Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.1 -

TEMA 2.DISEÑO Y PARADIGMAS DE LOS

LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN.

Lecciones 3,4,5,6,7,8

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.2 -

Precedentes (I)

• El diseño de lenguajes es un problema complejo

• En los lenguajes de programación hay muchos errores de diseño

• Se han considerado ideas erróneas– FORTRAN

• uso del GOTO

• declaración implícita de variables

– COBOL• Sentencias demasiado largas

• Farragoso de escribir y leer

• Uso del GOTO

– APL • si puede significar algo, lo significa

– LISP • una sintaxis simple es más fácil de aprender

• Los paréntesis dificultan escribir programas

• La lectura es compleja por una sintaxis demasiado homogénea

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.3 -

Precedentes (II)

– C • el programador sabe lo que hace

– Obtener direcciones de variables locales

– Printf no comprueba el tipo y número de los argumentos

– C++ • se puede extender C al paradigma orientado

a objeto (demasiados compromisos de compatibilidad)

• Uso intensivo de apuntadores a objetos

• Lenguaje demasiado complicado

– Un lenguaje se puede utilizar para todo tipo de desarrollo de software

• Aun con muchos errores de diseño es importante estudiar los lenguajes de programación existentes ya que aportan muchas ideas

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.4 -

Consideraciones Preliminares

• ¿Cual es el propósito del lenguaje?– No hay un lenguaje bueno para todo

– Aplicación específica• Bases de datos, sistemas expertos, cálculo

numérico, programación simbólica, diseño algorítmico, etc.

• ¿Es necesario diseñar un nuevo lenguaje?– Ya existe un lenguaje apropiado

• El nuevo lenguaje se diferencia de los existentes

– Se consume demasiado tiempo en el diseño e implementación de un nuevo lenguaje

• Es demasiado fácil diseñar un lenguaje incompleto

• Lenguaje demasiado especializado

• Sacrificar características del lenguaje por un compilador simple.

– Otras opciones• Un modulo o librería de funciones

• Ampliar un lenguaje de programación

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.5 -

Fuentes de Ideas

• Lenguaje natural (COBOL)– Fácil de leer y escribir

– Ambiguo

– Solo se puede implementar un subconjunto

• Lenguajes matemáticos (APL)– No ambiguos

– Crípticos

– La programación no es matemáticas

• Lenguajes de programación– Errores de diseño (pasado)

• Hay que valorar cada característica de un lenguaje existente antes de incluirla en el nuevo lenguaje

• Pruebas y experimentos – Programar con el lenguaje antes de haber

acabado su diseño• Sirve para detectar los problemas del diseño

y tomar decisiones difíciles.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.6 -

Objetivos y Filosofías de Diseño

• Comunicación humana

• Prevención y detección de errores

• Usabilidad

• Efectividad

• Compilabilidad

• Eficiencia

• Independencia de la máquina

• Simplicidad

• Uniformidad

• Ortogonalidad

• Generalización y especialización

• Otras filosofías de diseño

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.7 -

Comunicación humana (I)

• Se busca una comunicación eficiente entre el programador y el ordenador

• Un buen nivel de comunicación se da cuando los programas son leíbles– No ha de ser necesaria una documentación

externa al programa (minimizar)

– Es más importante que un programa sea leíble que escribible

• Un programa se escribe una vez, pero se lee muchas durante su depuración, documentación y mantenimiento.

• Tendencia actual a separar la interfaz de la implementación de un módulo

– La sintaxis ha de reflejar la semántica• Reducir las manipulaciones implícitas

– Coerciones (coerciones de PL/I o C)

– ON de BASIC para eventos o excepciones

– Constructores y destructores de C++ (necesarios, pero complican el seguimiento del flujo de ejecución)

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.8 -

Comunicación humana (II)

– El lenguaje ha de representar los patrones de pensamiento humanos

• No hay que crear una sintaxis pensada exclusivamente para

– un modelo de cómputo teórico (-calculus)

– un conjunto de instrucciones de la máquina

– facilitar la compilación (forth)

– El programador no es un ordenador• Que el compilador entienda una estructura

es posible que el programador no– Evitar incluso la posibilidad de escribirlas

– Reducir el conocimiento contextual

– El programador no funciona con una pila como el programa compilado.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.9 -

Prevención y detección de errores

• El programador comete errores– Hay que prevenir los errores

• El programador es su fuente– El programador no sabe lo que hace y el

compilador ha de limitar sus acciones (EUCLID, PASCAL)

– Hacer imposible cierto tipo de errores• Ejecutar datos -> control de flujo limitado

• Errores en el uso de datos -> Tipado fuerte

• Apuntadores erróneos -> Gestión de memoria implícita (LISP, PROLOG, ML, etc).

