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1 Lezione I Lu 2 Ott. 2006 Introduzione
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Lezione ILu 2 Ott. 2006
Introduzione
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Cos’è un computer?Oggi si usano quotidianamente computer
lavorosvago
Sul lavoro, i computer sono ottimi per svolgereoperazioni ripetitive o noiose, come effettuare calcoli o impaginare testioperazioni complicate e veloci, come controllare macchine utensili
Nel gioco, i computer sono ottimi per coinvolgere al massimo l’utente-giocatore, perché possono riprodurre con estremo realismo suoni e sequenze di immaginiIn realtà, tutto questo non è merito propriamente del computer, ma dei programmi che vengono eseguiti
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Cos’è un computer?Un computer è in generale una macchina che
elabora dati (numeri, parole, immagini, suoni...)interagisce con dispositivi (schermo, tastiera, mouse...)esegue programmi
Ogni programma svolge una diversa funzione, anche complessa
impaginare testigiocare a scacchi
I programmi sonosequenze di istruzioni che il computer eseguedecisioni che il computer prende per svolgere una certa attività
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Cos’è un computer?Il computer è una macchina versatile, progettata per eseguire programmi, di natura eterogenea, ciascuno dei quali sviluppato per svolgere una specifica attività.
Differisce dalle altre macchine, che generalmente sono pensate per svolgere un’unica attività:
auto trasportotelefono comunicazione oraletrapano foratura materiali solidi
L’elevato numero di istruzioni presenti in un programma e la loro esecuzione ad alta velocità – se paragonata alla velocità di reazione umana - garantisce all’utente l’impressione di un’interazione fluida.
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Cos’è un programma?Nonostante i programmi siano generalmente sofisticati e svolgano funzioni complesse, le istruzioni di cui sono composti sono elementari, ad esempio
estrarre un numero da una posizione della memoriasommare due numeriinviare la lettera A alla stampante (istruzione)disegnare un punto rosso in una data posizione dello schermose un dato è negativo, proseguire il programma da una certa istruzione anziché dalla successiva (decisione)
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Cos’è la programmazione?Un programma descrive al computer, in estremo dettaglio, la sequenza di passi necessari per svolgere un particolare compito
L’attività di progettare e realizzare un programma è detta programmazione
Scopo di questo corso è fornire la competenza per scrivere semplici programmi usando il linguaggio di programmazione Java
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Cos’è la programmazione?Usare un computer non richiede alcuna attività di programmazione. Si usano programmi codificati da altri
giochibrowser, posta elettronica, instant messagingvideoscrittura, publishing, grafica
Al contrario, un informatico professionista solitamente svolge attività di programmazione, anche se la programmazione non è l’unica competenza che deve avere
La programmazione è una parte importante dell’informatica
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Cos’è un algoritmo?Con il computer si elaborano dati e risolvono problemi.
Quale tipo di problemi è possibile risolvere con un computer?
Dato un insieme di fotografie di paesaggi, qual è il paesaggio più rilassante?Avendo depositato ventimila euro in un conto bancario che produce il 5% di interessi all’anno, capitalizzati annualmente, quanti anni occorrono affinché il saldo del conto arrivi al doppio della cifra iniziale?
Il primo problema non può essere risolto dal computer. Perché?
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Cos’è un algoritmo?Il primo problema è ambiguo. Non può essere risolto dal computer, a meno che non sia data una definizione di paesaggio rilassante che possa essere usata per confrontare in modo univoco due paesaggi diversi
Un computer può risolvere soltanto problemi che potrebbero essere risolti anche manualmente
è solo più veloce, non fa erroriIl secondo problema è certamente risolvibile manualmente, facendo un po’ di calcoli...
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Cos’è un algoritmo? Al-Khuwarizmi IX sec. d.c.
Si dice algoritmo la descrizione di un metodo di soluzione di un problema che
sia eseguibile (sequenza di istruzioni eseguibili)sia priva di ambiguitàarrivi a una conclusione in un tempo finito
Un computer può risolvere soltanto quei problemi per i quali sia noto un algoritmo
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Un esempio di algoritmo
Problema: Avendo depositato ventimila euro in un conto bancario che produce il 5% di interessi all’anno, versati annualmente, quanti anni occorrono affinché il saldo del conto arrivi al doppio della cifra iniziale?
anni saldo0 20.000,001 21.000,002 22.050,003 23.152,504 24.310,135 25.525,636 26.801,917 28.142,018 29.549,119 31.026,56
10 32.577,8911 34.206,7912 35.917,1313 37.712,9814 39.598,6315 41.578,56
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Un esempio di algoritmoAlgoritmo:
A. L’anno attuale è 0 e il saldo attuale è 20000 €
B. Ripetere i successivi passi C e D finché il saldo è minore di 40000 €, altrimenti passare al punto E
C. Aggiungere 1 al valore dell’anno attuale
D. Calcolare il nuovo saldo che è pari al valore del saldo attuale moltiplicato per 1.05 (cioè aggiungiamo il 5%)
E. Il risultato è il valore dell’anno attuale
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Diagramma di flusso (flow chart)Semplici algoritmi sono spesso rappresentati graficamente per mezzo di diagrammi di flusso.Simboli usati:
inizio/fine dell’algoritmo
passo
decisionevero falso
?
arco di flusso del controllo
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Diagramma di flusso
anno = 0saldo = 20000
saldo > 40000?
incrementa anno
incrementa saldo
falso vero
Il risultato è il valore dell’anno
fine
A
B
C
D
inizio
E
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Un esempio di algoritmoIl metodo di soluzione proposto
non è ambiguo, perché fornisce precise istruzioni su cosa bisogna fare a ogni passaggio e su quale deve essere il passaggio successivo
è eseguibile, perché ciascun passaggio può essere eseguito concretamente (se, ad esempio, il metodo di soluzione dicesse che il tasso di interesse da usare al punto 4 è variabile in dipendenza da fattori economici futuri, il metodo non sarebbe eseguibile…)
arriva a conclusione in un tempo finito, perché ad ogni passo il saldo aumenta di almeno mille euro, quindi al massimo in 20 passi arriva al termine
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Altro esempio di algoritmoProblema: determinare i numeri interi primi ≤ n, | n>2Algoritmo: CRIVELLO DI ERATOSTENE (~276-196 a.C.)
A Elencare in sequenza i numeri da 2 a n in ordine crescente e porre la variabile k = 2
B Finché k*k è inferiore o uguale a n, eseguire i seguenti passi C e D, altrimenti eseguire il passo E (l’algoritmo e’ finito)
C Cancellare dall’elenco tutti i multipli di k (2k, 3k, ...)D Scegliere dall’elenco il successivo a k fra i numeri non
cancellati e assegnarlo a kE Fine dell’algoritmo: i numeri primi sono quelli che non sono
stati cancellati
Esempio: sia n = 11A: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11, k = 2B: k*k = 4 < n C: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 D: k = 3B: k*k = 9 < n C: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 D: k = 5B: k*k = 25 > n E: 2 3 5 7 11
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Diagramma di flusso
Elencare numerik = 2
k*k > n?
Cancella multipli di n
k = successivo
falso vero
I numeri non cancellati sono
primi
fine
A
B
C
D
inizio
E
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A cosa servono gli algoritmi?L’identificazione di un algoritmo è un requisito indispensabile per risolvere un problema (con il computer o senza)
La scrittura di un programma per risolvere un problema consiste, in genere, nella traduzione di un algoritmo in un qualche linguaggio di programmazione
Prima di scrivere un programma, è necessario individuare e descrivere un algoritmo!
La definizione di algoritmi e la misura della loro efficienza è una parte importante dell’informatica (e anche di questo corso).
