TEMA 2. DISEÑO Y PARADIGMAS DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN.

1. TEMA 2.DISEÑO Y PARADIGMAS DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN. Lecciones 3,4,5,6,7,8

2. Precedentes (I) • El diseño de lenguajes es un problema complejo • En los lenguajes de programación hay muchos errores de diseño • Se han considerado ideas erróneas • FORTRAN • uso del GOTO • declaración implícita de variables • COBOL • Sentencias demasiado largas • Farragoso de escribir y leer • Uso del GOTO • APL • si puede significar algo, lo significa • LISP • una sintaxis simple es más fácil de aprender • Los paréntesis dificultan escribir programas • La lectura es compleja por una sintaxis demasiado homogénea

3. Precedentes (II) • C • el programador sabe lo que hace • Obtener direcciones de variables locales • Printf no comprueba el tipo y número de los argumentos • C++ • se puede extender C al paradigma orientado a objeto (demasiados compromisos de compatibilidad) • Uso intensivo de apuntadores a objetos • Lenguaje demasiado complicado • Un lenguaje se puede utilizar para todo tipo de desarrollo de software • Aun con muchos errores de diseño es importante estudiar los lenguajes de programación existentes ya que aportan muchas ideas

4. Consideraciones Preliminares • ¿Cual es el propósito del lenguaje? • No hay un lenguaje bueno para todo • Aplicación específica • Bases de datos, sistemas expertos, cálculo numérico, programación simbólica, diseño algorítmico, etc. • ¿Es necesario diseñar un nuevo lenguaje? • Ya existe un lenguaje apropiado • El nuevo lenguaje se diferencia de los existentes • Se consume demasiado tiempo en el diseño e implementación de un nuevo lenguaje • Es demasiado fácil diseñar un lenguaje incompleto • Lenguaje demasiado especializado • Sacrificar características del lenguaje por un compilador simple. • Otras opciones • Un modulo o librería de funciones • Ampliar un lenguaje de programación

5. Fuentes de Ideas • Lenguaje natural (COBOL) • Fácil de leer y escribir • Ambiguo • Solo se puede implementar un subconjunto • Lenguajes matemáticos (APL) • No ambiguos • Crípticos • La programación no es matemáticas • Lenguajes de programación • Errores de diseño (pasado) • Hay que valorar cada característica de un lenguaje existente antes de incluirla en el nuevo lenguaje • Pruebas y experimentos • Programar con el lenguaje antes de haber acabado su diseño • Sirve para detectar los problemas del diseño y tomar decisiones difíciles.

6. Objetivos y Filosofías de Diseño • Comunicación humana • Prevención y detección de errores • Usabilidad • Efectividad • Compilabilidad • Eficiencia • Independencia de la máquina • Simplicidad • Uniformidad • Ortogonalidad • Generalización y especialización • Otras filosofías de diseño

7. Comunicación humana (I) • Se busca una comunicación eficiente entre el programador y el ordenador • Un buen nivel de comunicación se da cuando los programas son leíbles • No ha de ser necesaria una documentación externa al programa (minimizar) • Es más importante que un programa sea leíble que escribible • Un programa se escribe una vez, pero se lee muchas durante su depuración, documentación y mantenimiento. • Tendencia actual a separar la interfaz de la implementación de un módulo • La sintaxis ha de reflejar la semántica • Reducir las manipulaciones implícitas • Coerciones (coerciones de PL/I o C) • ON de BASIC para eventos o excepciones • Constructores y destructores de C++ (necesarios, pero complican el seguimiento del flujo de ejecución)

8. Comunicación humana (II) • El lenguaje ha de representar los patrones de pensamiento humanos • No hay que crear una sintaxis pensada exclusivamente para • un modelo de cómputo teórico (l-calculus) • un conjunto de instrucciones de la máquina • facilitar la compilación (forth) • El programador no es un ordenador • Que el compilador entienda una estructura es posible que el programador no • Evitar incluso la posibilidad de escribirlas • Reducir el conocimiento contextual • El programador no funciona con una pila como el programa compilado.

