Paradigmas de Linguagens de
Programação
Augusto Sampaio
[email protected]
http://www.cin.ufpe.br/~acas
Recife, primeiro semestre de 2015
Objetivos
Análise crítica de paradigmas e linguagens
de programação:
• Visão geral dos paradigmas imperativo,
orientado a objetos e funcional
• Discutir alternativas de projeto de
linguagens
• Estudo de linguagens através de ambientes
de execução (interpretação)
Tópicos a serem apresentados
• Visão geral de linguagens e
paradigmas
• Uma linguagem de expressões e sua
implementação em Java
• Introdução à programação funcional
• Implementando funções
• Uma linguagem de comandos
Tópicos a serem presentados
• Implementando estruturas de controle,
I/O e atribuição
• Procedimentos e passagem de parâmetros
• Implementando procedimentos
• Tipos abstratos de dados
• Implementando tipos abstratos de dados e
classes
• Implementando subtipos e herança
• Outros conceitos e paradigmas
apresentados nos projetos
Metodologia de Ensino
• A ênfase do curso é em conceitos
• Java será utilizada como uma ferramenta
prática de apoio
– para ilustrar o paradigma OO
– como meta-linguagem para construir
interpretadores
• Os conceitos estudados serão
sedimentados através da implementação
incremental de construções de linguagens
dos diversos paradigmas
Avaliação
• 2 projetos em equipe (de até 3 pessoas) a
serem realizados durante o decorrer do
curso, ou um único projeto de maior
complexidade
• Prova explorando aspectos conceituais e de
implementação das construções
• Os projetos valem 50% e a prova 50% da
média final
Bibliografia
– Conceitos e Paradigmas de Programação via Projeto de
Interpretadores. Augusto Sampaio e Antônio Maranhão
– Programming Language Design Concepts, David Watt and
W. Findlay, John Wiley & Sons
• Programming Language Concepts and Paradigms, David Watt,
Prentice Hall
– Programming Language, An Interpreter-Based Approach,
Samuel Kamin, Addison Wesley
– http://www.mozart-oz.org/
– Concepts, techniques and models of computer
programming, Peter Van Roy and Seif Haridi
– Introduction to Functional Programming, R. Bird and P.
Wadler, Prentice Hall
– Seu livro favorito sobre Java (Java 1.5 ou posterior)
Visão Geral de Linguagens
e
Paradigmas de Programação
O que caracteriza uma
Linguagem de Programação?
• Gramática e significado bem definidos
• Implementável (executável) com
eficiência ‘‘aceitável’’
• Universal: deve ser possível expressar
todo problema computável
• Natural para expressar problemas
(em um certo domínio de aplicação)
Aspectos do estudo de
linguagens
•
•
•
•
Sintaxe: gramática (forma)
Semântica: significado
Pragmática (ex.: metodologias)
Processadores:
compiladores, interpretadores,
editores, ambientes visuais ...
Por que tantas linguagens?
•
•
•
•
Propósitos diferentes
Avanços tecnológicos
Interesses comercias
Cultura e background científico
O que é um paradigma de
programação?
• Modelo, padrão ou estilo de programação
suportado por linguagens que agrupam
certas características comuns
• A classificação de linguagens em
paradigmas é uma conseqüência de decisões
de projeto que impactam radicalmente a
forma na qual uma aplicação real é
modelada do ponto de vista computacional
O Paradigma Imperativo
• Programas centrados no conceito de um
estado (modelado por variáveis) e ações
(comandos) que manipulam o estado
• Paradigma também denominado de procedural,
por incluir subrotinas ou procedimentos como
mecanismo de estruturação
• Primeiro paradigma a surgir e ainda é o
dominante
Modelo Computacional do
Paradigma Imperativo
Entrada
Programa
Estado
Saída
Vantagens do modelo
imperativo
• Eficiência (embute modelo de Von
Neumann)
• Modelagem “natural” de aplicações do
mundo real
• Paradigma dominante e bem
estabelecido
Desvantagens do paradigma
imperativo
• Relacionamento indireto entre E/S
resulta em:
– difícil legibilidade
– erros introduzidos durante manutenção
– descrições demasiadamente operacionais
focalizam o como e não o que
O Paradigma Orientado a
Objetos
• Não é um paradigma no sentido estrito: é
uma subclassificacão do imperativo
• A diferença é mais de metodologia quanto à
concepção e modelagem do sistema
• A grosso modo, uma aplicação é estruturada
em módulos (classes) que agrupam um estado
(atributos) e operações (métodos) sobre
este
• Classes podem ser estendidas e/ou usadas
como tipos (cujos elementos são objetos)
Modelo Computacional do
Paradigma Orientado a
Objetos
Entrada
Entrada
Programa
Programa
Saída
Estado
Estado
Entrada
Entrada
Programa
Programa
Saída
Estado
Estado
..
.
..
.
Saída
...
Entrada
Programa
Estado
..
.