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Lezione IIMa 3 Ott. 2006
Architettura di un eleboratore
Il modello di von Neumann
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Il modello di von NeumannNel 1945-46 Janos von Neumann elaborò un modello teorico dell’architettura di un elaboratore che è tuttora valido e molto utilizzato (EDVAC, Electronic Discrete Variable Automatic Computer)La grande maggioranza degli elaboratori odierni ha un’architettura che può essere ricondotta al modello di von Neumann (più o meno facilmente)
le eccezioni più importanti sono alcune macchine ad elaborazione parallela
Il modello è importante in quanto schematizza in modo omogeneo situazioni diverse
lo presentiamo in una versione un po’ modificata
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CPU
Il modello di von Neumann
Bus
Memoriaprincipale
Memoriasecondaria
Dispositividi Input edi Output
L’architettura di von Neumann è composta da quattro blocchi comunicanti tra loro per mezzo di un canale di scambio di informazioni, detto bus,
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Unità di elaborazione centraleL’unità centrale di elaborazione
CPU, Central Processing Unitha il compito di elaborare i dati
individua ed esegue le istruzioni del programmaeffettua elaborazioni aritmetiche e logiche con la sua unità logico-aritmeticaacquisisce i dati dalla memoria primaria e secondaria e da altri dispositivi di input/output e ve li rispedisce dopo averli elaborati
Fisicamente è costituita da uno o più chip (microprocessori)
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Il chip della CPUUn chip, o circuito integrato, è un componente elettronico con connettori metallici esterni (pin) e collegamenti interni (wire), costituito principalmente di silicio e alloggiato in un contenitore plastico o ceramico (package)I collegamenti interni di un chip sono molto complicati; ad esempio, il chip Pentium 4 di Intelè costituito da più di 50 milioni di transistori tra loro interconnessi
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L’unità centrale di elaborazioneDal punto di vista logico, la CPU è costituita da tre parti principali:
l’unità logico-aritmetica (ALU)l’unità di controllo, che ne governa il funzionamentoun insieme limitato di registri, che sono locazioni di memoria ad accesso veloce per la memorizzazione temporanea dei dati
Il funzionamento della CPU è di tipo ciclico e il periodo di tale ciclo viene scandito dall’orologio di sistema (clock), che produce un segnale periodico
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L’unità centrale di elaborazione
La frequenza del clock, costituisce una delle caratteristiche tecniche più importanti della CPU
si misura in cicli al secondo o Hzes. 3 GHz, 3x109 = 3 miliardi di cicli al secondo
f = 1/τ τ si dice periodosegnale periodico: f(t) = f(t + τ)
τ
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Ciclo di funzionamento della CPUIl ciclo di funzionamento è composto da tre fasi
accesso (fetch):• caricamento dell’istruzione da eseguire dalla memoria primaria e sua
memorizzazione nel Registro Istruzione• incremento del Registro Contatore di Programma
decodifica (decode):• decodifica dell’istruzione da eseguire
esecuzione (execute):• esecuzione dell’istruzione
Si parla di ciclo fetch-decode-executeL’indirizzo in memoria centrale dell’istruzione da caricare durante la fase di fetch è contenuto in un registro speciale detto contatore di programma (program counter, PC)
viene incrementato di un’unità a ogni ciclo alla fine della fasedi accesso, in modo da eseguire istruzioni in sequenza
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Ciclo di funzionamento della CPU
Esempio di funzionamento ciclico della CPU durante
l’esecuzione di un programma
finito?
fetchincremento PC
decode
falso vero
fine
inizio
execute
PC <- indirizzo della prima istruzione (entry point)
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Unità Centrale di Elaborazione
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La memoriaLa memoria serve a immagazzinare dati e programmiall’interno del computer
È suddivisa in celle o locazioni di memoria, ognuna delle quali ha un indirizzo (numero progressivo)
Ogni cella contiene un numero predefinito di bit, solitamente uguale a otto
bit è un dato elementare che può assumere due valori, convenzionalmentechiamati zero e unoun insieme di otto bit si chiama byte ed è l’unità di misura della capacità di memoria
• es. 512 MByte = 512 * 220 bytes• nelle unita’ di memoria k = 210 = 1024, M = k * k = 220 = 1048576
Ci sono due tipi di memoriaprimaria e secondaria
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La memoria primaria (o centrale)La memoria primaria è veloce ma costosaÈ costituita da chip di memoria realizzati con la stessa tecnologia (al silicio) utilizzata per la CPU
memoria di sola lettura (ROM, Read-Only Memory)memoria ad accesso casuale(RAM, Random Access Memory)
• dovrebbe chiamarsi memoria di lettura e scrittura, perché in realtà anche la ROM è ad accesso casuale, mentre ciò che le distingue è la possibilità di scrivervi
• accesso casuale significa che il tempo per accedere a un dato non dipende dalla sua posizione nella memoria
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Indirizzo di una cella di memoria
Indirizzo a 16 bit Celle di memoria(esadecimale) a 8 bit (byte)
$ 0000 |_|_|_|_|_|_|_|_|$ 0001 |_|_|_|_|_|_|_|_|$ 0002 |_|_|_|_|_|_|_|_|... ...$ FFFF |_|_|_|_|_|_|_|_|
Esempio di Memoria Primaria organizzata a bytecon indirizzo a 16 bit (216 = 65 356 celle)
216 = 26*210 = 64 kByte (210 = 1024 = 1 kByte)
A ciascuna cella di memoria e’ associato un numero progressivo a partire da zero, generalmente espresso in formato esadecimale.
Questo numero e’ detto indirizzo della cella di memoria
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La memoria ROMROM: memoria di sola lettura
conserva i dati ed i programmi memorizzati anche quando il computer viene spento
• è una memoria non volatile
contiene i programmi necessari all’avvio del computer, programmi che devono essere sempre disponibili
• nei PC, tali programmi prendono il nome di BIOS(Basic Input/Output System)
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La memoria RAMRAM: memoria ad accesso casuale
è una memoria che consente la lettura e la scrittura dei dati e dei programmi in essa contenuti
contiene dati in fase di modifica e programmi che devono essere sempre disponibili
perde i dati quando si spegne il computer (è un supporto volatile)
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La memoria secondaria(o di massa)
La memoria secondaria (o di massa) è un supporto non volatile e meno costoso della memoria primaria per unità di memoria (circa cento volte)
programmi e dati risiedono sul disco rigido e vengono caricati nella RAM quando necessario, per poi tornarvi aggiornati se e quando necessario
E’ di solito un disco rigido (o disco fisso, hard disk)
Un disco rigido è formato da piatti rotanti rivestiti di materiale magnetico, con testine di lettura/scrittura
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La memoria secondariaSono molto diffusi anche altri tipi di memoria secondaria a tecnologia magnetica
floppy disk (dischetto flessibile), di capacità limitata (1.4 Mbyte) ma con il vantaggio di poter essere agevolmente rimosso dal sistema e trasferito ad un altro sistema (dispositivo di memoria esterno)flash memory, memoria permanente riscrivibile;
• allo stato solido (non presenta parti in movimento)
tape (nastri per dati), di capacità elevatissima, molto economici, ma molto lenti, perché l’accesso ai dati èsequenziale anziché casuale (bisogna avvolgere o svolgere un nastro invece che spostare la testina di lettura sulla superficie di un disco)
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La memoria secondariaSono molto diffusi anche altri tipi di memoria secondaria a tecnologia ottica
CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory), viene letto da un dispositivo laser, esattamente come un CD audio; ha una elevata capacità ed è molto economico e affidabile; è un supporto di sola lettura, utilizzato per distribuire programmi e informazioni (750 Mbyte)CD-R (Compact Disc Recordable), utilizza una tecnologia simile al CD-ROM ma può essere scritto dall’utente (una sola volta; più volte se CD-RW)
DVD (Digital Versatile Disc), elevata capacità (Gbyte)
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Dispositivi periferici di interazioneL’interazione fra l’utente umano ed il computer avviene mediante i cosiddetti dispositivi periferici di Input/Output (dispositivi di I/O)Tipici dispositivi di input sono la tastiera,il mouse (dispositivo di puntamento),il microfono (per impartire comandi vocali),il joystick (per i giochi), lo scanner (per la scansione digitale di documenti e immagini)Tipici dispositivi di output sono lo schermo (monitor), le stampanti, gli altoparlanti
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Il bus è in realtà costituito da tre componenti distinti
bus dei datibus degli indirizzibus dei segnali di controllo
Sul bus dei dati viaggiano dati da e verso la CPUSugli altri bus viaggiano indirizzi e segnali di controllo che provengono di norma dalla CPU
Il bus nel modello di von Neumann
CPU
Bus
Memoriaprincipale
Memoriasecondaria
Dispositividi Input edi Output
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L’architettura di un computerPer capire i meccanismi di base della programmazione è necessario conoscere gli elementi hardware che costituiscono un computer
Prendiamo in esame il Personal Computer(PC), ma anche i computer più potenti hanno un’architetturamolto simile
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Diagramma schematico di un personal computer
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La scheda madre di un PCAll’interno del PC si trova la scheda madre(mother-board), che contiene la CPU, la memoria primaria, il bus e gli alloggiamenti (slot) di espansione per il controllo delle periferiche
La CPU, la memoria primaria (RAM e ROM) e i circuiti elettronici che controllano il disco rigido e altri dispositivi periferici sono interconnessi mediante un insieme di linee elettriche che formano il busI dati transitano lungo il bus, dalla memoria e dai dispositivi periferici verso la CPU, e viceversa
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La scheda madre di un PC CPU
RAM
slot
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Programmare incodice macchina
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Le istruzioni macchinaLe istruzioni elementari eseguite da un computer (cioè dalla sua CPU) si chiamano
istruzioni macchinaL’insieme di istruzioni macchina (instruction set) è specifico di una particolare CPU: quello di un Intel Pentium è diverso da quello di un MotorolaPowerPCUna particolare CPU è la cosiddetta macchina virtuale Java (JVM, Java Virtual Machine)
la JVM non è una vera CPU… ma per il momento possiamo considerarla tale…
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Le istruzioni macchinaLa codifica delle istruzioni macchina avviene sotto forma di configurazioni di bit conservate in memoria(che possono essere interpretate come numeri interi)Esempio di alcune istruzioni macchina:
carica in un registro il valore contenuto nella posizione di memoria $40: codifica: 21 40carica in un altro registro il valore 100: cod. 16 100se il primo valore è maggiore del secondo, prosegui con l’istruzione contenuta nella posizione di memoria 240, altrimenti con l’istruzione che segue quella attuale
• cod. 163 240Le precedenti istruzioni per la JVM diventano quindi 21 40 16 100 163 240
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Le istruzioni macchinaIn tutte le CPU, le istruzioni macchina si possono suddividere nelle seguenti categorie(i nomi delle istruzioni sono solo degli esempi)
trasferimento dati, tra i registri e la memoria principale• LOAD (verso un registro), STORE (verso la memoria)
operazioni aritmetiche e logiche, eseguite dalla ALU• aritmetiche: ADD, SUB, MUL, DIV• logiche: AND, OR, NOT
salti, per alterare il flusso di esecuzione sequenziale (viene modificato il Program Counter)
• incondizionato (JUMP): salta in ogni caso• condizionato: salta solo se un certo valore è zero (JZ) o se è
maggiore di zero (JGZ)
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Le istruzioni macchinaPer eseguire un programma in un computer è necessario scrivere all’interno della memoria primaria le configurazioni di bit corrispondenti alle istruzioni macchina del programmaPer fare ciò è necessario conoscere tutti i codici numerici delle istruzioni macchina 21 40 16 100 163 240 ...
