Paradigmas de Linguagens de Programao Augusto Sampaio acascin

Paradigmas de Linguagens de Programação Augusto Sampaio acas@cin. ufpe. br http: //www. cin. ufpe. br/~in 1007 (e SIGAA) Recife, primeiro semestre de 2020

Objetivos Análise crítica de paradigmas e linguagens de programação: • Visão geral dos paradigmas imperativo, orientado a objetos e funcional • Discutir alternativas de projeto de linguagens • Estudo de linguagens através de ambientes de execução (interpretação)

Tópicos a serem apresentados • Visão geral de linguagens e paradigmas • Uma linguagem de expressões e sua implementação em Java • Introdução à programação funcional • Implementando funções • Uma linguagem de comandos

Tópicos a serem apresentados • Implementando estruturas de controle, I/O e atribuição • Procedimentos e passagem de parâmetros • Implementando procedimentos • Tipos abstratos de dados • Implementando tipos abstratos de dados e classes • Implementando subtipos e herança • Outros conceitos, linguagens e paradigmas apresentados nos projetos

Metodologia de Ensino • A ênfase do curso é em conceitos • Java será utilizada como uma ferramenta prática de apoio – para ilustrar o paradigma OO – como meta-linguagem para construir interpretadores • Os conceitos estudados serão sedimentados através da implementação incremental de construções de linguagens dos diversos paradigmas

Avaliação • 2 projetos em equipe (2 pessoas) a serem realizados durante o decorrer do curso, ou um único projeto de maior complexidade • Prova explorando aspectos conceituais e de implementação das construções • Os projetos valem 50% e a prova 50% da média final

Bibliografia – Conceitos e Paradigmas de Programação via Projeto de Interpretadores. Augusto Sampaio e Antônio Maranhão – Programming Language Design Concepts, David Watt and W. Findlay, John Wiley & Sons • Programming Language Concepts and Paradigms, David Watt, Prentice Hall – Programming Language, An Interpreter-Based Approach, Samuel Kamin, Addison Wesley – https: //mozart. github. io/ – Concepts, techniques and models of computer programming, Peter Van Roy and Seif Haridi – Introduction to Functional Programming, R. Bird and P. Wadler, Prentice Hall – Seu livro favorito sobre Java (Java 1. 5 ou posterior)

Visão Geral de Linguagens e Paradigmas de Programação

O que caracteriza uma Linguagem de Programação? • Gramática e significado bem definidos • Implementável (executável) com eficiência ‘‘aceitável’’ • Universal: deve ser possível expressar todo problema computável • Natural para expressar problemas (em um certo domínio de aplicação)

Aspectos do estudo de linguagens • • Sintaxe: gramática (forma) Semântica: significado Pragmática (ex. : metodologias) Processadores: compiladores, interpretadores, editores, ambientes visuais. . .

Por que tantas linguagens? • • Propósitos diferentes Avanços tecnológicos Interesses comercias Cultura e background científico

O que é um paradigma de programação? • Modelo, padrão ou estilo de programação suportado por linguagens que agrupam certas características comuns • A classificação de linguagens em paradigmas é uma conseqüência de decisões de projeto que impactam radicalmente a forma na qual uma aplicação real é modelada do ponto de vista computacional

O Paradigma Imperativo • Programas centrados no conceito de um estado (modelado por variáveis) e ações (comandos) que manipulam o estado • Paradigma também denominado de procedural, por incluir subrotinas ou procedimentos como mecanismo de estruturação • Primeiro paradigma a surgir e ainda é o dominante em aplicações “legadas”

Modelo Computacional do Paradigma Imperativo Entrada Programa Estado Saída

Vantagens do modelo imperativo • Eficiência (embute modelo de Von Neumann) • Modelagem “natural” de aplicações do mundo real • Paradigma dominante e bem estabelecido

Desvantagens do paradigma imperativo • Relacionamento indireto entre E/S resulta em: – difícil legibilidade – erros introduzidos durante manutenção – descrições demasiadamente operacionais focalizam o como e não o que

O Paradigma Orientado a Objetos • Não é um paradigma no sentido estrito: é uma subclassificacão do imperativo • A diferença é mais de metodologia quanto à concepção e modelagem do sistema • A grosso modo, uma aplicação é estruturada em módulos (classes) que agrupam um estado (atributos) e operações (métodos) sobre este • Classes podem ser estendidas e/ou usadas como tipos (cujos elementos são objetos)

Modelo Computacional do Paradigma Orientado a Objetos Entrada Programa Saída Estado . . . Saída . . . Entrada Programa Estado . . . Saída

Vantagens do Paradigma Orientado a objetos • Todas as do estilo imperativo • Classes estimulam projeto centrado em dados: modularidade, reuso e extensibilidade • Aceitação comercial crescente

Problemas do Paradigma OO • Semelhantes aos do paradigma imperativo, mas amenizadas pelas facilidades de estruturação

