Trabalho de Conclusão de Curso

Implementação de Tipos Abstratos de Dados no Ambiente FURBOL

Autor: André Luís GarliniOrientador: José Roque Voltolini da Silva

Roteiro

• Introdução

� Objetivos do trabalho

• Fundamentação teórica

• Desenvolvimento

� Requisitos do sistema

� Especificação

� Implementação

� Operacionalidade

• Conclusões

Trabalho de Conclusão de Curso

Introdução

Introdução

• Linguagem de Programação (LP)

Serve como meio de comunicação entre o individuo que deseja resolver um problema e o computador escolhido para ajudá-lo na solução.

• Compiladores

Para realizar esta comunicação entre o individuo e o computador existem programas chamados de compiladores.

• Tipos Abstratos de Dados (TADs)

Toda LP apresenta seu próprio conjunto de símbolos e regras para formação de programas. Algumas oferecem a possibilidade da criação de TADs definidos pelo usuário.

• FURBOL

É uma LP desenvolvida na FURB que ainda não oferece suporte a TADs.

• Objetivo do trabalho

Este trabalho propõe-se a estender o FURBOL, a partir da implementação de Silva (2002), adicionando o suporte a TADs.

Objetivos do trabalho

• O objetivo deste trabalho é estender a LP FURBOL.

• O objetivo específico do trabalho é adicionar a possibilidade da criação de TADs pelos usuários do FURBOL.

Trabalho de Conclusão de Curso

Fundamentação teórica

Paradigmas de linguagens de programação

• Conjunto de características que servem para categorizar um grupo de LPs

Fonte: Varejão (2004, p. 17).

• Imperativo� Especificam como o computador deve realizar uma tarefa.� Orientação a objetos – Evolução dos TADs.

• Declarativo� Especificam o que é a tarefa a ser realizada.

Tipos Abstratos de Dados

• Conjuntos de valores (atributos) e operações executadas sobre esses valores (métodos). Exemplo - classe em C++ (sem herança/polimorfismo).

• Algumas vantagens

� Diminui a complexidade dos programas.

� Abstração. Representação interna fica “escondida” do usuário do TAD.

• Quatro tipos de operações

� Construtoras – inicializam os valores do TAD.

� Consultoras – usadas para obter informações do TAD.

� Atualizadoras – permitem a alteração dos valores do TAD.

� Destrutoras – qualquer atividade de finalização do TAD.

Exemplo de TAD

class pilha {private: //** Estes membros são visíveis somente a outros membros

//** e amigosint *ptr_pilha ;int tam_max ;int top_ptr ;

public: //** Estes membros são visíveis aos clientespilha () { //** Um construtor

ptr_pilha = new int [ 100 ];tam_max = 99;top_ptr = -1;

}~pilha () {delete [] ptr_pilha;}; //** Um destrutor~pilha () {delete [] ptr_pilha;}; //** Um destrutorvoid push (int numero) {

if (top_ptr == tam_max)cout << “Erro no pop – a pilha esta cheia\n”;

else ptr_pilha[++top_ptr] = numero;}void pop () {

if (top_ptr == -1)cout << “Erro no pop – a pilha esta vazia\n”;

else top_ptr--;}int top () {return (ptr_pilha[top_ptr]);}int empty () {return (top_ptr == -1);}

}

Fonte: adaptado de Sebesta (2000, p. 408-409).

Compiladores

• Programa tradutor que mapeia programas escritos em uma LP de alto nível para programas equivalentes em linguagem simbólica (assembly) ou linguagem de máquina.

• Etapas

� Análise léxica – faz a leitura do programa fonte e o traduz em símbolos léxicos (tokens). Exemplos - identificadores e palavras reservadas.

� Análise sintática – verifica se as construções usadas no programa estão gramaticalmente corretas.

� Análise semântica – determina se as estruturas sintáticas analisadas fazem sentido. Exemplo – compatibilidade entre operandos de uma expressão.

� Geração de código – nesta etapa é gerado código para a máquina alvo.

Tradução dirigida pela sintaxe

• Técnica que permite realizar a tradução do programa simultaneamente a análise sintática.

• Esquema de tradução

Extensão de uma Gramática Livre de Contexto (GLC) que associa atributos aos símbolos gramaticais e de ações semânticas (envolvidas entre chaves) às regras de produção.

• Atributos - qualquer informação necessária para a tradução de um programa. Exemplo – tipo de dado de uma variável. São classificados em dois tipos:

� Sintetizados – são calculados pela função. Fluem de filho para pai na árvore de derivação.

� Herdados – são entradas da função. Fluem de pai ou irmão na árvore de derivação.