Questa operazione lunga e noiosa (che veniva eseguita manualmente agli albori dell’informatica) è stata presto automatizzata da un programma in esecuzione sul computer stesso, detto assemblatore (assembler)
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Le istruzioni macchina
La CPU è un interprete dell’insieme di istruzioni della CPU stessa.
Significa che la CPU è una macchina capace di eseguire le istruzioni macchina definite nell’insieme delle istruzioni della CPU stessa.
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Programmazione in linguaggio Assembly
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L’assemblatoreUtilizzando l’assemblatore, il programmatore scrive il programma mediante dei nomi abbreviati(codici mnemonici ) per le istruzioni macchina, molto più facili da ricordare
esempio precedente per la JVM
L’uso di nomi abbreviati è assai più agevole, e il programma assemblatore si occupa poi di tradurreil programma in configurazioni di bitTali linguaggi con codici mnemonici si dicono linguaggi assembly (uno diverso per ogni CPU)
iload 40bipush 100if_icmpgt 240
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L’assemblatoreUn’altra caratteristica molto utile dell’assemblatore è quella di poter assegnare dei nomi agli indirizzi di memoria e ai valori numerici e di usarli nelle istruzioni
In questo modo il programma è molto più leggibile, perché viene evidenziato il significatodegli indirizzi di memoria e dei valori numerici
Corrispondenza biunivoca fra insieme di istruzioni assembly e instruction set del processore
iload ratebipush maxRateif_icmpgt tooMuch
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L’assemblatore
programmaassemblatore
codiceassembly
(file)
codiceeseguibile
(file)
programmaassemblatore
...iload ratebipush maxRateif_icmpgt tooMuch...
...21 40 16 100 163 240 ...
Il programma assemblatore traduce istruzioni assembly in istruzioni macchina (corrispondenza biunivoca)Il programma assemblatore riceve in ingresso un filecontenente codice in linguaggio assembly e produce in uscita un file contenente istruzioni macchina.Per ora un file sia una collezione di dati, memorizzata nella memoria secondaria e identificata con un nome
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I linguaggi assemblyVantaggio: rappresentarono un grosso passo avanti rispetto alla programmazione in linguaggio macchinaProblema: occorrono molte istruzioni per eseguire anche le operazioni più sempliciProblema: ciascuna CPU ha il proprio linguaggio Assembly quindi la sequenza di istruzioni di uno stesso programma cambia al cambiare della CPU è molto costoso scrivere programmi che
possano funzionare su diverse CPU, perché praticamente bisogna riscriverli completamente
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Lezione IIIMe 4 Ott. 2006
Linguaggi di programmazionead alto livello
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Linguaggi ad alto livelloNegli anni ‘50 furono inventati i primi linguaggi di programmazione ad alto livello
FORTRAN: primo “vero” linguaggio• BASIC, COBOL
Anni ‘60 e ‘70: programmazione strutturata• Pascal (Niklaus Wirth, 1968)• C ( Brian Kernigham e Dennis Ritchie, 1970-75)
Anni ‘80 e ‘90, programmazione orientata agli oggetti• C++ ( Bjarne Stroustrup, 1979)• Java (James Gosling e Patrick Naughton, 1991)
Il programmatore esprime la sequenza di operazioni da compiere, senza scendere al livello di dettaglio delle istruzioni macchina
if (rate > 100) System.out.print("Troppo");
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CompilatoreUn programma, detto compilatore, legge il programma in linguaggio ad alto livello e genera il corrispondente programma nel linguaggio macchina di una specifica CPUI linguaggi ad alto livello sono indipendenti dalla CPU
ma il prodotto della compilazione (codice eseguibile), non è indipendente dalla CPU
occorre compilare il programma con un diverso compilatore per ogni CPU sulla quale si vuole eseguire il programma stesso
Si dice codice sorgente il codice scritto in un linguaggio ad alto livelloSi dice codice eseguibile il codice scritto nel linguaggio macchina
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Compilatore
Il compilatore traduce codice in linguaggio ad alto livello in codice eseguibile di uno specifico processorericeve in ingresso un file contenente codice in linguaggio ad alto livello e produce in uscita un file contenente codice eseguibile di uno specifico compilatoreLo stesso codice sorgente può essere tradotto in codice eseguibile di processori diversi usando compilatori diversi
programmacompilatore perCPU di tipo A
codice sorgente(file)
codice eseguibileper la CPU di tipo A
(file)
codice eseguibileper la CPU di tipo B
(file)
programmacompilatore perCPU di tipo B
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Linguaggi ad alto livelloEsistono molti linguaggi di programmazione ad alto livello, così come esistono molte lingue
L’esempio seguente è in linguaggio Java
e questo è l’equivalente in linguaggio Pascal
La sintassi di un linguaggio viene scelta dai progettisti del linguaggio stesso, come compromesso fra leggibilità, facilità di compilazione e coerenza con altri linguaggi
if (rate > 100) System.out.print("Troppo");
if rate > 100 then write ('Troppo');
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Linguaggi ad alto livelloI linguaggi di programmazione, creati dall’uomo, hanno una sintassi molto più rigida di quella dei linguaggi naturali, per agevolare il compilatoreIl compilatore segnala gli errori di sintassi
e non tenta di capire, come farebbe un utente umano, perché sarebbe molto difficile verificare le intuizioni del compilatore meglio la segnalazione di errori!
if (rate > 100)) System.out.print("Troppo");
parentesi di troppo
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Il linguaggio JavaNato nel 1991 in Sun Microsystems, da un gruppo di progettisti guidato da Gosling e NaughtonProgettato per essere semplice e indipendente dalla CPU(o, come anche si dice, dall’hardware, dalla piattaforma o dall’architettura)
Il primo prodotto del progetto Java fu un browser(programma per navigare in internet) , HotJava, presentato nel 1994, che poteva scaricare programmi (detti applet) da un server ed eseguirli sul computer dell’utente, indipendentemente dalla sua piattaforma
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Il linguaggio JavaIl linguaggio Java è stato adottato da moltissimi programmatori perché
è più semplice del suo diretto concorrente, C++consente di scrivere e compilare una volta ed eseguire dovunque (cioè su tutte le piattaforme)“compile once, execute everywhere”ha una ricchissima libreria che mette a disposizione dei programmatori un insieme vastissimo di funzionalità standard, indipendenti dal sistema operativo
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Il linguaggio Java per gli studentiDato che Java non è stato progettato per la didattica
non è così semplice scrivere programmi Java molto semplici!
