Dal problema all’ algoritmo 1 Analisi e programmazione Tramite un elaboratore si possono risolvere problemi di varia natura. Il problema deve essere formulato in modo opportuno, perché sia possibile utilizzare un elaboratore per la sua soluzione. Per analisi e programmazione si intende l’insieme delle attività preliminari atte a risolvere problemi utilizzando un elaboratore, dalla formulazione del problema fino alla predisposizione dell’elaboratore Scopo dell’analisi: definire un algoritmo Scopo della programmazione: tradurre l’algoritmo in un programma utilizzando un linguaggio di programmazione 2 Definizione di Algoritmo Un algoritmo è sequenza finita di azioni elementari che descrivono la soluzione di un problema in modo completo Ogni algoritmo è un insieme finito di azioni e deve terminare dopo un numero finito di istruzioni. Completo: deve considerare tutti i casi possibili che si possono verificare durante l’esecuzione e per ogni caso può indicare la soluzione da seguire. 3 Programma=algoritmo + dati Un algoritmo non può essere eseguito direttamente dall’elaboratore Programma insieme di istruzioni (o comandi) che traducono l’algoritmo in un linguaggio comprensibile ed eseguibile da parte di un elaboratore Un programma è strutturato in: - una parte di dichiarazione in cui si dichiarano tutte le variabili del programma e il loro tipo (intero, reale, stringa, ecc.) - una parte che descrive l’algoritmo risolutivo utilizzato Linguaggio di programmazione linguaggio che permette la formalizzazione di un algoritmo in un programma traducendolo con un insieme di istruzioni (codice) 4 Le fasi del procedimento di analisi e programmazione Problema ANALISI Algoritmo PROGRAMMAZIONE Programma ELABORAZIONE Dati Risultati 5 Dati su cui opera un Algoritmo: Costanti e variabili I dati su cui opera un algoritmo sono costanti e variabili Una costante è una locazione (cella) di memoria che mantiene lo stesso valore per tutta la durata dell'esecuzione del programma. Una variabile identifica una locazione (cella) di memoria destinata a contenere dei dati, che possono essere modificati nel corso dell'esecuzione di un programma. Una variabile è caratterizzata da un nome (una sequenza di caratteri e/o cifre) e da un tipo di variabile numerica, alfabetica o alfanumerica (in Visual Basic: integer, double, string). Valore Nome Rappresentazione di una variabile 6 Assegnazione L’istruzione di assegnazione definisce il valore di una variabile, che resta inalterato fino all’assegnazione successiva Es. A 5 (a=5) L’assegnazione si rappresenta con il simbolo “” nome di variabile espressione Es. A 5 si legge “assegna alla variabile A il valore di 5 I nomi delle variabili possono essere scelti in modo arbitrario, ma è opportuno selezionare nomi significativi del contenuto della variabile (senza spazi o caratteri speciali) 7 Assegnazione Esempi a = b*c a b*c 24 a 6 4 b c 6 4 b x = x+3 14 x x+3 17 x x c Prima dell’assegnazione Dopo l’assegnazione Prima dell’assegnazione Dopo l’assegnazione 8 Le istruzioni Le Istruzioni operative in un programma possonono essere: Istruzioni di controllo, che controllano il verificarsi di condizioni specificate e, in base al risultato del controllo, determinano il flusso di istruzioni da eseguire Esistono tre tipi di istruzioni di controllo: sequenza, selezione (alternativa), ripetizione (ciclo) Istruzioni di ingresso/uscita, che specificano come debba essere effettuata una trasmissione di dati tra l’algoritmo risolutivo e l’ambiente esterno Istruzioni di inizio/fine esecuzione, che indicano l’inizio/la fine dell’algoritmo 9 I diagrammi a blocchi (flowchart) Il linguaggio dei diagrammi a blocchi è un possibile formalismo per la descrizione di algoritmi; il diagramma a blocchi, o flowchart, è una rappresentazione grafica dell’algoritmo Un diagramma a blocchi definisce il flusso