Exemplo de um esquema de tradução

E � T RR � Op T { print(Op. simbol ) } R | Є

T � num { print(num. lexval )}

Fonte: adaptado de Price e Toscani (2001, p. 88).

Projeto de um tradutor preditivo

• Algoritmo

Entrada: um esquema de tradução (o esquema deve ser baseado numa gramática apropriada para análise preditiva).

Resultado: código de um tradutor dirigido por sintaxe.

Método:1) Para cada não-terminal A, construa uma função que tenha um parâmetro formal para cada atributo herdado de A e que retorne os valores dos atributos sintetizados de A. Além disso, a função para A deve ter uma variável local para cada atributo de símbolo gramatical que aparece nas produções de A.nas produções de A.2) O código para o não-terminal A deve decidir qual produção usar, baseado no símbolo corrente da entrada. Considerando o lado direito da produção a ser usada, da esquerda para a direita, o código associado deve implementar o seguinte:i) para cada token X, verificar se X é o token lido e avançar a leitura;ii) para cada não-terminal B, gerar uma atribuição c := B(b1, b2, ..., bk), sendo b1, b2, ..., bk variáveis para os atributos herdados de B, e c a variável para o atributo sintetizado de B;iii) para cada ação semântica, copiar o código correspondente, substituindo cada referência a atributo pela variável desse atributo.

Fonte: adaptado de Price e Toscani (2001, p. 110).

Código intermediário

• Forma intermediária de código independente de máquina.� Código intermediário de três endereços – tipo de código intermediário onde cada instrução faz referência no máximo a três variáveis (endereços de memória).

Geração de código-alvo

• Fase final de um compilador.

• Gerar código para a máquina alvo (FURBOL - Microprocessador 8088).

Microprocessador 8088

• Chip que executa os programas armazenados na memória.

• Desenvolvido pela empresa Intel Corporation, sendo uma versão do modelo 8086.

• Processador de 16 bits.

Memória do 8088

• 216 (65.536) - 220 (1.048.576)

• Esquema de endereçamento de 20 bits

• Endereços segmentados� Divide o espaço de memória endereçável em segmentos (64 KB).� Endereça a memória usando dois registradores. Um para o segmento e outro para o deslocamento (offset) dentro do deslocamento. deslocamento.

• Pilha – Segmento de memória. Algumas utilidades:� Salvar valores de registradores que serão utilizados.� Salvar endereço de retorno de um método.� Parâmetros e variáveis locais de um método.

Registradores do 8088

• Quatorze registradores de 16 bits

Registradores de propósito geral AX, BX, CX e DX

Registradores de ponteiros e de índices BP, SP, SI, DI

Registradores de segmento CS, DS, SS, ES

Registrador de ponteiro de instrução IP

Registrador de sinalizadores FLAGS

• Propósito geral - operações aritméticas e lógicas.

• Ponteiros e de índices – deslocamento dentro dos segmentos.

• Segmentos – identificam os quatro segmentos endereçáveis em um programa.

� CS– segmento de código� DSe ES – segmentos de dados� SS – segmento de pilha

• Ponteiro de instrução – indica o deslocamento da instrução que está sendo executada dentro do segmento de código.

• Sinalizadores – indicam resultados da última operação executada.

Algumas instruções do 8088

Instrução Formato Propósito

CALL CALL alvo Chamar uma sub-rotina.

INT INT tipo Alterar o fluxo de execução do programa, desviando-se para uma rotina de interrupção.

MOV MOV destino, fonte Copiar o conteúdo do operando fonte para o destino.

POP POP destino Retirar a palavra armazenada no topo da pilha colocando-a no registrador ou posição de memória especificada por destino.

PUSH PUSH fonte Colocar no topo da pilha o valor de fonte.

RET RET [dado] Encerrar uma sub-rotina, transferindo o fluxo do processamento para a RET RET [dado] Encerrar uma sub-rotina, transferindo o fluxo do processamento para a instrução seguinte à chamada da sub-rotina. O valor [dado] é opcional. Nele pode-se especificar um valor que após o retorno da sub-rotina será adicionado ao SP.

Fonte: adaptado de Santos e Raymundi (1989, p. 33-92).

FURBOL

• Vem sendo desenvolvida por vários integrantes do curso de Ciências da Computação da FURB.

• Características �adota o paradigma imperativo.� comandos em língua portuguesa.� comando de condição e repetição.� unidades de programas concorrentes.� mecanismo de sincronização da comunicação entre unidades � mecanismo de sincronização da comunicação entre unidades concorrentes do tipo semáforo.

• Gera código de montagem (assembly) compatível com microprocessadores 8088.