Anche per scrivere programmi molto semplici è necessario conoscere parecchi dettagli “tecnici”, un potenziale problema nelle prime lezioniAdotteremo lo stile didattico di usare alcuni costrutti sintattici senza spiegarli o approfondirli, rimandando tali fasi al seguito
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Il nostro primo programma JavaTradizionalmente, il primo programma che si scrive quando si impara un linguaggio di programmazione ha il compito di visualizzare sullo schermo un semplice saluto
Scriviamo il programma nel file Hello.java
usando un editor di testi editor di testi = programma per scrivere testi
Non si deve usare un programma di videoscrittura!
Hello, World!
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Editor e programmi di videoscritturaEntrambi sono programmi per scrivere testi, ma...un editor memorizza solo caratteri, niente altrocaro amico (anche lo spazio è un carattere!)es: MS notepad (blocco note), linux gedit e kwrite, context (Ms e linux)
un programma di videoscrittura memorizza oltre i caratteri anche informazioni aggiuntive quali, ad esempio, tipo di carattere (font), dimensione, stile (grassetto, italico, sottolineato), allineamento, colore, ...
caro amico caro amicoes.: MS Word e OpenOffice Writer (linux, free) sono programmi di videoscrittura!
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Occorre fare attenzione
il testo va inserito esattamente come è presentato
• per il momento…
maiuscole e minuscole sono considerate distinte
il testo va inserito in un file che deve chiamarsi Hello.java
public class Hello{public static void main(String[] args){System.out.println("Hello, World!");
}}
Primo programma Java
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A questo punto compiliamo il programma
e il compilatore genera il file Hello.classOra eseguiamo il programma
ottenendo la visualizzazione del messaggio di saluto sullo schermo
javac Hello.java
java Hello
Hello, World!
Il nostro primo programma Java
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Diversamente da altri linguaggi (es. FORTRAN) il linguaggio Java consente una disposizione del testo a formato libero: gli spazi e le interruzioni di riga (“andare a capo”) non sono importanti, tranne che per separare paroleSarebbe quindi possibile scrivere
Bisogna però fare attenzione alla leggibilità!
public class Hello{public static voidmain (String[] args) { System.out.
println("Hello, World!") ;}}
Una nota stilistica
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Analisi del primo programmaLa prima riga
definisce una nuova classe, la classe HelloLe classi sono fabbriche di oggetti e rappresentano un concetto fondamentale in Java, che è un linguaggio di programmazione orientato agli oggetti (OOP, Object-Oriented Programming)Per il momento, consideriamo gli oggetti come elementi da manipolare in un programma JavaUn programma (detto anche applicazione) Java e’ costituito da una o piu’ classi (generalmente molte)
public class Hello
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Analisi del primo programmaLa parola chiave public indica che la classe Hellopuò essere utilizzata da tutti
Una parola chiave è una parola riservata del linguaggio che va scritta esattamente così com’èe che non può essere usata per altri scopiLa parola chiave class indica che inizia la definizione di una classeCiascun file sorgente (parte di un programma Java) può contenere una sola classe pubblica, il cui nome deve coincidere con il nome del file
public class Hello
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Analisi del primo programmaLe classi oltre a essere fabbriche di oggetti, sono anche contenitori di metodiUn metodo definisce una sequenza di istruzioni o enunciati che descrive come svolgere un determinato compito (in altri linguaggi i metodi si chiamano funzioni o procedure)Un metodo deve essere inserito in una classe, quindi le classi rappresentano il contenitore per l’organizzazione dei programmi
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Analisi del primo programmaLa costruzione
definisce il metodo main ( ) (principale)Un’applicazione Java deve avere un metodo main() da cui inizia l’esecuzione del programmaAnche qui, public significa utilizzabile da tuttistatic, void, String[] args per intanto lasciamoli senza commento. Vedremo piu’ avanti
public static void main(String[] args){ ...}
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Programma sempliceSintassi:
Scopo: eseguire un programma semplice, descritto da enunciati e contenuto nel file NomeClasse.javaNota: la parte in blu viene per ora considerata una infrastruttura necessaria, approfondita in seguito
public class NomeClasse{ public static void main(String[] args)
{ enunciati}
}
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Analisi del primo programmaGli enunciati del corpo di un metodo (gli enunciati contenuti tra le parentesi graffe) vengono eseguiti uno alla volta nella sequenza in cui sono scrittiOgni enunciato termina con il carattere Il metodo main() del nostro esempio ha un solo enunciato, che visualizza una riga di testo
Ma dove la visualizza? Un programma può inserire testo in una finestra, scriverlo in un file o anche inviarlo ad un altro computer attraverso Internet...
System.out.println("Hello, World!");
;
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Nel nostro caso la destinazione è l’outputstandard, una proprietà di ciascun programma che dipende dal sistema operativo del computerIn Java, l’output standard è rappresentato da un oggetto di nome out
come ogni metodo, anche gli oggetti devono essere inseriti in classi: out è inserito nella classe Systemdella libreria standard, che contiene oggetti e metodi da utilizzare per accedere alle risorse di sistemaper usare l’oggetto out della classe System si scrive
Analisi del primo programmaSystem.out.println("Hello, World!");
System.out
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Quando si usa un oggetto, bisogna specificare cosa si vuol fare con l’oggetto stesso
in questo caso vogliamo usare un metodo dell’oggetto out, il metodo println(), che stampa una riga di testoper usare il metodo println() dell’oggetto System.outsi scrivela coppia di parentesi tonde racchiude le informazioni necessarie per l’esecuzione del metodo (parametri)
A volte il carattere punto significa “usa un oggetto di una classe”, altre volte “usa un metodo di un oggetto”: dipende dal contesto...
Analisi del primo programmaSystem.out.println("Hello, World!");
System.out.println(parametri)
76
System e’ una classe della libreria standard che e’ una collezione di classi pronte per essere usate, fornite insieme al linguaggio JavaSystem.out e’ un oggetto definito nella classe System di classe PrintStreamPrintStream è un’altra classe della libreria standardL’ambiente java fornisce una documentazione esaustiva della libreria standard
javadoc in formato htmlSystem.out.print( ) e’ un altro metodo dell’oggetto out che puo’ essere usato a inviare una stringa a standard output
a differenza di println() non va a nuova riga
Analisi del primo programmaSystem.out.println("Hello, World!");
77
Lezione IVGi 5 Ott. 2006
Linguaggio javaErrori sintattici e logici
78
Errori di programmazione
L’attività di programmazione, come ogni altra attività di progettazione, è soggetta ad errori di vario tipo
errori di sintassi o di compilazione
errori logici o di esecuzione
System.aut.println("Hello, World!");
System.out.println("Hello, World!);
System.out.println("Hell, World!");
System.out.println("Hello, World!");
79
Errori di sintassiIn questo caso il compilatore riesce agevolmente ad individuare e segnalare l’errore di sintassi, perché identifica il nome di un oggetto (simbolo) che non è stato definito (aut) e sul quale non è in grado di “decidere”
System.aut.println("Hello, World!");
C:\>javac Hello.javaHello.java:5: cannot resolve symbolsymbol : variable autlocation: class java.lang.SystemSystem.aut.println("Hello, World!");
^1 error
posizione (numero di riga)
posizione (nella riga)
diagnosi
80
Errori di sintassiQuesto è invece un caso molto più complesso: viene giustamente segnalato il primo errore, una stringa non terminata, e viene evidenziato il punto dove inizia la stringa
System.out.println("Hello, World!);
C:\>javac Hello.javaHello.java:5: unclosed string literalSystem.out.println("Hello, World!);
^Hello.java:5: ')' expectedSystem.out.println("Hello, World!);
^2 errors
virgolette mancanti
81
Errori di sintassiViene però segnalato anche un secondo errore
il compilatore si aspetta di trovare una parentesi tonda chiusa, in corrispondenza di quella apertala parentesi in realtà c’è, ma il compilatore l’ha inserita all’interno della stringa, cioè ha prolungato la stringa fino al termine della riga
C:\>javac Hello.javaHello.java:5: unclosed string literalSystem.out.println("Hello, World!);
^Hello.java:5: ')' expectedSystem.out.println("Hello, World!);
^2 errors
82
Errori logiciQuesto errore, invece, non viene segnalato dal compilatore, che non può sapere che cosa il programmatore abbia intenzione di far scrivere al programma sull’output standard
la compilazione va a buon finesi ha un errore durante l’esecuzione del programma, perché viene prodotto un output diverso dal previsto
System.out.println("Hell, World!");
C:\>java HelloHell, World!
