effettivo) diverso da quello apparente (tipo apparente) • di conseguenza, alcune questioni legate ai tipi possono solo essere risolte a tempo di esecuzione – possono verificarsi errori di tipo a tempo di esecuzione rilevati da opportune eccezione

Ruolo delle classi in Java § I programmi in Java consistono di classi. § Le classi consentono di definire: • collezioni di procedure stand-alone (metodi statici) • nuovi tipi di dato, tramite oggetti (in cui variabili e metodi d’istanza definiscono lo stato interno e le operazioni)

Ruolo delle classi in Java • Le due funzionalita’ possono coesistere all’interno di una stessa classe • Una classe puo’ contenere variabili statiche d’istanza • Analogo per i metodi

Procedure Stand-alone • Le classi permettono di definire collezione di metodi statici (procedure stand alone) • non ci sono dichiarazioni di variabili e metodi d’istanza • non si definiscono oggetti

public class Proc. Arrays{ //OVERVIEW: la classe fornisce procedure utili per // manipolare arrays di interi public static int cerca(int [] a, int x){ \EFFECTS: restituisce il numero di occorrenze di x in a int occ=0; for (int i = 0; i< a. length ; i++) {if (a[i]=x) {occ=occ+1; } } return occ; } public static boolean incr(int [] a){ \EFFECTS: restituisce true se a e’ ordinato in modo crescente int prev; for (int i = 1; i< a. length ; i++) {prev=a[i-1]; if (prev> a[i]) { return false; } } return true; } }

Metodi statici • I metodi statici appartengono alla classe in cui sono dichiarati • Si chiamano tramite il riferimento alla classe

Esempio: main. . . . int[] a= new int[10]; int x=0; for (int i = 0; i< a. length ; i++) {a{i}=x; x=x+1; } boolean result=Proc. Arrays. incr(a); . . . .

Tipi di dato • Le classi permettono di creare nuovi tipi di dato ----collezioni di dati ----relative operazioni • Lo stato degli oggetti e’ definito dalle variabili d’istanza • Le operazioni dai metodi d’istanza

Esempio tipico • Vogliamo realizzare una classe Bank. Account i cui oggetti sono dei semplici conti bancari. • Vogliamo le seguenti operazioni q depositare denaro q prelevare denaro q chiedere il saldo corrente

Come si procede? • Variabili d’istanza per rappresentare lo stato degli oggetti • Metodi d’istanza per modellare le operazioni richieste • Costruttore (o costruttori) per creare un nuovo oggetto della classe ed inizializzare le variabili

Una possibile implementazione public class Bank. Account { public double balance; //il saldo corrente // costruttore public Bank. Account(double initial){ balance=initial; }

Una possibile implementazione // metodi public void deposit(double amount) { balance = balance + amount; } public void withdraw(double amount) { balance = balance - amount; } public double get. Balance() { return balance; } }

Creare oggetti • Gli oggetti istanze della classe si creano tramite new • Hanno il tipo nome della classe Bank. Account p 1= new Bank. Account(1000); • p 1 e’ dichiarato con tipo Bank. Account • La variabile balance dell’oggetto riferito da p 1 viene inizializzata al valore 1000

Variabili d’istanza • Le variabili d’istanza appartengono agli oggetti • Ogni oggetto ha la propria variabile d’istanza balance, il cui valore e’ memorizzato nella heap Bank. Account p 1= new Bank. Account(1000); Bank. Account p 2=new Bank. Account(2000); • La variabile balance dell’oggetto riferito da p 1 viene inizializzata al valore 1000 • La variabile balance dell’oggetto riferito da p 2 viene inizializzata al valore 2000

Come si accede agli oggetti? • Per leggere/ modificare lo stato interno rappresentato dalle variabili d’istanza • Tramite le relative operazioni (metodi d’istanza) • Accedendo direttamente allo stato interno, alle variabili d’istanza • In entrambi i casi deve essere specificato l’oggetto sul quale si vuole operare

Esempio Bank. Account p 1= new Bank. Account(1000); Bank. Account p 2=new Bank. Account(2000); • Vogliamo trasferire 1000 dal conto di p 1 in quello di p 2

Prima soluzione Bank. Account p 1= new Bank. Account(1000); Bank. Account p 2=new Bank. Account(2000); p 1. withdraw(1000); p 2. deposit(1000); • I metodi d’istanza vanno invocati fornendo il riferimento all’oggetto su cui si vuole effettuare l’operazione

