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Lenguajes de programación
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Las personas para comunicarse entre sà utilizan un lenguaje que puede ser oral o escrito. En general, para comunicar algo Lenguajes de programación siempre se usa un lenguaje. La informática no queda excluida del uso de lenguajes, ya que estos son la manera de especiaficar las acciones que se desea sean realizadas en la computadora.
Agregado: 06 de JULIO de 2008 (Por Ramiro Gomez) | Palabras: 6114 | Votar | Sin Votos | Sin comentarios | Agregar Comentario
Categoría: Apuntes y MonografÃas > Computación > Lenguajes informaticos >
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Autor: Ramiro Gomez (ramiagomez@yahoo.com.ar)
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Introducción
Las personas para
comunicarse entre sí
utilizan un lenguaje
que puede ser oral o
escrito. En general,
para comunicar algo
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Lenguajes de programación |
siempre se usa un
lenguaje.
La informática no
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queda excluida del uso
de lenguajes, ya que
estos son la manera de especiaficar las acciones que se desea
sean realizadas en la computadora.
En otras palabras, son la interfase entre el programador y la
computadora. A través de ellos podemos desarrollar programas
o aplicaciones, que se componen por un conjunto de
instrucciones que luego se ejecutarán en la computadora
haciendo uso de sus recursos (CPU, memoria, disco, etc.).
Los lenguajes de programación están destinados a distintos
ambitos, dependiendo de sus características que simplifican
algunas tareas y complejizan otras.
Pueden estar destinados a aplicaciones científicas, aplicaciones
de negocios, inteligencia artificial, programación de sistemas,
scripting, y también disponemos de lenguajes de propósitos
especiales.
Los lenguajes de programación tienen una estructura compleja
que se compone de varias partes: sintáxis, semántica, elementos
del lenguaje, nivel de abstracción, paradigma, estructuras de
control para ordenar la ejecución de los programas, tipos de
datos (números, letras, etc.), y funciones o procedimientos
(unidades) que contienen un conjunto de instrucciones, entre
otras.
No hay un único tipo de lenguajes, sino que se clasifican según
las características que posean y según el paradigma y conceptos
que soporten.
• Por su nivel:
o Bajo nivel. No hay abstracciones de datos ni de procesos. Ejemplos: Assembler, editores hexadecimales.
o Alto nivel. Permite abstraer varios aspectos que simplifican la programación. En general son algo menos eficientes que los de bajo nivel. Ejemplos, Pascal, Ada, Java, C++, Prolog, etc.
• Por su jerarquización:
o Primera generación. Fue el primer lenguaje. Se utilizan unos y ceros para representar los "cableados", que anteriormente se hacían a mano. Ej: Lenguaje máquina.
o Segunda generación. Se asignan nombres simbólicos para las distintas instrucciones, que internamente son combinaciones de unos y ceros. Ej: Assembler.
o Tercera generación. Lenguajes de alto nivel. Son los más populares y más fáciles de usar.
o Cuarta generación. Lenguajes 4GL, o de gestión de bases de datos; como SQL, QueryByExample, etc.
• Por el manejo de las instrucciones:
o Imperativos: Un programa se especifica por medio de una secuencia de instrucciones que se ejecutan de esa manera, en secuencia. Ej: FORTRAN.
o Orientados a objetos: Soportan abstracciones de datos y procesos conocidas como objetos. Ej: C+ +, Ada, Java, Smalltalk.
o Funcionales: Especifican una solución como un conjunto y una composición de funciones. Ej: Miranda, Haskell, ML, Camel.
o Lógicos: Permiten obtener resultados lógicos o relaciones entre elementos. Ej: Prolog.
o Concurrentes, paralelos y distribuidos: Soportan procesamiento paralelo, es decir, al mismo tiempo. Pascal Concurrente, Java (hilos).
• Por la programación:
o Imperativos: Incluye los paradigmas imperativo y
orientado a objetos. o Declarativos: Incluye los paradigmas funcional y
lógico.
Características de los lenguajes de programación
Tenemos muchas características, pero en general las más deseables son que el lenguaje sea expresivo, legible y eficiente. Otras las enumeramos a continuación.
V simplicidad : Aumenta la legibilidad y la facilidad de escritura, aunque demasiada simplicidad tiene el efecto contrario sobre la legibilidad. Aumenta la confiabilidad del software ya que al ser más sencillo, la verificación y detección de errores es más sencilla.
V estructuras de control: Controlan el flujo de ejecución de los programas. Influyen en la legibilidad y en la facilidad de escritura. Aumentan el control que el programador tiene sobre un programa, y por lo tanto aumenta la confiabilidad. Ejemplos son las estructuras IF-THEN-ELSE, WHILE, FOR, etc.