manca un carattere
83
Errori logiciSono molto più insidiosi degli errori di sintassi
il programma viene compilato correttamente, ma non fa quello che dovrebbe fare
L’eliminazione degli errori logici richiede molta pazienza, eseguendo il programma e osservando con attenzione i risultati prodotti
è necessario collaudare i programmi, come qualsiasi altro prodotto dell’ingegneria
Si usano programmi specifici (debugger) per trovare gli errori logici (bug) in un programma
84
Fasi della Programmazione
85
Le fasi della programmazioneL’attività di programmazione si esegue in tre fasi
scrittura del programma (codice sorgente)compilazione del codice sorgente
• creazione del codice eseguibile (codice macchina)
esecuzione del programmaPer scrivere il codice sorgente si usa un editor ditesto, salvando (memorizzando) il codice in un file Hello.java
86
Individuare il compilatore JavaIl modo di utilizzo del compilatore Java dipende dal sistema operativo
si seleziona con il mouse un’icona sullo schermosi seleziona una voce in un menu di comandisi compone il nome di un comando sulla tastierasi utilizza un ambiente integrato per lo sviluppo software (IDE, Integrated Development Environment)
Nel nostro corso useremo i comandi da tastiera del JDK (Java Development Kit) di Sun Microsystems
87
La compilazione del sorgenteCompilando il codice sorgente di un programma in Java (gli enunciati in linguaggio Java) si ottiene un particolare formato di codice eseguibile, detto bytecode, che è codice macchina per la Java VirtualMachine (JVM) javac Hello.java genera Hello.class
Quindi il bytecode non è codice direttamente eseguibile dalla CPU reale, dato che la JVM non è una CPU fisica…e il bytecode e’ codice macchina della Java Virtual Machine
88
L’esecuzione del programmaPer eseguire un programma si usa l’interpreteJava, un programma eseguibile sul computer dell’utente che
carica in RAM il bytecode del programma (della classe Hello)avvia il programma eseguendo il metodo main di tale classecarica successivamente i file di bytecode di altre classi che sono necessarie durante l’esecuzione (ad esempio, la classe System)traduce “al volo” le istruzioni del bytecode in istruzioni macchina della CPU reale (che esegue il codice)
java Hello scrive Hello, World! sullo standard output
89
La Java Virtual Machine
CPUreale
InterpreteJava
CPU virtuale (JVM)
bytecodecodice
macchina
90
La libreria di classi standardPer scrivere sullo standard output è necessario interagire con il sistema operativo, un’operazione di basso livello che richiede conoscenze specificheQueste operazioni, per chi utilizza il linguaggio Java, sono state già realizzate dagli autori del linguaggio (Sun Microsystems), che hanno scritto delle classi apposite (ad esempio, System)Il bytecode di queste classi si trova all’interno di librerie standard, che sono raccolte di classiNon è necessario avere a disposizione il codice sorgente di queste classi, né capirlo! Comodo...
91
Il processo di programmazione in Java
codicesorgente
file di bytecode librerie
interprete
programma in esecuzione
JDK - Java Development Kit
E se qualcosa non funziona?
compilatoreeditor
92
eventualmente usa debugger
jdb Hello
fine
errori di logica?
errori di sintassi?
Modifica-Compila-Collaudainizio
Si
Si
No
No
crea o modificaprogramma
edit Hello.java
compilaprogramma
javac Hello.java
collaudaprogrammajava Hello
93
Compilatore e/o interpretePer passare dalla scrittura del file sorgente in linguaggio Java all’esecuzione del programma su una particolare CPU, si usano il compilatore e l’interpreteCon la maggior parte degli altri linguaggi di programmazione ad alto livello, invece, si usa soltanto il compilatore oppure soltanto l’interprete
con linguaggi compilati come Pascal, C e C++, si usa il compilatore per creare un file eseguibile, contenente codice macchina, a partire da file sorgenti (con l’eventuale ausilio di un caricatore, loader, che interagisce con una libreria)con linguaggi interpretati come BASIC e PERL, l’interprete traduce “al volo” il file sorgente in codice eseguibile e lo esegue, senza creare un file eseguibile
94
Il processo di programmazione
compilatore (caricatore)
codice sorgente librerie
programma in esecuzione
file eseguibile
linguaggicompilati
Linguaggio Java
codicesorgente
interprete
programma in esecuzione
compilatore
file di bytecode
librerie
codice sorgente librerie
interprete
programma in esecuzione
linguaggiinterpretati
95
Compilatore e/o interpreteIl fatto che un linguaggio sia compilato o interpretato influisce fortemente su quanto è
facile eseguire lo stesso programma su computer aventi diverse CPU (portabilità)veloce l’esecuzione di un programma (efficienza)
Entrambi questi aspetti sono molto importanti nella fase di scelta di un linguaggio di programmazione da utilizzare in un progettoIl linguaggio Java, da questo punto di vista, è un linguaggio misto, essendo sia compilato sia interpretato, in fasi diverse
96
PortabilitàI programmi scritti in un linguaggio interpretatosono portabiliI programmi scritti in un linguaggio compilato
sono portabili a livello di file sorgente, ma è necessario compilare il programma su ogni diversa CPUnon sono portabili a livello di file eseguibile, perché esso contiene codice macchina per una particolare CPU
I programmi scritti in linguaggio Java sono portabili, oltre che a livello di file sorgente, anche ad un livello intermedio, il livello del bytecode
possono essere compilati una sola volta ed eseguiti da interpreti diversi su diverse CPU“compile once, execute everywhere!”
97
EfficienzaI programmi scritti in un linguaggio interpretatosono poco efficienti
l’intero processo di traduzione in linguaggio macchina deve essere svolto ad ogni esecuzione
I programmi scritti in un linguaggio compilatosono molto efficienti
l’intero processo di traduzione in linguaggio macchina viene svolto prima dell’esecuzione, una volta per tutte
I programmi scritti in linguaggio Java hanno un’efficienza intermedia
parte del processo di traduzione viene svolto una volta per tutte (dal compilatore) e parte viene svolto ad ogni esecuzione (dall’interprete)
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Portabilità ed efficienzaSe si vuole soltanto la portabilità, i linguaggi interpretati sono la scelta migliore
Se si vuole soltanto l’efficienza, i linguaggi compilati sono la scelta migliore
Se si vogliono perseguire entrambi gli obiettivi, come quasi sempre succede, il linguaggio Java può essere la scelta vincente
99
Portabilità ed efficienzaSe si vuole soltanto la portabilità, i linguaggi interpretati sono la scelta migliore
Se si vuole soltanto l’efficienza, i linguaggi compilati sono la scelta migliore
Se si vogliono perseguire entrambi gli obiettivi, come quasi sempre succede, il linguaggio Java può essere la scelta vincente
100
GrammaticheJava è un linguaggio formale definito da un grammaticanon contestuale (o quasi)La grammatica può essere divisa in due parti che descrivono rispettivamente le regole lessicali e la sintassiche governano la costruzione di unità compilabili sintatticamente corrette
sintassi: studio delle regole che governano il modo in cui le parole si combinano per formare frasi e le frasi per formare periodi.