Saída
Saída
Vantagens do Paradigma
Orientado a objetos
• Todas as do estilo imperativo
• Classes estimulam projeto centrado
em dados: modularidade,
reusabilidade e extensibilidade
• Aceitação comercial crescente
Problemas do Paradigma OO
• Semelhantes aos do paradigma
imperativo, mas amenizadas pelas
facilidades de estruturação
O Paradigma Orientado a
Aspectos
• Não é um paradigma no sentido
estrito
• A diferença é mais de metodologia
quanto à concepção e modelagem do
sistema
• É uma nova forma de modularização:
– Para “requisitos” que afetam várias
partes de uma aplicação
O Paradigma Orientado a
Aspectos
• A grosso modo, uma aplicação é
estruturada em módulos (aspectos) que
agrupam pontos de interceptação de código
(pointcuts) que afetam outros módulos
(classes) ou outros aspectos, definindo
novo comportamento (advice)
• Aspectos podem ser estendidos e/ou
usados como tipos
Modelo Computacional do
Paradigma Orientado a
Aspectos
Entrada
Entrada
Aspecto
Programa
Programa
Saída
Estado
Estado
Entrada
Entrada
Programa
Programa
Saída
Estado
Estado
..
.
..
.
Saída
...
Entrada
Programa
Estado
..
.
Saída
Aspecto
Saída
Vantagens do Paradigma
Orientado a Aspectos
• Todas as do paradigma OO
• Útil para modularizar conceitos que a
Orientação a Objetos não consegue
(crosscutting concerns)
– Em especial, aqueles ligados a requisitos
não funcionais
• Aumenta a extensibilidade e o reuso
Problemas do Paradigma
Orientado a Aspectos
• Semelhantes aos do OO
• Ainda é preciso diminuir a relação
entre classes e aspectos
• Problemas de conflito entre aspectos
que afetam a mesma classe
O Paradigma Funcional
• Programas são funções que descrevem uma
relação explícita e precisa entre E/S
• Estilo declarativo: não há o conceito de
estado nem comandos como atribuição
• Conceitos sofisticados como polimorfismo,
funções de alta ordem e avaliação sob
demanda
• Aplicação: prototipação em geral, IA,
concorrência, core de várias soluções ...
Modelo Computacional do
Paradigma Funcional
Entrada
Programa
Saída
Visão Crítica do Paradigma
Funcional
• Vantagens
Manipulação de programas mais simples:
- Prova de propriedades
- Transformação (exemplo: otimização)
- Concorrência explorada de forma natural
• Problemas
“O mundo não é funcional!”
Implementações ineficientes
Mecanismos primitivos de E/S e formatação
O Paradigma Lógico
• Programas são relações entre E/S
• Estilo declarativo, como no paradigma
funcional
• Abstração: não determinismo
• Na prática, inclui características
imperativas, por questão de eficiência
• Aplicações: prototipação em geral,
sistemas especialistas, banco de
dados, ...
Modelo Computacional do
Paradigma Lógico
Entrada
Programa
Saída
Visão Crítica do Paradigma Lógico
• Vantagens
Em princípio, todas do paradigma funcional
Permite concepção da aplicação em um alto
nível de abstração (através de associações
entre E/S)
• Problemas
Em princípio, todos do paradigma funcional
Linguagens usualmente não possuem tipos,
nem são de alta ordem
Outros “Paradigmas”
•
•
•
•
Agentes
Linguagens de domínio específico
...
Desenvolvimento baseado em componentes?
Linhas de produtos de software?
• Desenvolvimento de sistemas de sistemas?
– Paradigmas de desenvolvimento, não de
programação
Tendência: integração de
paradigmas
• A principal vantagem é combinar
facilidades de mais de um paradigma,
aumentando o domínio de aplicação da
linguagem
• Exemplos: linguagens lógicas ou funcionais
com o conceito de estado e comandos
• A integração deve ser conduzida com muita
cautela, para que não se viole os princípios
básicos de cada paradigma.
Outras Classificações
• Linguagens de 1a., 2a., 3a. 4a. e 5a.
gerações
• Programação seqüencial versus
concorrente
• Programação linear versus
programação visual (visual
programming)
• Metaprogramação e reflexão
• Linguagens de script
• ...
Um breve histórico
1950........................................................................................................
FORTRAN
1960.......................ALGOL-60...........COBOL......LISP.........................
SIMULA
ALGOL-68
PL/I BASIC
1970..................Pascal............................................................................
Smalltalk
C
PROLOG
Modula-2
ML
1980....................Ada...........DBASE-II..................................................
Miranda
Eifell C++
1990.....................................................................Haskell..........Godel...
CommonLISP Erlang F#
Delphi Java Python Ruby
Lua
2000...C#..............................................................................................
Orientado a objetos
Imperativo
Funcional
Lógico
Um breve histórico
• Para mais detalhes, inclusive de
versões das linguagens:
– http://www.levenez.com/lang/
Evolução centrada em níveis
crescentes de abstração
• Linguagens de máquina
– Endereços físicos e operation code
• Linguagens Assembly
– Mnemônicos e labels simbólicos
• Linguagens de “alto nível”
– Variáveis e atribuição (versus acesso direto à
memória)
– Estruturas de dados (versus estruturas de
armazenamento)
Evolução centrada em níveis
crescentes de abstração
– Estruturas de controle (versus jumps e
gotos)
– Estrutura de blocos como forma de
encapsulamento
– Generalização e parametrização
(abstração de tipos de valores)
– Classes, processos, aspectos, ...