■S tipos y estructuras de datos: son muy útiles ya que organizan la información de acuerdo a su tipo y en estructuras de datos convenientes. Los tipos y estructuras de datos aumentan la confiabilidad ya que es posible el chequeo de tipos.
y Diseño de sintaxis: Determina la manera en que se combinan los símbolos y elementos de un lenguaje. Influye en la legibilidad y facilidad de escritura, en la confiabilidad y en los costos.
V Soporte para abstracción: minimiza la complejidad de los problemas a resolver agrupandolos de acuerdo a ciertas características. Está comprobado que esta característica aumenta la legibilidad y facilidad de escritura así como la confiabilidad.
V Expresividad: Se refiere a la naturalidad con la que un lenguaje expresa sus sentencias. Aumenta la legibilidad y la confiabilidad, y en general disminuye la facilidad de escritura y el costo de aprendizaje.
V Chequeo de tipos: Impacta mucho en la confiabilidad ya que muchos programadores tienen tendencia a cometer errores de tipos (por ejemplo, cuando se necesita una matriz, usan un vector). El chequeo puede ser estático (en tiempo de compilación) o dinámico (durante la ejecución). El chequeo dinámico es más flexible pero produce sobrecarga durante la ejecución.
V Manejo de excepciones: Aumenta la confiabilidad porque permite al programador definir el comportamiento que tendrá el programa ante tal o cual excepción. Es una
característica muy deseable, aunque sólo se encuentra disponible en los lenguajes más modernos. Ciertos lenguajes antiguos han incorporado el manejo de excepciones en sus versiones más nuevas.
Sintáxis de los lenguajes de programación
La sintaxis de un lenguaje de programación es la estructura en que se organizan los distintos elementos sintácticos, como espacios, identificadores, operadores, etc. Es decir el orden que tienen unos con respecto a otros.
Una sintaxis se evalúa según varios criterios: que sea fácil de leer, de escribir, de verificar (chequear en busca de errores), fácil de traducir y que carezca de ambigüedad. Esta última significa que un mismo código puede tener 2 o más interpretaciones o traducciones posibles, en cuyo caso no se puede decidir que alternativa elegir.
Los elementos de la sintáxis son: alfabeto, identificadores (nombres de variables, constantes, etc.), símbolos de operadores (+,-,etc), espacios en blanco, delimitadores y corchetes, palabras pregonadas (palabras que se pueden omitir sin alterar el significado), palabras clave y reservadas (propias del lenguaje), comentarios y expresiones.
El principal problema de una sintáxis es cómo se la define. Para esto existen metalenguajes que permiten definir la manera en que se combinan los símbolos y elementos. Estos metalenguajes o notaciones formales son un conjunto de reglas que especifican el modelo de construcción de las cadenas aceptadas por el lenguaje. Es decir que un metalenguaje es un lenguaje que define a un lenguaje de programación. Sus elementos son símbolo distinguido, metasímbolos y metavariables.
o Símbolo distinguido: Punto de partida para la generación
de todas las cadenas. o Metasímbolos: ( | (o), ::= (es), <metavariable> ). o Metavariables: Pueden ser terminales o no terminales.
o Terminales: Son palabras que forman los símbolos
no terminales.
o No terminales: Son identificadores que tienen un
definición hecha con más metavariables, de
manera que es posible reemplazarlas por sus
definiciones.
Otra manera de llamarlo a este tipo de gramáticas es "gramáticas
BNF" (Backus Naur Form), que son un metalenguaje que define
las reglas de formación de las cadenas aceptadas por un lenguaje de programación. Fueron inventadas por Backus Naur para el desarrollo del lenguaje de programación Algol 60. Ejemplo: <expresión> ::= {<suma>}+ <multiplicación> | {<suma>}+ <división> Existe una representación visual de una gramática BNF, que son los grafos sintácticos. Esots usan flechas, círculos y rectángulos. Sus ventajas son que son más fáciles de entender para el ojo humano.
Una vez que tenemos definada la sintáxis de nuestro lenguaje, el compilador deberá determinar si las cadenas de texto ingresadas por los usuarios son válidas de acuerdo a esta sintáxis. Para esto se utilizan árboles de análisis sintáctico y algoritmos de parsing.
Semántica de los lenguajes de programación
La semántica de un lenguaje de programación se refiere al significado que adoptan las distintas sentencias, expresiones y enunciados de un programa. La semántica engloba aspectos sensibles al contexto, a diferencia de la sintaxis que considera aspectos libres de contexto. Los principales elementos de la semántica son:
• variables: se refieren a
locaciones de memoria ligadas a
un nombre y a un tipo.
• valores y referencias: los
valores son el estado de
determinada celda o grupo de celdas de la memoria,
mientras que las referencias indican la posición de esa
celda en memoria. Estos 2 conceptos están muy
involucrados con los punteros. La mayoría de los
lenguajes los soportan, aunque son una conocida fuente
de errores de programación.