Dal punto di vista lessicale un programma Java è composto da righe (stringhe di caratteri terminate da un fineriga) a loro volta composte da unità elementari dette token (in italiano lessemi)I token devono essere separati da spazi e/o da commentiquando non ci sia un separatore o un operatore che marchi la fine del token
101
TokenI lessemi o token (le unità lessicali con cui si costruisce una unità compilabile) possono essere del tipo:
Parola chiave (keyword): stringhe di caratteri il cui uso è riservato e predefinito dal linguaggio Java
• Esempio public nella classe HelloIdentificatore (identifier): una stringa di caratteri alfanumerici con il primo carattere alfabetico (anche ‘_’ e’ ammesso come primo carattere), definiti dal programmatore
• Esempio Hello, System, out, println nella classe HelloCostante (literal): un valore costanteSeparatore: caratteri di interpunzioneOperatore: simboli che indicano un’operazione fra variabili e/o costanti
102
Le parole chiave di Java
whilesupernativefloatconstvolatilestrictfplongfinallyclassvoidstaticinterfacefinalchartryshortintextendscatchtransientreturninstanceofenumcasethrowspublicimportelsebytethrowprotectedimplementsdoublebreakthisprivategotodobooleansynchronizedpackageifdefaultassertswitchnewforcontinueabstract
103
IdentificatoriSequenza di caratteri alfabetici e cifre numeriche di lunghezza arbitrariaIl primo carattere deve essere alfabetico
Hello e’ un identificatore validomain e’ un identificatore valido7Wonder e ?why non sono identificatori validi
Il primo carattere puo’ essere anche il carattere _ (underscore)
_nome e’ un identificatore validoNon si possono adoperare come identificatori
le parole chiave di Javale costanti “booleane” true e falsela costante speciale null
104
Costanti (Literals)Numeri interi:
1, 2, 100, 567 …Numeri in formato a virgola mobile:
15.17, 1.23e-5 …Costanti booleane:
false, trueCaratteri
‘a’ ‘B’ ‘π’ ‘?’Stringhe
“Hello, World!”Costante speciale
null
105
Separatori e operatoriI seguenti 9 caratteri sono utilizzati come separatori (caratteri di interpunzione)( ) { } [ ] ; , .
I seguenti 37 caratteri o token sono utilizzati nelle espressioni come operatori= > < ! ~ ? :
== <= >= != && || ++ --
+ - * / & | ^ % << >> >>>
+= -= *= /= &= |= ^= %= <<= >>= >>>=
106
Tipi di dati fondamentali
107
Un programma che elabora numeripublic class Coins1{
public static void main(String[] args){
int lit = 15000; // lire italianedouble euro = 2.35; // euro
// calcola il valore totaledouble totalEuro = euro + lit / 1936.27;
// stampa il valore totaleSystem.out.print("Valore totale in euro ");System.out.println(totalEuro);
}}
108
Un programma che elabora numeriQuesto programma elabora due tipi di numeri
numeri interi per le lire italiane, che non prevedono l’uso di decimi e centesimi e quindi non hanno bisogno di una parte frazionarianumeri frazionari (“in virgola mobile”) per gli euro, che prevedono l’uso di decimi e centesimi e assumono valori con il separatore decimale
I numeri interi (positivi e negativi) si rappresentano in Java con il tipo di dati intI numeri in virgola mobile (positivi e negativi, a precisione doppia) si rappresentano in Java con il tipo di dati double(IEEE 754 doppia precisione)
109
Perché usare due tipi di numeri?In realtà sarebbe possibile usare numeri in virgola mobile anche per rappresentare i numeri interi, ma ecco due buoni motivi per non farlo
“pratica”: i numeri interi rappresentati come tipo di dati int sono più efficienti, perché occupano meno spazio in memoria e sono elaborati più velocemente“filosofia”: indicando esplicitamente che per le lire italiane usiamo un numero intero, rendiamo evidente il fatto che non esistono i decimali per le lire italiane
• è importante rendere comprensibili i programmi!
110
I commentiNel programma sono presenti anche dei commenti, che vengono ignorati dal compilatore, ma che rendono il programma molto più comprensibileUn commento inizia con una doppia barra // e termina alla fine della rigaNel commento si può scrivere qualsiasi cosaSe il commento si deve estendere per più righe, è molto scomodo usare tante volte la sequenza //Si può iniziare un commento con /* e terminarlo con */
// lire italiane
/*questo e’ un commentolungo, inutile...ma piu’ comodo*/
// questo e’ un commento// lungo,inutile... // ... e anche scomodo
111
Alcune note sintatticheL’operatore che indica la divisione è /, quello che indica la moltiplicazione è *Quando si scrivono numeri in virgola mobile, bisogna usare il punto come separatore decimale, invece della virgola (uso anglosassone)Quando si scrivono numeri, non bisogna indicare il punto separatore delle migliaiaI numeri in virgola mobile si possono anche esprimere in notazione esponenziale
lit / 1936.27
1936.27
15000
1.93627E3 // vale 1.93627 × 103
112
System.out.println ()Il metodo System.out.print() invia una stringa all’output standard come System.out.println() ma non va a capo alla fine della stringa stampataSystem.out.println(parametro)
Come parametro possiamo avere una stringa• System.out.println(“Hello, World!”);
Il parametro puo’ essere un numero o una variabilenumerica• System.out.println(7+5);• System.out.println(totalEuro);
out è un oggetto di classe PrintStream definito nella classeSystem della libreria standard. Consultare la documentazione della classe System e della classePrintStream (javadoc)
113
Uso delle variabili
114
L’uso delle variabiliIl programma fa uso di variabili di tipo numerico
lit di tipo int, euro e totalEuro di tipo doubleLe variabili sono spazi di memoria, identificati da un identificatore (nome), che possono conservare valori di un determinato tipoCiascuna variabile deve essere definita, indicandone il tipo ed il nomeUna variabile può contenere soltanto valori del suo stesso tipoNella definizione di una variabile, è possibile assegnare un valore iniziale
int lit;
int lit = 15000;
115
L’uso delle variabiliIl programma poteva risolvere lo stesso problema anche senza fare uso di variabili
ma sarebbe stato molto meno comprensibile e modificabile con difficoltà
public class Coins2{ public static void main(String[] args){ System.out.print("Valore totale in euro ");
System.out.println(2.35 + 15000 / 1936.27);}
}
116
I nomi delle variabiliLa scelta dei nomi per le variabili è molto importante, ed è bene scegliere nomi che descrivano adeguatamente la funzione della variabileIn Java, un nome (di variabile, di metodo, di classe…) può essere composto da lettere, da numeri e dal carattere di sottolineatura, ma
deve iniziare con una lettera (anche _ va bene)non può essere una parola chiave del linguaggionon può contenere spazi
Le lettere maiuscole sono diverse dalle minuscole! Ma è buona norma non usare nello stesso programma nomi di variabili che differiscano soltanto per una maiuscola
117
Definizione di variabiliSintassi:
Scopo: definire la nuova variabile nomeVariabile, di tipo nomeTipo, ed eventualmente assegnarle il valore iniziale espressioneDi solito in Java si usano le seguenti convenzioni
i nomi di variabili e di metodi iniziano con una lettera minuscolai nomi di classi iniziano con una lettera maiuscolai nomi composti, in entrambi i casi, si ottengono attaccando le parole successive alla prima con la maiuscola
nomeTipo nomeVariabile;
nomeTipo nomeVariabile = espressione;
lit
MoveRectangletotalEuro
mainCoins1
println
118
Lezione VVe 6 Ott. 2006
Linguaggio javaAssegnazioni
119
L’uso delle variabiliAbbiamo visto come i programmi usino le variabili per memorizzare i valori da elaborare e i risultati dell’elaborazioneLe variabili sono posizioni in memoria che possono conservare valori di un determinato tipoIl valore memorizzato in una variabile può essere modificato, non soltanto inizializzato…Il cambiamento del valore di una variabile si ottiene con un enunciato di assegnazione
120
L’uso delle variabilipublic class Coins2{ public static void main(String[] args)
{ int lit = 15000; // lire italianedouble euro = 2.35; // eurodouble dollars = 3.05; // dollari// calcola il valore totale// sommando successivamente i contributidouble totalEuro = lit / 1936.27;totalEuro = totalEuro + euro;totalEuro = totalEuro + dollars * 0.93;System.out.print("Valore totale in euro ");System.out.println(totalEuro);
}}
121
In questo caso il valore della variabile totalEurocambia durante l’esecuzione del programma
per prima cosa la variabile viene inizializzatacontestualmente alla sua definizione
poi la variabile viene incrementata, due volte
mediante enunciati di assegnazione
L’uso delle variabili
double totalEuro = lit / 1936.27;
totalEuro = totalEuro + euro;totalEuro = totalEuro + dollars * 0.93;
122
Analizziamo l’enunciato di assegnazione
Cosa significa? Non certo che totalEuro è ugualea se stessa più qualcos’altro…L’enunciato di assegnazione significa Calcola il valore dell’espressione a destra del
segno = e scrivi il risultato nella posizione di memoria assegnata alla variabile indicata a sinistra del segno =
L’assegnazione
totalEuro = totalEuro + euro;
123
L’assegnazione
euro
totalEuro
2.35
7.746853486342298
totalEuro + euro
10.096853486342297
LEGGI
LEGGI
SCRIVI
CALCOLA
124
Assegnazione o definizione?Attenzione a non confondere la definizione di una variabile con un enunciato di assegnazione!