sequenziale di operazioni da eseguire per realizzare la soluzione del problema, descritta nell’algoritmo Ogni istruzione è rappresentata all’interno di un blocco la cui forma grafica è determinata dal tipo di istruzione (blocco di elaborazione, di lettura o di scrittura, di scelta, ecc.) I blocchi sono collegati tra loro da linee di flusso, munite di frecce, che indicano il susseguirsi di azioni elementari 10 I diagrammi a blocchi inizio leggi x Blocco iniziale Blocco di lettura (input) fine Elaborazione Blocco di elaborazione vero scrivi xX scrivi Blocco finale Condizione falso Blocco di controllo Blocco di scrittura (output) Blocchi elementari 11 I diagrammi a blocchi Un diagramma a blocchi è un insieme di blocchi elementari composto da: un blocco iniziale un blocco finale un numero finito di blocchi di elaborazione e blocchi di lettura/scrittura un numero finito di blocchi di controllo 12 maggiore 13 Costanti e variabili Il valore di una variabile deve appartenere all’insieme di definizione, su cui si opera (numeri interi, reali o stringhe). Una variabile è caratterizzata dal nome e dal suo valore che è = 0 in fase di definizione dell’algoritmo, ma assume poi valori ben precisi durante ogni esecuzione Esempio: Nell’algoritmo di risoluzione delle equazioni di 2° grado, a, b, c non corrispondono a nessun valore finché non si esegue l’algoritmo per trovare le soluzioni di una specifica equazione: ad esempio x29x4=0: in fase di esecuzione il valore delle variabili a,b,c sarà: a=1, b=9, c=4 e nell’istruzione =b24ac viene calcolato il valore della variabile (discriminante) 14 Esempio Radici di equazioni di 2° grado Problema: Calcolo delle radici reali dell’equazione di secondo grado ax2+bx+c=0 Algoritmo: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Acquisire i coefficienti a,b,c Calcolare = b24ac Se <0 non esistono radici reali, eseguire l’istruzione 7) Se = 0, x1= x2 = b/2a, poi eseguire l'istruzione 6) Calcolare x1 = (b +)/2a x2 = (b )/2a Comunicare i valori x1, x2 Fine 15 I diagrammi a blocchi inizio Diagramma a blocchi dell’algoritmo per il calcolo delle radici dell’equazione di 2° grado ax2 + bx + c = 0 Leggi a,b,c delta b2 4ac Algoritmo (pseudocodifica): Vero 1. Acquisire i coefficienti a,b,c 2. Calcolare = b24ac 3. Se <0 non esistono radici reali, eseguire l’istruzione 7 4. Se = 0, x1= x2 = b / 2a, poi eseguire l'istruzione 6 5. Calcolare x1 = (b +) / 2a Calcolare x2 = (b ) / 2a 6. Stampare i valori x1, x2 scrivi “non ci sono radici reali” 7. Fine Falso delta<0 Falso Vero delta=0 x1 b/2a x1 (b+sqrt(delta))/2a x2 b/2a x2 (bsqrt(delta))/2a scrivi x1 e x2 16 fine ALGORITMI e PROGRAMMI Algoritmo Un algoritmo non può essere eseguito direttamente dall’elaboratore Codifica dell’algoritmo Programma Programma: sequenza ordinata di istruzioni, scritte in un determinato linguaggio di programmazione, che specificano le azioni da compiere dall’esecutore (il computer). Algoritmo Programma 17 Programma = algoritmo + dati Un programma è strutturato in: - una parte dichiarativa in cui si dichiarano tutte le variabili del programma e il loro tipo (intero, reale, stringa, ecc.) - una parte che descrive l’algoritmo risolutivo utilizzato Linguaggio di programmazione linguaggio che permette la formalizzazione di un algoritmo in un programma traducendolo con un insieme di istruzioni (codice) 18 ALGORITMI e PROGRAMMI PROBLEMA metodo risolutivo ALGORITMO PROGRAMMA linguaggio di programmazione 19 LINGUAGGI: SINTASSI E SEMANTICA Sintassi: l’insieme delle regole che consentono di scrivere parole e frasi riconoscibili come appartenenti ad un determinato linguaggio. (collegamento ordinato delle parole nel discorso) Semantica : la disciplina che studia il significato delle parole e delle frasi. 