Paradigmas de Linguagens de Programa

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Paradigmas de Linguagens de Programação
Augusto Sampaio acas_at_cin.ufpe.br http//www.cin.uf
pe.br/acas
Recife, primeiro semestre de 2015
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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)

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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

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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

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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

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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

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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)

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Visão Geral de LinguagenseParadigmas de
Programação
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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)

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Aspectos do estudo de linguagens

• Sintaxe gramática (forma)
• Semântica significado
• Pragmática (ex. metodologias)
• Processadores
  compiladores, interpretadores, editores,
  ambientes visuais ...

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Por que tantas linguagens?

• Propósitos diferentes
• Avanços tecnológicos
• Interesses comercias
• Cultura e background científico

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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

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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

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Modelo Computacional do Paradigma Imperativo
Entrada
Saída
Programa
Estado
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Vantagens do modelo imperativo

• Eficiência (embute modelo de Von Neumann)
• Modelagem natural de aplicações do mundo real
• Paradigma dominante e bem estabelecido

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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

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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)

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Modelo Computacional do Paradigma Orientado a
Objetos
...
. . .
. . .
. . .
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Vantagens do Paradigma Orientado a objetos

• Todas as do estilo imperativo
• Classes estimulam projeto centrado em dados
  modularidade, reusabilidade e extensibilidade
• Aceitação comercial crescente

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Problemas do Paradigma OO

• Semelhantes aos do paradigma imperativo, mas
  amenizadas pelas facilidades de estruturação

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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

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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

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Modelo Computacional do Paradigma Orientado a
Aspectos
Aspecto
Aspecto
...
. . .
. . .
. . .
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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

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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

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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 ...

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Modelo Computacional do Paradigma Funcional
Entrada
Saída
Programa
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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

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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, ...

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Modelo Computacional do Paradigma Lógico
Entrada
Saída
Programa
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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

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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

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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.

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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
• ...

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Um breve histórico
Smalltalk
C PROLOG
1980....................Ada...........DBASE-II....
..............................................
1990..........................................
...........................Haskell..........Godel.
..
CommonLISP Erlang F Lua
2000...C.....................................
..................................................
.......
Imperativo
Funcional
Lógico
Orientado a objetos
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Um breve histórico

• Para mais detalhes, inclusive de versões das
  linguagens
• http//www.levenez.com/lang/

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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)

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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, ...