EA869 Algoritmos: estruturas de dados  e linguagens de programação 

 

 

 

 

 

  

Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) 

Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)  

Prof. Levy Boccato 

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Introdução  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Problema Computável  COMPLEXIDADE 

Encontro solução em tempo factível? 

ORDEM DE COMPLEXIDADE DO ALGORITMO 

O melhor algoritmo é  

O(cn) ou maior Problema Não­tratável 

O(cn) ou maior, mas não se sabe se é a melhor 

solução 

Problema NP 

O(nc) ou menor Problema P 

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?   

É preciso descrever ou expressar  todos os seus passos segundo uma linguagem.  

 

 

Uma vez escrito nesta  linguagem, o algoritmo precisa  ser  traduzido 

para um formato inteligível à máquina incumbida de sua execução.  

 

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Linguagens de programação 

Processo de execução de um programa 

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.  

 

 

 

 

 

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1010100010110101 0101110101010101 0101011101010101 1010101010101011 0101010101011110 

Palavra de 16 bits 

Instrução É fácil e eficiente programar em linguagem de máquina? 

Linguagem de máquina  Vejamos um exemplo bastante simples: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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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. 

Linguagem de máquina  Exemplo: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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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  (complementa B) sb ← 0  (seleciona o complemento de B) la ← 1  (armazena o resultado em A) 

Linguagem simbólica  Como poderíamos tornar o código mais compreensível ao programador? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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1010100010110101 

0101110101010101 

0101011101010101 

1010101010101011 

0101010101011110 

MOV R1, R2 

MOV R1, #4 

CMP  R1, #4 

BEQ  FIM 

FIM: ADD R1, R1, 1 

Linguagem simbólica (Assembly) 

Substitui  o  código  de  máquina por  símbolos  mais  próximos  da linguagem humana.  

Continua  sendo  muito  próxima do hardware.  

Trata­se  de  uma  linguagem dependente  da  arquitetura  do computador (hardware).  

O código precisa ser interpretado, isto  é,  convertido  ao  formato binário  para  ser  executado  pelo computador.    

Quais as vantagens e desvantagens 

desta linguagem? 

Etapa de montagem – veremos no final do curso 

Linguagem simbólica  Breve história da linguagem Assembly 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Década de 50

Programas eram escritos em linguagem de 

máquina 

Assembly surge para facilitar a programação 

Década de 70/80

Surgimento das linguagens de alto nível 

Assembly passou a ser pouco usada 

Década de 90 até hoje

“Era dos microprocessadores” e sistemas embarcados 

Assembly “volta” na busca de desempenho 

e velocidade 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Mar-14 Mar-13 Change Programming Language Ratings Change1 2 C 17.54% 0.39%2 1 Java 16.41% -1.75%3 3 Objective-C 12.14% 1.91%

4 4 C++ 6.31% -2.80%5 5 C# 5.57% -1.02%6 6 PHP 3.70% -1.11%7 7 (Visual) Basic 2.96% -1.65%

8 8 Python 2.02% -2.37%9 11 JavaScript 1.90% 0.53%

10 16 Visual Basic .NET 1.86% 0.97%

11 17 Transact-SQL 1.48% 0.64%

12 69 F# 1.22% 1.14%13 10 Perl 1.15% -0.81%14 9 Ruby 0.97% -1.18%15 15 Delphi/Object Pascal 0.88% -0.01%

16 13 Lisp 0.75% -0.19%17 30 D 0.74% 0.40%18 20 Assembly 0.73% 0.10%19 14 PL/SQL 0.71% -0.21%20 23 MATLAB 0.69% 0.07%

Linguagem simbólica  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Porque aprender a linguagem Assembly? 

Acesso direto e controle total do 

hardware 

Programas exigem menos memória e são 

menores  

Muitas aplicações industriais são feitas em 

Assembly 

Mais eficiente – não gera códigos supérfluos 

Possibilidade de desenvolver rotinas mais eficazes e incorporá­las a programas de alto nível 

Facilita a programação em alto nível 

Linguagem simbólica  O que é preciso saber para programar em Assembly? 

 

Conhecer  detalhes  do  hardware:  organização  da  memória, registradores, periféricos, arquitetura etc. 

 

Trabalhar fluentemente com representação binária:  Números negativos. 

Condições de overflow. 

Ponto flutuante. 

 

Aprender o conjunto de instruções do processador.  

 

 

 

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Linguagens de alto nível E como poderíamos pensar em uma linguagem executável em qualquer

máquina e mais próxima da linguagem humana?