Seconda soluzione Bank. Account p 1= new Bank. Account(1000); Bank. Account p 2=new Bank. Account(2000); p 1. balance=0; p 2. balance=balance+1000; • Per accedere alle variabili d’istanza bisogna fornire il riferimento all’oggetto su cui si vuole effettuare l’operazione

ATTENZIONE: Specificatore di Accesso • public (si puo’ accedere da qualsiasi metodo della classe o non ) • private (si puo’ accedere solo da metodi della classe)

Esempio • Supponiamo che balance sia private allora il seguente accesso dal metodo main non sarebbe legale (viene rilevato dal compilatore) Bank. Account p 1= new Bank. Account(1000); Bank. Account p 2=new Bank. Account(2000); p 1. balance=0; p 2. balance=balance+1000;

Ruolo di private • Come vedremo e’ sempre consigliabile sempre usare -- variabili d’istanza private --introdurre metodi d’istanza per leggere e modificare opportunamente lo stato degli oggetti • In questo modo si crea un incapsulamento degli oggetti che possono essere modificati solo dai metodi d’istanza • Fondamentale per programmare in modo modulare e per garantire un corretto funzionamento

Esempio 1 Bank. Account p 1= new Bank. Account(1000); Bank. Account p 2=new Bank. Account(2000); p 1. withdraw(1000); p 2. deposit(1000); • Questo codice che accede agli oggetti solo tramite metodi d’istanza e’ indipendente dall’implementazione interna della classe Bank. Account • Se cambia l’implementazione continua a funzionare

Esempio 2 Bank. Account p 1= new Bank. Account(1000); Bank. Account p 2=new Bank. Account(2000); p 1. balance=0; p 2. balance=balance+1000; • Questo codice accede dipende dallo stato interno della classe Bank. Account • Se cambia l’implementazione deve essere reimplementato (non e’ un esempio di buona programmazione)

Attenzione • I metodi d’istanza devono essere chiamati con il riferimento all’oggetto • Questo riferimento puo’ anche essere implicito se siamo in un metodo d’istanza o costruttore della classe

Riferimento Implicito public class Bank. Account{ public double balance; //il saldo corrente // costruttore public Bank. Account(double initial){ balance=initial; } • Il riferimento e’ all’oggetto di tipo Bank. Account su cui stiamo eseguendo il metodo d’istanza (analogogo this. balance)

Metodi e Variabili Statici • Variabili e metodi statici appartengono alla classe in cui sono dichiarati • A differenza delle variabili e dei metodi di istanza che appartengono agli oggetti (istanze della classe) • Sono quindi condivisi tra tutti gli oggetti della classe • Come vedremo nella semantica stanno nell’ambiente delle classi e non nella heap

A cosa servono? • A memorizzare informazioni comuni tra tutti gli oggetti istanze della classe • A realizzare funzionalita’ indipendenti dagli oggetti • Come vedremo nella semantica formale le informazioni sulle variabili e sui metodi statici saranno memorizzate proprio nell’ambiente delle classi

Esempio: var. statiche • Supponiamo di volere modificare Bank. Account in modo che ogni conto abbia un codice identificativo, ognuno diverso dagli altri • Si puo’ utilizzare una variabile statica che mantiene il valore del primo numero intero disponibile • Introduciamo anche un metodo statico per inizializzare il valore della variabile statica

Una possibile implementazione public class Bank. Account { public double balance; //il saldo corrente public int miocodice; //il codice del conto public static int codice; //il primo codice disponibile • La variabile statica codice e’ unica e condivisa tra tutti i conti • Viene aggiornata ogni volta che viene creato un oggetto • La variabile d’istanza miocodice mantiene invece il codice dei singoli conti

Costruttore public Bank. Account(double initial){ balance=initial; miocodice=codice; codice++; } • La variabile statica e’ unica e condivisa tra tutti i conti • Viene incrementata ogni volta che viene creato un nuovo conto • In questo modo mantiene sempre aggiornato il primo valore libero

Metodo statico public static void modifica-codice(int val){ \REQUIRES: val >= codice=val; } • Permette di inizializzare la variabile statica e di aggiornarne il valore (con un valore piu’ grande)