9. Prevención y detección de errores • El programador comete errores • Hay que prevenir los errores • El programador es su fuente • El programador no sabe lo que hace y el compilador ha de limitar sus acciones (EUCLID, PASCAL) • Hacer imposible cierto tipo de errores • Ejecutar datos -> control de flujo limitado • Errores en el uso de datos -> Tipado fuerte • Apuntadores erróneos -> Gestión de memoria implícita (LISP, PROLOG, ML, etc). • Hay que facilitar su detección, identificación y corrección • Redundancia • Tener que declarar antes de utilizar. • Evitar coerciones inductoras de errores • float a int por su perdida de precisión • Comprobaciones en tiempo de ejecución • Indice de array fuera de limites • Control sobre los apuntadores a NULL

10. Lenguaje Utilizable y Efectivo • Un lenguaje ha de ser fácil de utilizar • Un lenguaje ha de ser fácil de aprender y recordar • Evitar la necesidad de consultar el manual (C++ no cumple) • Lenguaje simple (C++ no cumple) • Aprendizaje incremental (PROLOG no cumple, LISP si cumple) • El comportamiento del lenguaje ha de ser predecible • el uso de void* de C++ es incomprensible • Efectividad • Los detalles de implementación no han de oscurecer las intenciones del programador • Soportar abstracción • Modularidad: Separar especificación de implementación • Los Efectos de un cambio han de quedar localizados • Evitar los trucos (programas ilegible)

11. Otras filosofías de diseño • Compilabilidad • Se ha de poder compilar programa en un tiempo reducido • Se ha de poder depurar o aplicar otras herramientas de análisis • Eficiencia: La ejecución ha de ser rápida • Independencia de la máquina • Simplicidad • Uniformidad: lenguaje predecible • Ortogonalidad • Todas las características del lenguaje se han de poder combinar • Generalización y especialización • La generalización dice que algo similar también es correcto, pero es difícil de implementar • Hay que especializar para facilitar la implementación sin perder la utilidad del lenguaje

12. Diseño Detallado • Microestructura • Estructura de las expresiones • Estructuras de datos • Estructuras de control • Estructura de compilación • Estructura de la entrada/salida

13. Reducción del Tamaño

14. Pragmatismo

15. Ejemplos: Lenguajes de Programación y su Diseño • El lenguaje C • Aplicación: programación de sistemas • Programador: experto • Sacar el mayor rendimiento posible del ordenador • PASCAL • Aplicación: docencia • Programador: inexperto • LISP • Aplicación: procesamiento simbólico • Desarrollo rápido • PROLOG • Aplicación: procesamiento simbólico • Programación lógica • Desarrollo rápido

16. El Lenguaje C (I) • Lenguaje pensado para el desarrollo de sistemas operativos (unix) • Rendimiento/velocidad de ejecución • Programador experto • Código compacto • Redimiento/Velocidad de ejecución • Operaciones básicas simples • Apuntadores • uso para los strings y arrays • Estructuras de datos referenciadas por apuntadores (paso por referencia explícito) • Gestión de memoria explícita • En las primeras versiones las funciones solo retornan datos que puedan ir en un registro del procesador • Optimización explícita • Incremento y decremento • Operaciones con asignación incluida • variables register

17. El Lenguaje C (II) • En contra de la velocidad • Cálculos en coma flotante con la máxima precisión posible • Programador experto • Amplio uso de coerciones • Implícitas • char -> int -> double • double <- int <.- char • void* -> tipo*, tipo* -> void* • Explícitas • El programador puede convertir cualquier tipo de datos en cualquier otro. • int -> void* • Flujo de ejecución • break y continue • goto local • long jump • Obtención de direcciones • Se puede obtener la dirección de cualquier variable aunque esta sea local