20 LINGUAGGI a BASSO e ALTO LIVELLO Linguaggi di Programmazione a basso livello impostano la soluzione di un problema a partire da “passi elementari”: risolvono il problema con efficienza ma sono molto vasti per risolvere algoritmi complesssi. Esempio: Assembly Linguaggi di Programmazione ad alto livello (di astrazione) le istruzioni corrispondono ad operazioni più complesse esempi: Pascal, Basic, C, C++, Java, Visual Basic ASTRAZIONE: processo di aggregazione di informazioni e dati per costruire un modello del mondo esterno. 21 Linguaggi di programmazione Problema Algoritmo Programma sorgente Risultati Dalla formulazione del problema alla sua soluzione Programma traduttore Elaborazione Programma oggetto 22 Evoluzione dei Linguaggi Esistono numerosi linguaggi differenti per funzionalità e tecnologia anni ‘60 metà anni ’60 BASIC COBOL metà anni ’50 FORTRAN 1968 Pascal Linguaggi di Programmazione Imperativa 1974 C 1991 VB 1990 C++ Linguaggi Ibridi 1994 Java 2000 Java Linguaggi Orientati agli Oggetti 23 Programma sorgente Programma sorgente Istruzioni di dichiarazione Descrivono le variabili utilizzate dal programma, definendone tipo e struttura Istruzioni di assegnazione Consentono di assegnare alle variabili un valore L’algoritmo risolutivo viene trasformato in un programma che può contenere: Istruzioni di input e output Richiedono l’ingresso o l’uscita di una Strutture informazione da una alternativa e periferica alla strutture di ripetizione o cicli memoria centrale e viceversa Istruzioni di controllo 24 Programma La traduzione da Linguaggio di programmazione a Linguaggio macchina viene fatta da un programma traduttore di linguaggio Due diversi approcci alla traduzione basata su interprete basata su compilatore I linguaggi di programmazione che richiedono un interprete sono definiti linguaggi interpretati, mentre quelli che richiedono un compilatore sono chiamati linguaggi compilati 25 Programma Linguaggi Interpretati La traduzione avviene per mezzo di un interprete, che traduce una riga del programma per volta, ed la esegue immediatamente, Analogia: gli interpreti simultanei nelle trasmissioni televisive o nei congressi Vantaggi: controllo del codice è immediato Svantaggi: i programmi scritti con linguaggi interpretati, per essere eseguiti, hanno bisogno dell'interprete (es. Visual Basic, Java) Linguaggi Compilati La traduzione avviene per mezzo di un compilatore, che traduce per intero il programma in un nuovo oggetto Analogia: i traduttori di libri o riviste Vantaggi: generano un eseguibile, che può essere eseguito senza bisogno di altri supporti (es. C) Svantaggi: correggere gli errori richiede più tempo 26 Linguaggi compilati C, C++, Fortran Linguaggi interpretati Perl, PHP, Visual Basic Linguaggi interpretati e compilati Java 27 Compilazione codice sorgente es:primo.c Compilazione Compilatore librerie esterne precompilate es: stdio.h codice oggetto (ling. macchina) es: primo.obj Collegamento codice eseguibile es: primo.exe Linker 28 Ambiente di sviluppo E’ necessario disporre di vari strumenti Scrittura del codice del programma editor di testi (es: Blocco Note, Kate, Emacs) Ambiente di sviluppo: Compilatore e Linker delle librerie DevC++, CodeBlocks Linux gcc (C), g++ (C++) 29 Struttura di Base di un Programma #include <stdio.h> <altre eventuali direttive> int main(){ <dichiarazioni> <operazioni> } 30 Calcolo area rettangolo #include <stdio.h> int main() { int base, altezza, area; printf("AREA RETTANGOLO\n\n"); printf("Valore base: "); scanf("%d", &base); //Input printf("Valore altezza: "); scanf("%d", &altezza); //Input area = base*altezza; printf("Base: %d\n", base); printf("Altezza: %d\n", altezza); printf("Area: %d\n", area); // Output } 31 Direttive di preprocessore servono ad “includere” nel programma codice già scritto (librerie) in particolare: #include <stdio.h> include il codice relativo alle operazioni di lettura e stampa dei dati da console è necessaria un’operazione