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Paradigmas de Linguagens de Programação

Augusto Sampaioacas@cin.ufpe.br

http://www.cin.ufpe.br/~acas

Recife, primeiro semestre de 2013

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 presentados

• 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 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 (de até 4 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

– http://www.mozart-oz.org/– 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 Linguagense

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

Modelo Computacional do Paradigma Imperativo

Entrada Programa Saída

Estado

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

......

......

Estado

Entrada Programa Saída

Estado

Entrada Programa Saída

Estado

Entrada Programa Saída

Estado

Entrada Programa Saída

Vantagens do Paradigma Orientado a objetos

• Todas as do estilo imperativo• Classes estimulam projeto

centrado em dados: modularidade, reusabilidade 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, uma aplicação é estruturada em 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

AspectosEntrada Programa Saída

Estado

......

......

Estado

Entrada Programa Saída

Estado

Entrada Programa Saída

Estado

Entrada Programa Saída

Estado

Entrada Programa Saída

AspectoAspecto

AspectoAspecto

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 a relação

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, ...

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• 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• ...

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 1a., 2a., 3a. 4a. e 5a. gerações

• Programação seqüencial versus concorrente

• Programação linear versus programação visual (visual programming)

• ...

Smalltalk C PROLOG

1980....................Ada...........DBASE-II..................................................

1990.....................................................................Haskell..........Godel...

1950........................................................................................................

FORTRAN1960.......................ALGOL-60...........COBOL......LISP.........................

SIMULA ALGOL-68 PL/I BASIC 1970..................Pascal............................................................................

Modula-2 ML

MirandaEifell C++

Delphi Java C#

Imperativo Funcional LógicoOrientado a objetos

Um breve histórico

Erlang F#Erlang F#

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)