Esempio Bank. Account. modifica-codice(10); Bank. Account p 1= new Bank. Account(1000); Bank. Account p 2=new Bank. Account(2000); • La variabile statica codice prende inizialmente il valore 10 • I due oggetti avranno codici diversi e la loro creazione modifichera’ il valore di codice • Notate che al solito il metodo statico deve essere chiamato tramite il riferimento alla classe

Specificatori di accesso • Valgono le stesse regole viste per le variabili ed i metodi di istanza

Variabili e Metodi Statici: come si accede? • Supponiamo per esempio di essere in un metodo esterno alla classe (tipo main) e che la variabile sia public (anche se non ha senso da un punto di vista di sicurezza) • Come facciamo a riferirci alla variabile codice ? Bank. Account. codice=1;

Regole di Visibilita’ dei Nomi • Sono quelle verificate staticamente dal compilatore (si chiamano regole di scoping) • Verifica che ogni accesso ad un nome (di variabile o metodo) sia legale, ovvero che ci sia un legame corretto tra le dichiarazioni e l’uso dei nomi

Perche’ ci interessa? • Vogliamo estendere la semantica di FP al caso di classi Java piu’ generali --dichiarazioni di variabili e metodi statici --dichiarazioni di variabili e metodi d’istanza • La situazione e’ un po’ piu’ complicata di quella che avete visto fino ad ora (erano semplificate a scopo didattico)

In particolare • Cerchiamo di capire come funziona a livello intuitivo la ricerca dei nomi • Tralasciando per ora di trattare gli specificatori d’accesso (assumiamo che le dichiarazioni siano tutte public) • Poi, introdurremo le strutture dello stato e le regole formali della semantica

Problema • Nel codice di un metodo abbiamo un accesso del seguente tipo Path. I variabile Path. I(List. P) chiamata di metodo I identificatore o nome Path ci dice dove andare a cercarlo

Problema • Come facciamo a sapere se questo tipo di istruzione e’ legale? • Ovvero: dove andiamo a cercare il valore della variabile o il codice del metodo Path. I variabile Path. I(List. P) chiamata di metodo

Nota • E’ complicato perche’ I potrebbe essere statico o d’istanza o potrebbe essere una variabile locale del metodo • Dipende dal Path e dal tipo di metodo (statico o d’istanza)

Cosa puo’ indicare un path? • Accesso diretto (path vuoto) I • Riferimento ad un oggetto this. I p 1. I • Riferimento ad una classe Bank. Account. I

Per semplificare • Vediamo le regole per le variabili • Per i metodi e’ analogo

Path Vuoto I potrebbe essere • una variabile locale o un parametro formale del metodo • una variabile che appartiene alla classe (se il metodo e’ statico) • una variabile che si vede dall’oggetto su cui il metodo e’ eseguito (se il metodo e’ d’istanza o e’ un costruttore)

Primo caso • una variabile locale o un parametro formale del metodo public Bank. Account(double initial){ balance=initial; miocodice=codice; codice++; }

Cosa e’ visibile da un oggetto? • Le sue variabili d’istanza • Le variabili statiche dichiarate nella classe a cui appartiene (perche’ sono condivise tra tutti gli oggetti)

Costruttore public Bank. Account(double initial){ balance=initial; miocodice=codice; codice++; } • Accesso diretto alla variabile d’istanza miocodice (this non e’ necessario) si riferisce implicitamente a quella dell’oggetto creato • Accesso diretto alla variabile statica codice che e’ condivisa e visibile tra tutti gli oggetti della classe (Bank. Account non e’ necessario)

Cosa e’ visibile da una classe? • Le variabili statiche • Non sono visibili variabili d’istanza (sono relative agli oggetti)

Metodo statico di Bank. Account public static void modifica-codice(int x){ codice=x; } • Accesso diretto alla variabile statica codice che appartiene alla classe del metodo • Non potremo accedere direttamente alla variabile d’istanza miocodice (non ci sono oggetti di riferimento)

Path Classe • Vediamo quello che si vede dalla classe • Per esempio da main: Bank. Account. codice=1; (accesso legale) Bank. Account. balance=1; (accesso illegale)

Path Oggetto • Vediamo quello che si vede dall’oggetto • Per esempio da main: Bank. Account p 1=new Bankaccount(1000); p 1. codice=1; (accesso legale) p 1. balance=1; (accesso legale)

Conclusione • La coesistenza di nomi statici e d’istanza complica il linguaggio • Nelle prossime lezioni vedremo come estendere le regole della semantica di FP in modo da trattare espressioni del tipo Path. I(List. P)