• Silva 2002 – unidades de programas concorrentes.

Trabalho de Conclusão de Curso

Desenvolvimento

Requisitos do Sistema

• Manter os seguintes requisitos do ambiente de Silva (2002):� possuir um editor para os arquivos fonte (Requisito Funcional – RF)� compilar o código fonte FURBOL, gerando como saída código de

montagem (assembly) compatível com microprocessadores 8088 (RF)

� emitir mensagens com os resultados da compilação (RF)� permitir a visualização do código intermediário de três endereços

gerado (RF)� permitir a visualização do código de montagem (assembly) gerado � permitir a visualização do código de montagem (assembly) gerado

(RF)� invocar o montador Turbo Assembler e o ligador Turbo Link para a

geração de código de máquina executável em microprocessadores 8088 (RF)

• Permitir a definição de TADs pelos usuários (RF)

• Usar esquemas de tradução para representar a semântica (Requisito Não-Funcional - RNF)

• Ser implementado usando o ambiente Borland Delphi 7.0 (RNF)

Especificação dos TADs (BNF Extendida)

TAD → id Se nãoSimbolos.SimboloRedeclarado(id.nome) entãoid.simbobj := TSimbolo.Create(id.nome, tsClasse);Simbolos.Instalar(id.simbobj);id.simbobj.TabelaMembros := Símbolos.AbrirEscopo(id.nome);

AtributosTAD

MetodosTAD

‘fim’ TAD.codigo := MetodosTAD.codigo;TAD.codasm := MetodosTAD.codasm;Simbolos.FecharEscopo;

';'

Especificação de um método (BNF Extendida)

MetodoTAD → id Se nãoSimbolos.SimboloRedeclarado(id.nome) entãoid.simbobj := TSimbolo.Create(id.nome, tsMetodo);Simbolos.Instalar(id.simbobj);id.simbobj.TabelaAgregada := Símbolos.AbrirEscopo(id.nome);id.simbobj.TipoMetodo := MetodoTAD.TipoMetodo;ParamOculto := TSimbolo.Create(‘esse’, tsObjeto);Símbolos.Instalar(ParamOculto);

ParamFormais

‘;’

EstruturaDados

CComposto MetodoTAD.codigo := id.nome || ‘proc near’ || CRLF ||CComposto.codigo || CRLF ||‘ret’ || CRLF ||id.nome || ‘endp’;MetodoTAD.codasm := id.nome || ‘proc near’ || CRLF ||‘push bp’|| CRLF ||‘mov bp, sp’|| CRLF ||‘sub sp, ’ || Símbolos.EscopoAtual.LarguraVariaveis || CRLF ||CComposto.codasm ||‘mov sp, bp’|| CRLF ||‘pop bp’ || CRLF ||‘ret’ || Símbolos.EscopoAtual.LarguraParametros + 2 || CRLF ||id.nome || ‘endp’;Símbolos.FecharEscopo;

';'

Esboço da tabela de símbolos para um programa em FURBOL

programa Retangulo;

classe TRetanguloesquerda, topo, direita, fundo: inteiro;

construtor constroi (esquerda, topo, direita, fundo: inteiro);inicio

imprime("Construindo um retangulo");esse.esquerda := esquerda;esse.topo := topo; esse.direita := direita;esse.fundo := fundo;

fim;

procedimento Area ;var

largura, altura, area: inteiro;inicio

imprime("Area do Retangulo:");largura := direita - esquerda;largura := direita - esquerda;altura := fundo - topo;area := largura * altura;imprime(area);

fim;

destrutor destroi ;inicio

imprime("Destruindo um retangulo");fim;

fim;

vargRet : TRetangulo;

iniciocriarobj(gRet, constroi(0, 0, 20, 20));gRet.Area;destruirobj(gRet, destroi);

fim.

Gerencia de memória dos TADs

• Registro de ativação dos métodos encontra-se na pilha.

• Atributos do objeto encontram-se na heap (memória alocada pelo comando criarobj ).

classe TRetanguloesquerda, topo, direita, fundo: inteiro;

construtor constroi (esquerda, topo, direita, fundo: inteiro);inicio

imprime("Construindo um retangulo");esse.esquerda := esquerda;esse.topo := topo; esse.direita := direita;esse.fundo := fundo;

Atributos –heap

Parâmetros – pilha

esse.fundo := fundo; fim;

procedimento Area ;var

largura, altura, area: inteiro;inicio

imprime("Area do Retangulo:");largura := direita - esquerda;altura := fundo - topo;area := largura * altura;imprime(area);

fim;

destrutor destroi ;inicio

imprime("Destruindo um retangulo");fim;

fim;

Variáveis locais – pilha

Criação de objetos

Furbol assembly

classe TPontox, y: inteiro;construtor constroi(x, y: inteiro);inicio

esse.x := x;esse.y := y;

fim;fim;

varponto1: TPonto;ponto2: TPonto;

ponto1 dw ?ponto2 dw ?