– Hay que facilitar su detección, identificación y corrección

• Redundancia– Tener que declarar antes de utilizar.

– Evitar coerciones inductoras de errores• float a int por su perdida de precisión

• Comprobaciones en tiempo de ejecución– Indice de array fuera de limites

– Control sobre los apuntadores a NULL

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.10 -

Lenguaje Utilizable y Efectivo

• Un lenguaje ha de ser fácil de utilizar– Un lenguaje ha de ser fácil de aprender y

recordar• Evitar la necesidad de consultar el manual

(C++ no cumple)

• Lenguaje simple (C++ no cumple)

• Aprendizaje incremental (PROLOG no cumple, LISP si cumple)

– El comportamiento del lenguaje ha de ser predecible

• el uso de void* de C++ es incomprensible

• Efectividad– Los detalles de implementación no han de

oscurecer las intenciones del programador• Soportar abstracción

• Modularidad: Separar especificación de implementación

– Los Efectos de un cambio han de quedar localizados

– Evitar los trucos (programas ilegible)

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.11 -

Otras filosofías de diseño

• Compilabilidad– Se ha de poder compilar programa en un

tiempo reducido

– Se ha de poder depurar o aplicar otras herramientas de análisis

• Eficiencia: La ejecución ha de ser rápida

• Independencia de la máquina

• Simplicidad

• Uniformidad: lenguaje predecible

• Ortogonalidad– Todas las características del lenguaje se

han de poder combinar

• Generalización y especialización– La generalización dice que algo similar

también es correcto, pero es difícil de implementar

– Hay que especializar para facilitar la implementación sin perder la utilidad del lenguaje

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.12 -

Diseño Detallado

• Microestructura

• Estructura de las expresiones

• Estructuras de datos

• Estructuras de control

• Estructura de compilación

• Estructura de la entrada/salida

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.13 -

Reducción del Tamaño

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.14 -

Pragmatismo

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.15 -

Ejemplos: Lenguajes de Programación y su Diseño

• El lenguaje C– Aplicación: programación de sistemas

– Programador: experto

– Sacar el mayor rendimiento posible del ordenador

• PASCAL– Aplicación: docencia

– Programador: inexperto

• LISP– Aplicación: procesamiento simbólico

– Desarrollo rápido

• PROLOG– Aplicación: procesamiento simbólico

– Programación lógica

– Desarrollo rápido

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.16 -

El Lenguaje C (I)

• Lenguaje pensado para el desarrollo de sistemas operativos (unix)– Rendimiento/velocidad de ejecución

– Programador experto

– Código compacto

• Redimiento/Velocidad de ejecución– Operaciones básicas simples

– Apuntadores• uso para los strings y arrays

• Estructuras de datos referenciadas por apuntadores (paso por referencia explícito)

– Gestión de memoria explícita

– En las primeras versiones las funciones solo retornan datos que puedan ir en un registro del procesador

– Optimización explícita• Incremento y decremento

• Operaciones con asignación incluida

• variables register

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.17 -

El Lenguaje C (II)

– En contra de la velocidad• Cálculos en coma flotante con la máxima

precisión posible

• Programador experto– Amplio uso de coerciones

• Implícitas– char -> int -> double

– double <- int <.- char

– void* -> tipo*, tipo* -> void*

• Explícitas– El programador puede convertir cualquier

tipo de datos en cualquier otro.• int -> void*

– Flujo de ejecución• break y continue

• goto local

• long jump

– Obtención de direcciones• Se puede obtener la dirección de cualquier

variable aunque esta sea local

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.18 -

El Lenguaje C (III)