18. El Lenguaje C (III) • Prioridades de operadores complejas • Casi cualquier combinación de operadores es aceptada por el compilador • Otras cuestiones • Falta de un método por defecto para la gestión de excepciones • Códigos de error retornados por las funciones de la librería que continuamente ha de verificar el programa • Faltan comentarios de una línea • Palabras clave con diferentes significados según el contexto • static • Semántica ambigua • Incrementos en una expresión • Métodos para la escritura de programas transportables soportados por el programador • Compilación condicional • sizeof

19. El Lenguaje C (IV) • Sintaxis de los comentarios confundible (A=b/*p) • Código compacto • La mayor parte de las instrucciones se traducen a unas pocas instrucciones de código máquina • Faltan instrucciones de alto nivel • Strings • Tratamiento por apuntadores • Gestión explicita de la memoria • Considerar continuamente si la reserva de memoria es suficiente • No hay copia de datos compuestos • Asignación array a array

20. PASCAL • Docencia • Estructura muy rígida de los programas • Un buen nivel de abstracción • Transportable • Lenguaje simplificado • Falta de módulos y librerías • Librería básica muy limitada • Escritura farragosa de los programas • Minimización del uso de coerciones • Todo lo que hace el programa se indica explícitamente • Pensado para la resolución de problemas por subdivisión • Definiciones anidables de funciones y procedimientos • Tipado fuerte

21. LISP • Sintaxis demasiado simple • Difícil escritura y lectura de los programas • Comprobaciones semánticas en tiempo de ejecución • Variables declaradas • Tipos de datos • Enfoque pragmático • Programación imperativa y funcional • Orientado a optimizar el desarrollo frente a la velocidad de ejecución • Gestión de memoria implícita • Uso de listas para todo • Amplia librería de funciones • Diseño por etapas • Funciones repetidas • setq y setf • Parches para mantener compatibilidad • forma de creación de los places

22. PROLOG • Programación declarativa y lógica • Implementación del cálculo de predicados • Faltan funciones (l-prolog) • Difícil modularidad • Un método de programación demasiado alejado de la programación habitual • Gramática de operadores extensible • Totalmente transportable • Modulariza las búsquedas • Convierte los bucles de una búsqueda en una secuencia lineal de aplicación de predicados

23. C++ • Orientación a objeto de C • Mantener la compatibilidad con C • Uso masivo de apuntadores • Tratamiento de excepciones no soportado por las librerías estándar • Rendimiento • Complica el lenguaje • Static en métodos • Métodos virtuales y no virtuales • Templates • Destructores por gestión de memoria explícita • Apuntadores y referencias • Otros • comentarios de una línea fáciles de escribir y leer (repetición de //) • Implementación parcial de las coerciones

24. ADA • Lenguaje pensado para grandes proyectos de software • Facilitar el uso de librerías • Interfaz separa de la implementación del módulo • Control exhaustivo sobre la interfaz • Fácil lectura y detección de posibles bugs • Sintaxis de las instrucciones de control de flujo con marcadores claros de inicio y fin (If then else end if) • Etiquetas visibles <<etiqueta>> • Coerciones explicitas • Reducción de los errores • Definición de excepciones para controlar errores de ejecución • Acceso a array fuera de rango • Un case del que no se selecciona ninguna opción • Atributos asociados a las variables: • un array tiene asociado el atributo de su tamaño

25. Opciones en el Diseño (I) • Sintaxis de control de flujo • Instrucción compuesta • C, PASCAL (for (;;) ; {...} • Instrucciones de control de flujo con claros marcadores de inicio y fin • ADA • Instrucción vacía • Explicita ADA (null) • Implícita C, PASCAL (; o nada) • Lenguaje orientado a • Instrucción: ADA, PASCAL • Expresión: C, funcionales • Marcadores de las estructuras sintácticas • Si: PASCAL, ADA • No: C, C++ • Expresiones • Riqueza de operadores C, C++ • Pobreza de operadores PASCAL, ADA