di collegamento tra le librerie incluse ed il codice del programma (linker) 32 Elementi Sintattici di Base Il codice è composto di istruzioni dichiarazioni dei dati (costanti, variabili e loro tipo) operazioni sui dati In C e C++ tutte le istruzioni si concludono con il punto e virgola ; 33 Commenti Testi che forniscono informazioni sul programma ignorati dal compilatore Esempi: 1. // primo esercizio 2. /* ----------------------------------Dichiarazioni su più righe ----------------------------------- */ 3. // ----------------------------------// Dichiarazioni // ----------------------------------- 34 Variabili e costanti Parole chiave: int float double char bool string Dichiarazione di variabili Esempi: int x, y; float a; double b; char a; Dichiarazione di costanti Parola chiave: const Esempio: const int N=10; const float pigreco = 3.14; 35 Operatori e Funzioni Predefinite Principali operatori: Aritmetici : + - * / % Logici: && || ! (AND,OR,NOT) Relazionali o di confronto == > >= < <= != Principali funzioni predefinite: (#include <math.h> pow() sqrt() exp() log() 36 Istruzioni di Assegnazione Esempio: int x,y; x = 3; x = x+1; x = pow(y,2); z = (x>y) && (y <=10); char segno = ‘X’; 37 Fine 38 Esempio di diagramma a blocchi inizio Somma di una sequenza di N numeri N S= A S= S+A N=N-1 NO N= SI S FINE 39 40 41 42 La programmazione strutturata È stato dimostrato (Teorema fondamentale della programmazione strutturata di Jacopini e Böhm) che ogni programma può essere codificato attenendosi esclusivamente a tre strutture fondamentali: 1. Sequenziale 2. Condizionale o alternativa 3. Iterativa o di ripetizione v f 43 Le strutture di controllo • La sequenza • Struttura condizionale o alternativa • Il ciclo con controllo alla fine • Il ciclo con controllo all'inizio • Il ciclo con contatore 44 La sequenza È una struttura di controllo che permette di inserire una successione di elaborazioni che saranno eseguite una di seguito all'altra. Sintassi Le istruzioni vengono scritte una di seguito all'altra, una per riga: istruzione1 istruzione2 ... …. 45 Strutture di controllo Mediante i blocchi fondamentali, è possibile costruire delle strutture tipicamente utilizzate per il controllo del flusso di esecuzione dell’algoritmo: • Selezione • Iterazione o cicli Selezione Esprime la scelta tra due possibili azioni 46 La Struttura alternativa • È una struttura di controllo che permette di inserire una scelta tra due possibilità, che porteranno a due elaborazioni distinte (ovvero due distinti percorsi nel diagramma di flusso). •Se la condizione risulterà vera, saranno eseguite le istruzioni del ramo VERO, se invece risulta falsa, saranno eseguite le istruzioni del ramo FALSO. 47 Struttura di controllo iterativa o ciclo Il ciclo con controllo alla fine È una struttura di controllo che permette di ripetere un blocco di istruzioni finché la condizione indicata è falsa. L'uscita dal ciclo si ha solo quando la condizione diventa vera. In questo tipo di ciclo il blocco delle istruzioni viene sempre eseguito almeno una volta. 48 Ciclo Enumerativo Un ciclo è detto enumerativo quando è noto a priori il numero di volte che deve essere eseguito si usa la tecnica del contatore per controllarne l’esecuzione: si usa cioè una variabile detta contatore del ciclo che viene incrementata (o decrementata) fino a raggiungere un valore prefissato Ciclo Indefinito Un ciclo è indefinito quando non è noto a priori il numero di volte che deve essere eseguito Questo accade quando la condizione di fine ciclo dipende dal valore di una o più variabili contenute nell’interazione. 49 Struttura di controllo iterativa o ciclo Il ciclo con controllo all'inizio È una struttura di controllo che permette di ripetere un blocco di istruzioni fintanto che la condizione indicata risulta vera. L'uscita dal ciclo si ha solo quando la condizione diventa falsa. In questo tipo di ciclo il blocco delle istruzioni può non essere mai eseguito, a seconda della condizione impostata. 