Furbol assembly

� Parâmetro do procedimento criarobj .� Tamanho da representação do TAD (atributos).

Furbol assembly

criarobj (ponto1);

(* chamada do construtor é opcional *)

1) push ax2) push 43) call criarobj4) mov ponto1,ax5) pop ax

Furbol assembly

criarobj(ponto2, constroi(gi, gj)); 01) push ax02) push 403) call criarobj04) mov ponto2,ax05) pop ax06) push gj07) push gi08) push ponto209) push bp10) call TPonto@constroi

TAD (atributos).

Parâmetro oculto esse

• Usado para acessar os atributos do objeto.

• Similar ao this do C++.

• É sempre o primeiro parâmetro do método, portanto sua posição na pilha é sempre a mesma.

Chamada de métodos

01)programa teste;02)03)classe TPonto04) x, y: inteiro;05) procedimento setXY(x, y: inteiro);06) inicio07) esse.x := x;08) esse.y := y;09) fim;

• Parâmetros empilhados da direita para a esquerda.

• Em seguida o conteúdo da variável do tipo objeto que está sendo referenciada também é empilhado (parâmetro oculto esse).

09) fim;10)fim;11)12)var13) ponto1: TPonto;14) gi, gj: inteiro;15)inicio16)(...)17) ponto1.setXY(gi, gj);18)(...)19)fim.

Furbol assembly

ponto1.setXY(gi, gj); 1) push gj2) push gi3) push ponto14) push bp5) call TPonto@setXY

Acesso aos atributos

• ES esse

• ES:[deslocamento_do_atributo]

Acesso aos atributos

classe TRetangulotopo, esquerda, fundo, direita : inteiro;

construtor constroi;inicio

topo := 7;esquerda := 77;fundo := 777;direita := 7777;

fim;fim;

Furbol assembly

� Deslocamento calculado pelo compilador consultado a tabela de simbolos do TAD.

� Descolamentos 0, 2, 4 e 6, respectivamente

construtor constroi;inicio

topo := 7;

esquerda := 77;

(...)fim;

01) TRetangulo@constroi proc near02) push bp03) mov bp, sp04) sub sp, 005)06) mov ax,707) mov es,word ptr [bp+6]08) mov word ptr es:[0],ax09)10) mov ax,7711) mov es,word ptr [bp+6]12) mov word ptr es:[2],ax13)14) (...)15) TRetangulo@constroi endp

Palavra reservada nulo

01)programa teste;02)03)classe TPonto04)(...)05)fim;06)07)var08) ponto: TPonto;09)

• Usada para indicar que uma referência a um TAD é inválida (não aponta para um endereço de memória válido).

• Para o compilador é equivalente ao valor 0.

09)10)inicio11) (...) 12) 13) destruirobj(ponto);14) ponto := nulo;15)16) (...)17)fim.

Furbol assembly

ponto := nulo; 1) mov ax,02) mov ponto,ax

Exclusão de objetos

Furbol assembly

destruirobj (ponto1);

( * chamada do destrutor é opcional *)

1) push ax2) mov ax,ponto13) push ax4) call destruirobj5) pop ax

Furbol assembly

destruirobj(ponto2, destroi); 1) push ponto22) push bp3) call TPonto@destroi4) push ax4) push ax5) mov ax,ponto26) push ax7) call destruirobj8) pop ax

Diagrama de casos de uso

Caso de uso compilar

COMPILAR

•Descrição: usuário solicita que o programa seja compilado.

•Ator principal : usuário.

•Cenário principal : compilara) através da interface o usuário escolhe a opção Compilar;b) o sistema compila o programa fonte;c) o sistema invoca o montador Turbo Assembler;d) o sistema invoca o ligador Turbo Link;e) o sistema exibe a mensagem “Programa compilado com sucesso”.

•Cenário deexceção: errodecompilação•Cenário deexceção: errodecompilação•Caso o programa fonte apresente algum erro o sistema encerra a compilação e apresenta qual é o problema para ousuário.

•Cenário de exceção: erro na geração de código de máquina•Caso ocorra algum erro durante a geração do código de máquina o sistema apresenta uma mensagem de erro para ousuário.

•Pré-condição: programa escrito em LP FURBOL.

•Pós-condição: programa em código de máquina criado.