– Prioridades de operadores complejas• Casi cualquier combinación de operadores

es aceptada por el compilador

• Otras cuestiones– Falta de un método por defecto para la

gestión de excepciones• Códigos de error retornados por las

funciones de la librería que continuamente ha de verificar el programa

– Faltan comentarios de una línea

– Palabras clave con diferentes significados según el contexto

• static

– Semántica ambigua• Incrementos en una expresión

– Métodos para la escritura de programas transportables soportados por el programador

• Compilación condicional

• sizeof

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.19 -

El Lenguaje C (IV)

– Sintaxis de los comentarios confundible (A=b/*p)

• Código compacto– La mayor parte de las instrucciones se

traducen a unas pocas instrucciones de código máquina

– Faltan instrucciones de alto nivel• Strings

– Tratamiento por apuntadores

– Gestión explicita de la memoria

– Considerar continuamente si la reserva de memoria es suficiente

• No hay copia de datos compuestos– Asignación array a array

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.20 -

PASCAL

• Docencia– Estructura muy rígida de los programas

– Un buen nivel de abstracción

– Transportable

– Lenguaje simplificado• Falta de módulos y librerías

• Librería básica muy limitada

– Escritura farragosa de los programas

– Minimización del uso de coerciones• Todo lo que hace el programa se indica

explícitamente

– Pensado para la resolución de problemas por subdivisión

• Definiciones anidables de funciones y procedimientos

– Tipado fuerte

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.21 -

LISP

• Sintaxis demasiado simple– Difícil escritura y lectura de los programas

• Comprobaciones semánticas en tiempo de ejecución– Variables declaradas

– Tipos de datos

• Enfoque pragmático– Programación imperativa y funcional

• Orientado a optimizar el desarrollo frente a la velocidad de ejecución– Gestión de memoria implícita

– Uso de listas para todo

– Amplia librería de funciones

• Diseño por etapas– Funciones repetidas

• setq y setf

– Parches para mantener compatibilidad• forma de creación de los places

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.22 -

PROLOG

• Programación declarativa y lógica

• Implementación del cálculo de predicados– Faltan funciones (-prolog)

• Difícil modularidad

– Un método de programación demasiado alejado de la programación habitual

– Gramática de operadores extensible

– Totalmente transportable

– Modulariza las búsquedas• Convierte los bucles de una búsqueda en

una secuencia lineal de aplicación de predicados

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.23 -

C++

• Orientación a objeto de C– Mantener la compatibilidad con C

• Uso masivo de apuntadores

• Tratamiento de excepciones no soportado por las librerías estándar

– Rendimiento• Complica el lenguaje

– Static en métodos

– Métodos virtuales y no virtuales

– Templates

• Destructores por gestión de memoria explícita

• Apuntadores y referencias

• Otros– comentarios de una línea fáciles de escribir

y leer (repetición de //)

– Implementación parcial de las coerciones

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.24 -

ADA

• Lenguaje pensado para grandes proyectos de software– Facilitar el uso de librerías

• Interfaz separa de la implementación del módulo

• Control exhaustivo sobre la interfaz

– Fácil lectura y detección de posibles bugs• Sintaxis de las instrucciones de control de

flujo con marcadores claros de inicio y fin (If then else end if)

• Etiquetas visibles <<etiqueta>>

• Coerciones explicitas

– Reducción de los errores• Definición de excepciones para controlar

errores de ejecución– Acceso a array fuera de rango

– Un case del que no se selecciona ninguna opción

• Atributos asociados a las variables: – un array tiene asociado el atributo de su

tamaño

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.25 -

Opciones en el Diseño (I)

• Sintaxis de control de flujo– Instrucción compuesta

• C, PASCAL (for (;;) ; {...}

– Instrucciones de control de flujo con claros marcadores de inicio y fin

• ADA

– Instrucción vacía• Explicita ADA (null)

• Implícita C, PASCAL (; o nada)

• Lenguaje orientado a – Instrucción: ADA, PASCAL

– Expresión: C, funcionales

• Marcadores de las estructuras sintácticas– Si: PASCAL, ADA

– No: C, C++

• Expresiones– Riqueza de operadores C, C++

– Pobreza de operadores PASCAL, ADA

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.26 -

Opciones en el Diseño (II)

• Sistema de tipos– No tipado: LISP, BASIC

– Tipado: C, PASCAL, ADA, etc.