50 Strutture di controllo Strutture di ripetizione o cicli Esprime la ripetizione di una sequenza di istruzioni. Nel caso piu` generale, e` costituita da: Inizializzazione: assegnazione dei valori iniziali alle variabili caratteristiche del ciclo (viene eseguita una sola volta); Corpo: esecuzione delle istruzioni fondamentali del ciclo che devono essere eseguite in modo ripetitivo; Modifica: modifica dei valori delle variabili che controllano l'esecuzione del ciclo (eseguito ad ogni iterazione); Controllo: determina se il ciclo deve essere ripetuto o meno. può essere svolto in testa o in coda alle istruzioni 51 Schema di iterazione E’costituito da una sequenza di azioni di assegnazione dette istruzioni di inizializzazione e una iterazione (ripetizione) di una sequenza di azioni per un numero specificato di volte 52 Struttura di ripetizione (ciclo) con controllo in coda Do ... While /* File: media_numeri.c */ #include <stdio.h> int main() { int numero ; int conta ; float somma ; float media ; somma = 0 ; /* INIZIALIZZA LE VARIABILI */ conta = 0 ; printf("Inserire una serie di numeri. Zero per finire \n") ; 53 Struttura di ripetizione (ciclo) con controllo in coda Do ... While printf("Inserisci numero: ") ; scanf ("%d", &numero) ; do {somma += numero; //somma=somma + numero; conta = conta + 1 ; printf("Inserisci numero: ") ; scanf ("%d", &numero); }while ( numero != 0 ); media = somma/conta ; printf("\nNumeri inseriti %d, Somma %.2f, Media %.2f \n", conta, somma, media); } 54 Struttura di ripetizione (ciclo) con controllo in testa While /* File: media_numeri.c */ #include <stdio.h> int main() { int numero ; int conta ; float somma ; float media ; somma = 0 ; /* INIZIALIZZA LE VARIABILI */ conta = 0 ; 55 Struttura di ripetizione (ciclo) con controllo in testa While printf("Inserire una serie di numeri. Zero per finire \n") ; printf("Inserisci numero: ") ; scanf ("%d", &numero) ; while ( numero != 0 ) {somma = somma + numero ; conta = conta + 1 ; printf("Inserisci numero: ") ; scanf ("%d", &numero); } media = somma/conta ; printf("\nNumeri inseriti %d, Somma %.2f, Media %.2f \n", conta, somma, media); } 56 Il ciclo con contatore FOR I=0 ISTRUZIONI I=0 I<NUM È una struttura di controllo che permette di ripetere un blocco di istruzioni un numero prestabilito di volte. I=I+1 La variabile contatore verrà inizializzata con il valore minimo (I=0) e, alla fine di ogni ripetizione (NEXT), la variabile verrà incrementata di uno. ISTRUZIONI I>NUM I=I+1 Solo quando la variabile assume un valore superiore al massimo previsto si uscirà dal ciclo. 57 Struttura di sequenza Fra tutti i possibili schemi di flusso ne esistono alcuni che sono detti schemi fondamentali di composizione Schema di sequenza: è uno schema elementare o uno schema di sequenza inizio A fine 58 Struttura di selezione Schema di selezione: un blocco di controllo subordina l’esecuzione di due possibili schemi di flusso al verificarsi di una condizione Nel primo caso, lo schema S viene eseguito solo se la condizione C è vera; se C è falsa, non viene eseguita alcuna azione Nel secondo caso, viene eseguito solo uno dei due schemi Sv o Sf, in dipendenza del valore di verità della condizione 59 Struttura iterativa o di ripetizione Il ciclo o loop è uno schema di flusso per descrivere, in modo conciso, situazioni in cui uno gruppo di operazioni deve essere ripetuto più volte La condizione di fine ciclo viene verificata ogni volta che si esegue il ciclo; se la condizione assume valore vero (falso), le istruzioni vengono reiterate, altrimenti si esce dal ciclo La condizione di fine ciclo può essere verificata prima o dopo l’esecuzione dell’iterazione Le istruzioni di inizializzazione, assegnano valori iniziali