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MOV R1, #0LOOP: ADD R1,R1, #1

CMP R1, #4BNE LOOP

FIM: ADD R1, R1, #1

public classExemploDeFor {          public static void main(String[] args) {                  for (int i = 0; i < 4; i++){                       System.out.println("Indice "+i);                  }          }  } 

Linguagens de alto nível

Possuem uma semântica mais amigável ao usuário.

Distante do código de máquina e muito próximo da linguagem humana.

Exemplos: C, C++, C#, Java, Ruby, Python, Lisp, Prolog etc.

Podem ser do tipo procedimental (descreve passo a passo) ou declarativa (descreve fatos e regras e busca uma solução lógica).

ARM

Linguagens de alto nível  Existem também  linguagens especiais voltadas à aplicação e para outros 

propósitos. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Linguagens voltadas à aplicação 

Alguns exemplos: 

• Aplicações matemáticas: Matlab 

• Linguagens esotéricas: 

• Voltadas a inteligência artificial: Prolog, Lisp 

HAI CAN HAS STDIO? VISIBLE "OLÁ MUNDO!" KTHXBYE

LOLcode  Piet 

++++++++++[>++++++++>+++++++++++  >­­­­­­­­­­>+++>++++++++>+++++++ +++++>+++++++++++>++++++++++>+++ ++++++++>+++<<<<<<<<<<­]>­.>­­.>  ++++.>++.>­­­.>­­­.>.>.>+.>+++.,

Brainfuck 

Processo de execução  Uma  vez  escolhida  uma  linguagem  de  programação  e escrito o código, como ele é executado? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Problema  Algoritmo 

Programa de alto nível 

Programa em linguagem de 

máquina 

Execução 

resolução  NÍVEL CONCEITUAL 

tradução 

compilador montador 

HIERARQUIA DE 

LINGUAGENS 

decodificação 

HARDWARE (circuitos e sinais físicos) 

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.  

 

 

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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: 

Vetor 

Fila 

Pilha 

Árvore 

 

 

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Estruturas de dados  Suponha que certo algoritmo precise acessar a nota de um aluno 

dado o seu RA. Como os dados devem ser organizados? 

Solução: uma lista cujo índice seja o RA e o conteúdo as notas 

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.  

Com  isto,  temos  acesso  aleatório  (“direto”)  e  o  tempo  de  acesso  a qualquer elemento é idêntico.  

 

 

 

 

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Leitura – vetor(i) 

• i é fornecido 

• elemento ← vetor(i) 

Escrita – vetor(i) 

• i é fornecido 

• vetor(i) ← elemento 

Estruturas de dados  Considere  um  algoritmo  que  deve  gerenciar  o  atendimento 

telefônico  de  um  call  center.  Como  os  dados  devem  ser organizados? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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c1 

c2 

c3 

c4 

c5 

c0  REGISTRO DE DADOS 

c6 

Estruturas de dados  Fila:  o  acesso  aos  elementos  da  fila  é  realizado  através  das 

posições  “entrada”  e  “saída”  –  as  demais  posições  não  são visíveis. 

Estrutura do tipo FIFO (first in, first out). 

Acesso: através de dois apontadores. 

Manipulação: apenas a entrada e a saída são visíveis. 

 

 

 

 

 

 

Fila cheia: índice de entrada i > índice máximo da fila. 

Fila vazia: índice de entrada i = índice de saída j. 

 

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Leitura – posição “saída” 

• elemento ← f(j) 

• atualiza índice de saída j 

Escrita – posição “entrada” 

• f(i) ← elemento 

• atualiza índice de entrada i 

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? 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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(1) 

(2) 

Devo retornar à página mais recentemente visitada. 

Estruturas de dados  Pilha:  o  acesso  aos  elementos  da  pilha  é  realizado  através  da 

mesma  posição  (entrada  =  saída)  –  as  demais  posições  não  são visíveis. 

Estrutura do tipo LIFO (last in, first out). 

Acesso: através de um único apontador. 

 

 

 

 

 

 

Pilha cheia: i > índice da última posição da pilha. 

Pilha vazia: i = índice da primeira posição da pilha. 

i  sempre aponta para a próxima posição livre da pilha. 

 

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Leitura 

• atualiza o índice i 

•elemento ← p(i) 

Escrita 

• p(i) ← elemento 

• atualiza o índice i 

Estruturas de dados  Árvore: 

Estrutura:  cada  célula  contém  um  dado  e  apontador  para  a(s) próxima(s) célula(s). As células não precisam ser homogêneas.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Manipulação: flexível, com início pela raiz. 

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dados apontador célula:

Estruturas de dados  Árvore: 

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.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Leitura – célula j 

• navegar na estrutura até célula j 

• elemento ← dados da célula  

Escrita –célula j 

• navegar na estrutura até célula j 

• dados da célula ← elemento 

Créditos   

 

 

 

 

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