Diagrama de classes

Diagrama de seqüências para caso de uso compilar

Implementação

• Código de Silva (2002) totalmente reaproveitado

• Interface não foi alterada

• Analisador Léxico – novas palavras reservadas relacionadas aos TADs� criarobj� destruirobj� classe� construtor� construtor� destrutor� esse� nulo

• Analisador Sintático – adaptado para seguir a nova especificação da LP

Implementação do não-terminal TAD

01)function TAnalisadorSintatico._TAD(var CodigoAsm : string): string;02)var03) TADName: string;04) MetodosTADCodigo,05) MetodosTADCodAsm: string;06) Simb: TSimbolo;07)begin08) if FLexico.Token = tkIdentificador then begin09)10) if FSimbolos.SimboloRedeclarado(FLexico.Lexe ma) then11) raise ESinErro.CreateFmt(strErrSinIdentDup licado, [FLexico.Linha, FLexico.Coluna, 12)FLexico. Lexema]);13)14) TADName := FLexico.Lexema;15)16) FLexico.ProximoToken;17)18) Simb := TSimbolo.Create(TADName, TipoSimbolo Classe);19) FSimbolos.Instalar(Simb);20) Simb.TabelaMembros := FSimbolos.AbrirEscopo( TADName);21)22) _AtributosTAD;22) _AtributosTAD;23)24) MetodosTADCodigo := _MetodosTAD(Simb, Metodo sTADCodAsm);25)26) if (FLexico.Token = tkReservada) and (FLexic o.Reservada = prFim) then begin27) FLexico.ProximoToken;28) end29) else30) raise ESinErro.CreateFmt(strErrSinTokenEsp erado, [FLexico.Linha, FLexico.Coluna, 31)strLexRes ervadas[prFim]]);32)33) FSimbolos.FecharEscopo;34)35) Result := MetodosTADCodigo;36) CodigoAsm := MetodosTADCodAsm;37)38) if (FLexico.Token = tkEspecial) and (FLexico .Lexema = ';') then begin39) FLexico.ProximoToken;40) end41) else42) raise ESinErro.CreateFmt(strErrSinTokenEsp erado, [FLexico.Linha, FLexico.Coluna, 43)';']);44) end45) else46) raise ESinErro.CreateFmt(strErrSinIdentEsper ado, [FLexico.Linha, FLexico.Coluna]);47)end;

Operacionalidade do sistema

Interface exibindo código intermediário

Interface exibindo código de montagem

Trabalho de Conclusão de Curso

Conclusões

Conclusões

• O objetivo do trabalho foi alcançado� Definir TADs� Quatro tipos de operações� Declarar referências para os TADs em outras unidades do programa � Criar instâncias destes TADs

• Outras contribuições� consistências e correção de bugs� implementação de um procedimento para imprimir inteiros

• As ferramentas mostraram-se adequadas

• Relevância do trabalho� Contribuir com um trabalho de pesquisa realizado pela FURB

Limitações

01)programa limitacoes_arrays;02)03)classe TPonto04) x, y: inteiro;05) procedimento setXY(x, y: inteiro);06) inicio07) esse.x := x;08) esse.y := y;09) fim;10)fim;11)12)classe TPilha13) fPilha: matriz; (* não compila *)14)fim;15)15)16)var17) gPontos: matriz[1..120]: TPonto;18)inicio19) criarobj(gPontos[1]); (* não compila *)20) gPontos[1].setXY(7, 120); (* não compila *)21) destruirobj(gPontos[1]); (* não compila *)22)fim.

Limitações

01)programa limitacao_simbolo_nao_definido;02)03)classe TRetangulo04) topo_esquerda, 05) fundo_direita: TPonto; (* não compila – Tponto ainda não foi definido *)06) 07) (...)08)fim; 09)10)classe TPonto11) x, y: inteiro;12) 13) construtor constroi(x, y: inteiro);14) inicio15) setXY(x, y); (* não compila – setXY ainda não foi definido *)16) fim;16) fim;17) 18) procedimento setXY(x, y: inteiro);19) inicio20) esse.x := x;21) esse.y := y;22) fim;24)fim; 23)24)inicio25) (...)26)fim.

Extensões

• Ampliar a LP para oferecer suporte a orientação a objetos.

• Criar uma biblioteca com funções de entrada e saída para vários dispositivos.

• Implementar a recuperação de erros de compilação.

• Otimizar o código gerado.• Otimizar o código gerado.

• Ampliar a LP para permitir a definição de funções.

• Gerar código para outras plataformas (microcontroladores, .NET, entre outros).

Trabalho de Conclusão de Curso

FIM