• Código genérico– Datos marcados con su tipo en ejecución

– Tipos paramétricos

– templates

• Gestión de memoria– Explicita: C, PASCAL, ADA

• Velocidad

– Implícita: LISP, PROLOG, Java, funcionales

• Simplicidad

• Gestión de errores de ejecución– Responsabilidad del programador: C, C++

– Responsabilidad del lenguaje ADA

– Excepciones sin declarar C++

– Excepciones declaradas Java

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.27 -

Opciones en el Diseño (III)

• Estructura declaraciones– Rígida: PASCAL, ADA

– Poco rígida: C

– Libre: C++

• Ámbitos– Expresión LISP

– Instrucción compuesta C, C++, Java

– Función C, C++, PASCAL, ADA

– Espacios de nombres

– Clases

– Paquetes

– Módulos

• Coerciones– Explicitas: ADA

– Pocas implícitas: PASCAL

– Muchas implícitas: C, C++

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.28 -

• Lección 5. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN. Valores. Almacenamiento. Ligaduras. Abstracción.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.29 -

• Lección 6. SISTEMAS DE TIPOS Y LENGUAJES IMPERATIVOS. Monomorfismo. Polimorfismo. Tipos Paramétricos. Inferencia de Tipos. Coerciones. Subtipos. Flujos de control. Excepciones.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.30 -

• Lección 7. ENCAPSULACIÓN Y PARADIGMAS DE OBJETOS. PROGRAMACIÓN FUNCIONAL Y PROGRAMACIÓN LÓGICA. Tipos abstractos. Objetos. Clases. Herencia. Funciones. Pattern matching. Valores y tipos. Funcionales. Programación lógica. Cláusulas, relaciones y términos. Concepto de mundo cerrado.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.31 -

• Lección 8. CONCURRENCIA. ENTRADA, SALIDA Y FICHEROS. Paradigmas concurrentes de alto nivel (Rendezvous). Entrada / salida incluida en las primitivas del lenguaje o en bibliotecas de funciones. Tipos de datos y la entrada / salida. Conceptos de entrada / salida en un lenguaje. Ejemplos: Pascal, C, C++.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.32 -

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.33 -

• Lección 3. OBJETIVOS Y FILOSOFÍAS DE DISEÑO. Consideraciones preliminares. Fuente de ideas. Comunicación humana. Prevención y detección de errores. Utilizabilidad. Programación efectiva. Compilabilidad. Eficiencia. Independencia del hardware. Simplicidad. Uniformidad. Ortogonalidad.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.34 -

• Lección 4. CONSIDERACIONES PRACTICAS. Generalización y especialización. Reducción de tamaño. Pragmatismo. Metodología.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.35 -

• Lección 5. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN. Valores. Almacenamiento. Ligaduras. Abstracción.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.36 -

• Lección 6. SISTEMAS DE TIPOS Y LENGUAJES IMPERATIVOS. Monomorfismo. Polimorfismo. Tipos Paramétricos. Inferencia de Tipos. Coerciones. Subtipos. Flujos de control. Excepciones.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.37 -

• Lección 7. ENCAPSULACIÓN Y PARADIGMAS DE OBJETOS. PROGRAMACIÓN FUNCIONAL Y PROGRAMACIÓN LÓGICA. Tipos abstractos. Objetos. Clases. Herencia. Funciones. Pattern matching. Valores y tipos. Funcionales. Programación lógica. Cláusulas, relaciones y términos. Concepto de mundo cerrado.

Compiladores I (04/19/23 18:32) - 2.38 -

• Lección 8. CONCURRENCIA. ENTRADA, SALIDA Y FICHEROS. Paradigmas concurrentes de alto nivel (Rendezvous). Entrada / salida incluida en las primitivas del lenguaje o en bibliotecas de funciones. Tipos de datos y la entrada / salida. Conceptos de entrada / salida en un lenguaje. Ejemplos: Pascal, C, C++.

• Lección 5. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN. Valores. Almacenamiento. Ligaduras. Abstracción.