O Paradigma Orientado a Aspectos • Não é um paradigma no sentido estrito • A diferença é mais de metodologia quanto à concepção e modelagem do sistema • É uma nova forma de modularização: – Para “requisitos” que afetam várias partes de uma aplicação

O Paradigma Orientado a Aspectos • A grosso modo, além dos elementos de uma linguagem OO, uma aplicação possui módulos (aspectos) que agrupam pontos de interceptação de código (pointcuts) que afetam outros módulos (classes) ou outros aspectos, definindo novo comportamento (advice) • Aspectos podem ser estendidos e/ou usados como tipos

Modelo Computacional do Paradigma Orientado a Aspectos Entrada Aspecto Programa Saída Estado Entrada Programa Saída Estado . . . Saída . . . Entrada Programa Estado . . . Saída Aspecto Saída

Vantagens do Paradigma Orientado a Aspectos • Todas as do paradigma OO • Útil para modularizar conceitos que a Orientação a Objetos não consegue (crosscutting concerns) – Em especial, aqueles ligados a requisitos não funcionais • Aumenta a extensibilidade e o reuso

Problemas do Paradigma Orientado a Aspectos • Semelhantes aos do OO • Ainda é preciso diminuir o acoplamento entre classes e aspectos • Problemas de conflito entre aspectos que afetam a mesma classe

O Paradigma Funcional • Programas são funções que descrevem uma relação explícita e precisa entre E/S • Estilo declarativo: não há o conceito de estado nem comandos como atribuição • Conceitos sofisticados como polimorfismo, funções de alta ordem e avaliação sob demanda • Aplicação: prototipação em geral, IA, concorrência, core de várias soluções. . .

Modelo Computacional do Paradigma Funcional Entrada Programa Saída

Visão Crítica do Paradigma Funcional • Vantagens Manipulação de programas mais simples: - Prova de propriedades - Transformação (exemplo: otimização) - Concorrência explorada de forma natural • Problemas “O mundo não é funcional!” Implementações ineficientes Mecanismos primitivos de E/S e formatação

O Paradigma Lógico • Programas são relações entre E/S • Estilo declarativo, como no paradigma funcional • Abstração: não determinismo • Na prática, inclui características imperativas, por questão de eficiência • Aplicações: prototipação em geral, sistemas especialistas, banco de dados, . . .

Modelo Computacional do Paradigma Lógico Entrada Programa Saída

Visão Crítica do Paradigma Lógico • Vantagens Em princípio, todas do paradigma funcional Permite concepção da aplicação em um alto nível de abstração (através de associações entre E/S) • Problemas Em princípio, todos do paradigma funcional Linguagens usualmente não possuem tipos, nem são de alta ordem

Outros “Paradigmas” • Agentes • Linguagens de domínio específico – Sustainable software (“energy aware”) – Safety assurance –. . . • Blockchain (? ) • Linguagens de programação Quântica (Quantum Programming Languages) • . . .

Outros “Paradigmas”? • • Desenvolvimento baseado em componentes? Linhas de produtos de software? Desenvolvimento de sistemas? Cyber Phisycal Systems? . . . Paradigmas de desenvolvimento, não de programação!

Tendência: integração de paradigmas • A principal vantagem é combinar facilidades de mais de um paradigma, aumentando o domínio de aplicação da linguagem • Exemplos: linguagens lógicas ou funcionais com o conceito de estado e comandos • A integração deve ser conduzida com muita cautela, para que não se viole os princípios básicos de cada paradigma.

Outras Classificações • Linguagens de 1 a. , 2 a. , 3 a. 4 a. e 5 a. gerações • Programação seqüencial versus concorrente • Programação linear versus programação visual (visual programming) • Metaprogramação e reflexão • Linguagens de script • . . .

Um breve histórico 1950. . . . . . . FORTRAN 1960. . . ALGOL-60. . . COBOL. . . LISP. . . SIMULA ALGOL-68 PL/I BASIC 1970. . . . Pascal. . . . . Smalltalk C PROLOG Modula-2 ML 1980. . . . . Ada. . . DBASE-II. . . Miranda Eifell C++ 1990. . . . . Haskell. . Godel. . . Common. LISP Erlang F# Delphi Java Python Ruby Lua 2000. . . C#. . . . . . Orientado a objetos Imperativo Funcional Lógico

Um breve histórico • Para mais detalhes, inclusive de versões das linguagens: – http: //www. levenez. com/lang/

Evolução centrada em níveis crescentes de abstração • Linguagens de máquina – Endereços físicos e operation code • Linguagens Assembly – Mnemônicos e labels simbólicos • Linguagens de “alto nível” – Variáveis e atribuição (versus acesso direto à memória) – Estruturas de dados (versus estruturas de armazenamento)

Evolução centrada em níveis crescentes de abstração – Estruturas de controle (versus jumps e gotos) – Estrutura de blocos como forma de encapsulamento – Generalização e parametrização (abstração de tipos de valores) – Classes, processos, aspectos, . . .

Leitura • Programming Language Design Concepts – Capítulo 1