La definizione di una variabile inizia specificando il tipodella variabile, l’assegnazione noUna variabile può essere definita una volta sola in una sezione di codice, mentre le si può assegnare un valore molte volteIl compilatore segnala come errore il tentativo di definire una variabile una seconda volta
double totalEuro = lit / 1936.27;totalEuro = totalEuro + euro;
double euro = 2;double euro = euro + 3;
euro is already defined
125
AssegnazioneSintassi:
Scopo: assegnare il nuovo valore espressione alla variabile nomeVariabileNota: purtroppo Java (come C e C++) utilizza il segno = per indicare l’assegnazione, creando confusione con l’operatore di uguaglianza (che vedremo essere un doppio segno =, cioè ==); altri linguaggi usano simboli diversi per l’assegnazione (ad esempio, il linguaggio Pascal usa :=)
nomeVariabile = espressione;
126
Costanti
127
L’uso delle costantiUn programma per il cambio di valuta
Chi legge il programma potrebbe legittimamente chiedersi quale sia il significato del “numero magico” 0.84 usato nel programma per convertire i dollari in euro...
public class Convert1{
public static void main(String[] args){
double dollars = 2.35;double euro = dollars * 0.84;
}}
128
L’uso delle costantiCosì come si usano nomi simbolici descrittivi per le variabili, è opportuno assegnare nomi simbolicianche alle costanti utilizzate nei programmi
Un primo vantaggio molto importante aumenta la leggibilità
public class Convert2{ public static void main(String[] args)
{final double EURO_PER_DOLLAR = 0.84;double dollars = 2.35;double euro = dollars * EURO_PER_DOLLAR;
}}
129
L’uso delle costantiUn altro vantaggio: se il valore della costante deve cambiare (nel nostro caso, perché varia il tasso di cambio euro/dollaro), la modifica va fatta in un solo punto del codice!
public class Convert3{
public static void main(String[] args){ final double EURO_PER_DOLLAR = 0.84;
double dollars1 = 2.35;double euro1 = dollars1 * EURO_PER_DOLLAR;double dollars2 = 3.45;double euro2 = dollars2 * EURO_PER_DOLLAR;
}}
130
Definizione di costanteSintassi:
Scopo: definire la costante NOME_COSTANTE di tipo nomeTipo, assegnandole il valore espressione, che non potrà più essere modificatoNota: il compilatore segnala come errore semantico il tentativo di assegnare un nuovo valore a una costante, dopo la sua inizializzazioneDi solito in Java si usa la seguente convenzione
i nomi di costanti sono formati da lettere maiuscole• i nomi composti si ottengono attaccando le parole
successive alla prima con un carattere di sottolineatura
final nomeTipo NOME_COSTANTE = espressione;
131
Rappresentazionedell’Informazione
(Horstmann appendice H)
132
Rappresentazione dell’InformazioneL’informazione che l’uomo elabora è varia:
testi, numeri, immagini, suoni
Per memorizzare ed elaborare queste informazioni in un sistema informatico (computer) è necessario definire una codifica che consenta di esprimerle in formato adatto all’elaboratoreVediamo come si codifica l’informazione relativa a:
numeritestiimmagini
133
Notazione posizionale in base decimaleI numeri naturali sono definiti dal seguente insieme
I numeri naturali che siamo abituati a utilizzare sono espressi nella notazione posizionale in base decimale
base decimale: usiamo dieci cifre diverse (da 0 a 9)notazione posizionale: cifre uguali in posizioni diverse hanno significato diverso (si dice anche che hanno peso diverso, cioè pesano diversamente nella determinazione del valore del numero espresso)
il peso di una cifra è uguale alla base del sistema di numerazione (10, in questo caso), elevata alla potenza uguale alla posizione della cifra nel numero, posizione che si incrementa da destra a sinistra a partire da 0
{ },...2,1,0=N
434 = 4·102 + 3·101 + 4·100
134
Notazione posizionale in base decimalein generale con n cifre
Anche i numeri razionali (frazioni) si possono esprimere con notazione posizionale in base decimalela parte frazionaria, a destra del simbolo separatore, si valuta con potenze negative
4,34 = 4·100 + 3·10-1 + 4·10-2
{ }1,...,1,0
9,...,1,0,10...1010... 00
22
11021
−=∈+++= −
−−
−−−
nkaaaaaaa k
nn
nnnn
135
Numeri Naturali in Notazione BinariaI computer usano invece numeri binari, cioè numeri rappresentati con notazione posizionale in base binaria
la base binaria usa solo due cifre diverse, 0 e 1la conversione da base binaria a decimale è semplice
I numeri binari sono più facili da manipolare per i sistemi elettronici, perché è meno complicato costruire circuiti logici che distinguono tra due stati (“acceso” e “spento”), piuttosto che fra dieci livelli diversi di tensione
11012 = (1·23 + 1·22 + 0·21 + 1·20)10 = 13101,1012 = (1·20 + 1·2-1 + 0·2-2 + 1·2-3)10 = 1,62510
base 2base 10
136
La conversione di un numero da base decimale a base binaria è, invece, più complessaInnanzitutto, la parte intera del numero va elaborata indipendentemente dalla eventuale parte frazionaria
la parte intera del numero decimale viene convertita nella parte intera del numero binariola parte frazionaria del numero decimale viene convertita nella parte frazionaria del numero binariola posizione del punto separatore rimane invariata
Numeri naturali in notazione binaria
137
Per convertire la sola parte intera, si divide il numero per 2, eliminando l’eventuale resto e continuando a dividere per 2 il quoziente ottenuto fino a quando non si ottiene quoziente uguale a 0Il numero binario si ottiene scrivendo la serie dei restidelle divisioni, iniziando dall’ultimo resto ottenutoAttenzione: non fermarsi quando si ottiene quoziente 1, ma proseguire fino a 0
100 / 2 = 50 resto 050 / 2 = 25 resto 025 / 2 = 12 resto 112 / 2 = 6 resto 06 / 2 = 3 resto 03 / 2 = 1 resto 11 / 2 = 0 resto 1
10010 = 11001002
Numeri naturali in notazione binaria
138
Numeri razionali binari in notazione a virgola fissa
Per convertire la sola parte frazionaria, si moltiplica il numero per 2, sottraendo 1 dal prodotto se è maggiore di 1 e continuando a moltiplicare per 2 il risultato così ottenuto fino a quando non si ottiene un risultato uguale a 0 oppure un risultato già ottenuto in precedenza
Il numero binario si ottiene scrivendo la serie delle parti intere dei prodottiottenuti, iniziando dal primoSe si ottiene un risultato già ottenuto in precedenza, il numero sarà periodico, anche se non lo era in base decimale
0,35 · 2 = 0,70,7 · 2 = 1,40,4 · 2 = 0,80,8 · 2 = 1,60,6 · 2 = 1,20,2 · 2 = 0,4
0,3510 = 0,0101102
139
Numeri Naturali
Con 8 cifre binarie (o come si dice 8 bit) in binario si possono rappresentare 28 disposizioni, pari a 256 numeri diversi (disposizione con ripetizione di due simboli ):
010 = 0000 00002
110 = 0000 00012
210 = 0000 00102
310 = 0000 00112
410 = 0000 01002
...25410 = 1111 11102
25510 = 1111 11112=
Con n bit si rappresentano 2n
numeri interi- 28 => 256 numeri- 216 => 65 536 numeri- 232 => 4 294 967 296 numeri
01234567 22222222 +++++++
140
Numeri Interi Binariin Formato Modulo e Segno
Si puo’ usare un bit per esprimere l’informazione del segno+ 12710 = 0|11111112+ 12610 = 0|11111102... = ...+ 110 = 00000012+ 010 = 00000002 DUE RAPPRESENTAZIONI- 010 = 10000002 DELLO ZERO- 110 = 10000012
... = ...- 12610 = 111111102- 12710 = 111111112
In pratica questa rappresentazione non viene usata
Bit di segno +(bit piu’ significativo)
Bit di segno -(bit piu’ significativo)
{ },...2,1,0,1,2..., ++−−=Z
141
In complemento a due la sequenza di n cifre binariean-1an-2 ...a1 a0 significa -an-1 2n-1 + an-2 2n-2 +...+ a1 21 + a0 20
+ 12710 = 011111112+ 12610 = 011111102... = ...+ 110 = 000000012
010 = 000000002
- 110 = 111111112... = .- 12710 = 100000012- 12810 = 100000002
Numeri Interiin Formato complemento a due
0 quando il numero è non negativo
1 quando il numero è negativo
Rappresentazione unica dello zero
Con n = 8 bit si rappresentano numeri da –128 a +127Con n bit (cifre binarie) si rappresentano numeri da -2n-1 a +2n-1-1
Il bit piu’ significativo indicaancora il segno
142
Operazioni in Complemento a dueSomma algebrica
Somma con le regole della somma in colonna0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 + 0 = 1 1 + 1 = 0 con riporto di 1
Esempi con rappresentazione a 8 bit0000 0101 + +5 + 0000 0101 + +5 +0000 0010 +2 1111 1110 -2 0000 0111 +7 1|0000 0011 +3
Un riporto a sinistra della cifra piu’ significativa puo’ essere ignorato a patto che si ottenga come risultato un numero che puo’ essere rappresentato con il numero di bit a disposizione
Con rappresentazione a 8 bit0111 1111 +127+ 1000 0000 -128
0000 0001 1 1111 1111 -11000 0000 -128!! 1|0111 1111 +127!!