ad alcune variabili (almeno a quella che controlla la condizione di fine Ciclo con controllo in testa Ciclo con controllo in coda ciclo) 60 Gli algoritmi iterativi Problema: Calcolare la somma di tre interi consecutivi( es. 13+14+15) Note: La fase di inizializzazione riguarda la somma e l’indice del ciclo Il controllo di fine ciclo viene effettuato in coda 61 Gli algoritmi iterativi 4 Un ciclo è definito quando è noto a priori il numero di iterazioni: un ciclo definito è detto anche enumerativo Un contatore del ciclo tiene memoria di quante iterazioni sono state effettuate; può essere utilizzato in due modi: incremento del contatore: il contatore viene inizializzato ad un valore minimo (ad es. 0) e incrementato ad ogni esecuzione del ciclo; si esce dal ciclo quando il valore del contatore eguaglia il numero di iterazioni richieste decremento del contatore: il contatore viene inizializzato al numero di iterazioni richiesto e decrementato di uno ad ogni iterazione; si esce quando il valore del contatore raggiunge 0 62 Gli algoritmi iterativi 5 Un ciclo è indefinito quando non è possibile conoscere a priori quante volte verrà eseguito La condizione di fine ciclo controlla il valore di una o più variabili modificate da istruzioni che fanno parte dell’iterazione Comunque, un ciclo deve essere eseguito un numero finito di volte, cioè si deve verificare la terminazione dell’esecuzione del ciclo 63 Gli algoritmi iterativi Problema: Calcolo della media di un insieme di numeri; non è noto a priori quanti sono i numeri di cui deve essere calcolata la media I numeri vengono letti uno alla volta fino a che non si incontra un x = 0, che segnala la fine dell’insieme 64 Fine 65 I vettori v(1) v(2) v(3) v(4) Vettore v, costituito dai 4 elementi v(1), v(2), v(3), v(4) L’utilizzo di variabili vettoriali, in un algoritmo, presuppone la dichiarazione esplicita della loro dimensione La dimensione del vettore costituisce un limite invalicabile per la selezione delle componenti del vettore Esempio: v(100) asserisce che il vettore v è costituito da 100 elementi; possono essere selezionati v(12), v(57), v(89), ma non v(121) o v(763), che non esistono 66 I vettori Esempio: Calcolare il vettore somma di due vettori di uguale dimensione n 5 7 a(1) a(2) 6 9 0 a(3) 1 3 a(4) 5 b(1) b(2) b(3) b(4) 11 16 1 8 c(1) c(2) c(3) c(4) 67 I vettori Esempio: algoritmo per calcolare il vettore somma di due vettori Note: L'utilità dei vettori consiste nell’impiego della tecnica iterativa in modo da effettuare la stessa operazione su tutti gli elementi del vettore Usando la variabile contatore di un ciclo come indice degli elementi di un vettore è possibile considerarli tutti, uno alla volta, ed eseguire su di essi l’operazione desiderata 68 I vettori Esempio: Algoritmo per il calcolo del massimo elemento di un vettore vero 69 Esempio Radici di equazioni di 2° grado Problema: Calcolo delle radici reali dell’equazione di secondo grado ax2+bx+c=0 Algoritmo: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Acquisire i coefficienti a,b,c Calcolare = b24ac Se <0 non esistono radici reali, eseguire l’istruzione 7) Se = 0, x1= x2 = b/2a, poi eseguire l'istruzione 6) Calcolare x1 = (b +)/2a x2 = (b )/2a Comunicare i valori x1, x2 Fine 70 I diagrammi a blocchi inizio Diagramma a blocchi dell’algoritmo per il calcolo delle radici dell’equazione di 2° grado ax2 + bx + c = 0 Leggi a,b,c delta b2 4ac Algoritmo (pseudocodifica): Vero 1. Acquisire i coefficienti a,b,c 2. Calcolare = b24ac 3. Se <0 non esistono radici reali, eseguire l’istruzione 7 4. Se = 0, x1= x2 = b / 2a, poi eseguire l'istruzione 6 5. Calcolare x1 = (b +) / 2a Calcolare x2 = (b ) / 2a 6. Stampare i valori x1, x2 scrivi “non ci sono radici reali” 7. Fine Falso delta<0 Falso Vero delta=0 x1 b/2a x1 (b+sqrt(delta))/2a x2 b/2a x2 (bsqrt(delta))/2a scrivi x1 e x2 71 fine