26. Opciones en el Diseño (II) • Sistema de tipos • No tipado: LISP, BASIC • Tipado: C, PASCAL, ADA, etc. • Código genérico • Datos marcados con su tipo en ejecución • Tipos paramétricos • templates • Gestión de memoria • Explicita: C, PASCAL, ADA • Velocidad • Implícita: LISP, PROLOG, Java, funcionales • Simplicidad • Gestión de errores de ejecución • Responsabilidad del programador: C, C++ • Responsabilidad del lenguaje ADA • Excepciones sin declarar C++ • Excepciones declaradas Java

27. Opciones en el Diseño (III) • Estructura declaraciones • Rígida: PASCAL, ADA • Poco rígida: C • Libre: C++ • Ámbitos • Expresión LISP • Instrucción compuesta C, C++, Java • Función C, C++, PASCAL, ADA • Espacios de nombres • Clases • Paquetes • Módulos • Coerciones • Explicitas: ADA • Pocas implícitas: PASCAL • Muchas implícitas: C, C++

28. Lección 5. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN. Valores. Almacenamiento. Ligaduras. Abstracción.

29. Lección 6. SISTEMAS DE TIPOS Y LENGUAJES IMPERATIVOS. Monomorfismo. Polimorfismo. Tipos Paramétricos. Inferencia de Tipos. Coerciones. Subtipos. Flujos de control. Excepciones.

30. Lección 7. ENCAPSULACIÓN Y PARADIGMAS DE OBJETOS. PROGRAMACIÓN FUNCIONAL Y PROGRAMACIÓN LÓGICA. Tipos abstractos. Objetos. Clases. Herencia. Funciones. Pattern matching. Valores y tipos. Funcionales. Programación lógica. Cláusulas, relaciones y términos. Concepto de mundo cerrado.

31. Lección 8. CONCURRENCIA. ENTRADA, SALIDA Y FICHEROS. Paradigmas concurrentes de alto nivel (Rendezvous). Entrada / salida incluida en las primitivas del lenguaje o en bibliotecas de funciones. Tipos de datos y la entrada / salida. Conceptos de entrada / salida en un lenguaje. Ejemplos: Pascal, C, C++.

33. Lección 3. OBJETIVOS Y FILOSOFÍAS DE DISEÑO. Consideraciones preliminares. Fuente de ideas. Comunicación humana. Prevención y detección de errores. Utilizabilidad. Programación efectiva. Compilabilidad. Eficiencia. Independencia del hardware. Simplicidad. Uniformidad. Ortogonalidad.

34. Lección 4. CONSIDERACIONES PRACTICAS. Generalización y especialización. Reducción de tamaño. Pragmatismo. Metodología.

35. Lección 5. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN. Valores. Almacenamiento. Ligaduras. Abstracción.

36. Lección 6. SISTEMAS DE TIPOS Y LENGUAJES IMPERATIVOS. Monomorfismo. Polimorfismo. Tipos Paramétricos. Inferencia de Tipos. Coerciones. Subtipos. Flujos de control. Excepciones.

37. Lección 7. ENCAPSULACIÓN Y PARADIGMAS DE OBJETOS. PROGRAMACIÓN FUNCIONAL Y PROGRAMACIÓN LÓGICA. Tipos abstractos. Objetos. Clases. Herencia. Funciones. Pattern matching. Valores y tipos. Funcionales. Programación lógica. Cláusulas, relaciones y términos. Concepto de mundo cerrado.

38. Lección 8. CONCURRENCIA. ENTRADA, SALIDA Y FICHEROS. Paradigmas concurrentes de alto nivel (Rendezvous). Entrada / salida incluida en las primitivas del lenguaje o en bibliotecas de funciones. Tipos de datos y la entrada / salida. Conceptos de entrada / salida en un lenguaje. Ejemplos: Pascal, C, C++. • Lección 5. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN. Valores. Almacenamiento. Ligaduras. Abstracción.