11111
Esempi di Errore di Overflow (trabocco)
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Regola per l’errore di OverflowErrore di Overflow: quando si ha superamento dei limiti di rappresentazione con i bit a disposizioneAnalizzando la due cifre piu’ significative del risultato si puo’ determinare se e’ avvenuta una condizione di overflowASSENZA DI OVERFLOW
Nessun riporto nelle due cifre piu’ significativeRiporto in entrambe le cifre piu’ significative
PRESENZA DI OVERFLOWRiporto in una sola delle due cifre piu’ significative
In un numero si dicono cifre più significative quelle cheoccupano le posizioni più a sinistra, meno significativequelle che occupano le posizioni più a destra
Es. Nel numero 102, 1 e 2 sono le cifre è più e meno significative, rispettivamente.
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InversioneLa rappresentazione in complemento a due dei numeri interi e’ adottata in tutti i computer per la semplicità della realizzazione della procedura di somma algebrica.Inverso di un numero (Cambio segno)
+7 -700000111 11111001
Complemento a 1 11111000 00000110Incremento di 1 00000001 00000001- 11111001 00000111
-7 +7
Complemento a 1: 0 diventa 1, 1 diventa 0
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Rappresentazione EsadecimaleE’ la rappresentazione in base 16
Si usano 16 cifre: (0,1,..., 9, A, B, C, D, E, F)A = 1010, B = 1110, C = 1210, D = 1310, E = 1410, F =1510
Viene usata dall’uomo per rappresentare numeri naturali (senza segno) binari o sequenze di bit in modo piùcompattoPer convertire un numero binario in esadecimale si raggruppano i bit a gruppi di quattro partendo da destra verso sinistraEsempio a 8 bit (byte)
011111112=> 0111 | 11112
=> 7 F16
Esempio a 32 bit: 1111000110101110001001111000010121111|0001|1010|1110|0010|0111|1000|0101
F| 1| A| E| 2| 7| 8| 5F1AE 278516
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Conversioni EsadecimaliPer convertire un numero da esadecimale a binario si convertono le sue singole cifre:
Per convertire un numero da esadecimale a decimale o viceversa si applica la definizione di notazione posizionale in base 16
Per convertire da decimale a esadecimale si puo’ anche convertire in base 2 e poi da base 2 a base 16
100010 / 16 = 6210 resto 86210 / 16 = 310 resto E (1410)310 / 16 = 010 resto 3
100010 = 3E816
3F16 = 3 x 161 + 15 x 160 = 6310
100010= 11111010002= 0011 1110 10002= 3E816
3F16 = 0011 111123 F
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Numeri Razionali e RealiI numeri reali devono essere rappresentati necessariamente in modo approssimatoInfatti con n bit possiamo rappresentare 2n numeri, mentre sappiamo che in ogni intervallo reale ci sono infiniti numeri realiSi utilizza una notazione a mantissa ed esponente, come nel calcolo scientifico:
1024.3 viene rappresentato come 1.0243*103
1.0243 è la mantissa3 è l’esponente
Nella rappresentazione binaria dei numeri reali la mantissa e l’esponente sono espressi in binarioLa base è 2 anziché 10
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Numeri RealiIl motivo della base 2 e’ che e’ facile dividere e moltiplicare per 2 i numeri binari, semplicemente spostando a sinistra o a destra la posizione della virgola (virgola mobile)
1101 = 1.101*23
0.0010 = 1.0*2-3
In passato sono stati usati vari formati per rappresentare i numeri realiUna convenzione si e’ imposta sulle altre
Standard IEEE 754
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Standard IEEE 754Due formati: a 32 e 64 bit (singola e doppia precisione)Descriviamo il formato a 32 bit (singola precisione)
|S|EEEEEEEE|MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM||1| 8bit | 23bit || 32 bit |
Il numero viene normalizzato in modo che il bit piùsignificativo della mantissa si trovi immediatamente a sinistra della virgola
1011.11 viene normalizzato in 1.01111*23
S un bit di segno della mantissa (bit piu’ significativo)
E 8 bit per esprimere l’esponente
M 23 bit per esprimere la mantissa
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Standard IEEE754 singola precisioneEffettuata la normalizzazione si memorizza
Il segno della mantissa ( S )La parte frazionaria della mantissa (M...M); la parte intera è sempre uguale a 1 e quindi non si memorizza!L’esponente in eccesso 127 ovvero il numero viene incrementato di 127 prima di essere convertito in binario
• quindi si rappresentano i numeri tra –127 e + 128Rappresentazione dello zero:
Il numero con esponente –127 e mantissa tutta a zero viene usato per rappresentare lo 0Zero: 0 00000000 00000000000000000000000
L’esponente +128 viene usato per rappresentare NaN (Nota Number) simbolo speciale per indicare condizioni d’errore: ad esempio il risultato dell’operazione 0 / 0
NaN: 0 11111111 00000000000000000000000
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Standard IEEE754 singola precisioneIl numero più piccolo positivo rappresentabile è
1.000000000000000000000002*2-126 ~ 1.8 * 10-38
Il numero più grande rappresentabile è:1.11111111111111111111111*2+127 ~ 3.4 * 10+38
La distanza fra due numeri reali successivi rappresentabili in questo formato dipende dal valore dell’esponente, infatti i numeri più vicini differiranno per il valore del bit meno significativo della mantissa e perciò la loro distanza sarà
∆ = 2-23* 2E dove E e’ il valore dell’esponente
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Ad esempio si consideri il numero binarioa = 1.00000000000000000000000*25 = 25 = 3210
Il numero successivo rappresentabile e’:b = 1.00000000000000000000001*25 = (1+ 2-23)*25
La distanza fra i due numeri:δ = b – a = 2-23 25 = 2-18
La distanza dei numeri rappresentabili cresce al crescere del loro valore assoluto (ovvero la densitàdei numeri rappresentabili diminuisce)Di questi fatto si deve tener conto quando si sommano numeri reali in questo formato
Standard IEEE754 singola precisione
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Densità dei numeri rappresentabili in virgola mobile
Esempio in formato IEEE754 Singola Precisione (mantissa a 23 bit)
0
δ1 = 12-23 * 2e
e = 23
δ2 = 162-23 * 2e = 16
e = 27
(1.0 + 2 -23)*223
8 388 609
1.0*223
8 388 608(1.0 + 2 -23)*227
1342177441.0*227
134217728
δ1 δ2
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Standard IEEE754Si consideri la somma 10.5 + 0.125Esprimiamo i numeri in binario e normalizziamo
10.510 = 1010.12 = 1.01012 * 23
0.12510 = 0.0012 = 1.0 * 2-3
Per eseguire la somma bisogna riportare entrambi i termini allo stesso esponente:
10.5 + 0.125 = 1.0101* 23 + 0.000001* 23 = 1.010101 * 23
Si osservi che se il numero di bit destinati alla mantissa fosse inferiore a 6, l’operazione darebbe per risultato
10.5 + 0.125 = 10.5 !!!!! (si perde l’ultimo bit!)
A causa della necessaria approssimazione introdotta dalla rappresentazione
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Standard IEEE754 doppia precisione
E’ analogo al formato a singola precisione ma usa in totale 64 bit:
1 bit per il segno della mantissa11 bit per l’esponente espresso in eccesso +102352 bit per la mantissa (senza 1 della parte intera).
|S|EEEEEEEEEEE|MMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMMM.. M|
|1| 11bit | 52bit || 64 bit |