• expresiones: Son
construcciones sintácticas que permiten
combinar valores con operadores y producir nuevos
valores. Son los elementos de los que se componen los
enunciados. Las expresiones pueden ser aritméticas (a
+b*c), relacionales (a <= b && c > a), lógicas (a && b ||
c)
o condicionales (if (a*b > 2)...). Cada una de estas tiene
una semántica especifica que la define. Por ejemplo en
una expresión aritmética el tipo esperado es numérico
(esto es int, long, etc.), los operadores deben ser +,-,*, /;
y las funciones utilizadas dentro de ésta deben retornar
valores numéricos.
Semántica estática. Gramática de atributos: Las gramáticas de atributos son más poderosas que las BNF porque permiten formalizar aspectos sensibles al contexto.
Por ejemplo, el chequeo de tipos depende del contexto porque debemos saber el tipo esperado y el actual y determinar si son compatibles. El tipo esperado lo obtenemos del contexto analizando la definición de la variable. Si la variable num1 está definida de tipo String, y más adelante le queremos asignar el valor 1000, se producirá un error de tipo. La gramática de atributos de compone de:
• atributos:
o heredados: son
los que se
obtienen de un
elemento más general. Esquema de arriba hacia abajo. Por ejemplo, number y float. En este caso float heredará los atributos de number e incorporará nuevos atributos propios de su tipo.
o sintetizados: se conocen a partir de los sub-elementos, como ser un subrango. Esquema de abajo hacia arriba, opuesto a los atributos heredados.
o intrínsecos: Estos atributos se obtienen de tablas externas, fuera del árbol de derivación.
• condiciones: Son hechos que
se evalúan si suceden o no.
Por ejemplo, if(num>=20) ...
• reglas: A partir de un
conjunto de condiciones se forman
las reglas. Por ejemplo:
if (tipo(actual) == tipo(esperado)) { analisisBien = true; }
else {
analisisBien = false;
}
Elementos de los lenguajes de programación
Presentaremos a continuación varios de los elementos que conforman un lenguaje de programación.
Entidades: Son los elementos sobre los que trabaja un programa. Pueden ser subprogramas, variables, rótulos y sentencias. Tienen atributos, a los que se asocian a través de un mecanismo llamado ligadura.
Atributos: nombre, valor, tipo, locación de memoria, tiempo de vida, alcance y alias. Estas son las características de cada una de las entidades, es decir que un subprograma tendrá un nombre, una locación de memoria, tendrá un valor (el valor que retorna), tendrá un alcance, etc.
Ligaduras: Se refiere a asociar un atributo con una entidad. Las entidades ligables son subprogramas, variables y constantes, tipos, parámetros formales, excepciones y etiquetas. Las ligaduras se pueden producir en distintos momentos, como en la compilación o en la ejecución.
Tiempos de ligadura: Según el momento en que se realicen se las llama estáticas o dinámicas.
o Ligadura estática: Son menos flexibles, pero más seguras, detección temprana de errores y permiten una mayor eficiencia. Se produce en lenguajes orientados a la compilación. o Ligadura dinámica (en tiempo de ejecución): son más flexibles pero menos seguras. Mayor costo de ejecución. Se produce en lenguajes orientados a la ejecución. Corresponden a las que no se pueden realizar en un paso anterior y necesitan del programa en ejecución para hacerlas. Un ejemplo es la asignación de un valor a un nodo de un árbol. Como antes de la ejecución no se conoce la locación de memoria en la que se almacena el nodo, es imposible hacer la asignación. En este caso el atributo de locación se conoce sólo en tiempo de ejecución. Declaraciones: Son sentencias que crean una ligadura entre un tipo, un nombre y un valor. A veces el valor se puede omitir, por ej: String suNombre. Tenemos 2 tipos de declaraciones.
? declaraciones implícitas: ocurren cuando se usa por primera vez la variable. Son muy inseguras y pueden provocar errores difíciles de detectar. Un ejemplo es FORTRAN, en el que las variables que empiezan con i son de tipo entero.
? declaraciones explícitas: se usa el tipo de manera explícita.
o secuenciales: usan en ellas declaraciones previas. Por ejemplo, en Pascal podemos definir un tipo sub-rango que va de 0 a 365, y a este lo usamos como tipo de los elementos de un tipo arregloAño que definamos.
o recursivas: se las utiliza para definir estructuras
dinámicas como árboles, grafos y listas. Se llaman
recursivas porque la definición se incluye a sí
misma.
Ambiente de referenciamiento: Es el conjunto de entidades que
son visibles o pueden ser referenciadas en una parte
determinada del código. El uso de una entidad fuera del
ambiente de referenciamiento al que pertenece produce un error.
El lenguaje C dentro de UNIX provee un mecanismo novedoso
para pasar ambientes de referenciamiento de un lugar a otro, y
se llama "conductos".
Alcance y visibilidad: Muy relacionadas con ambientes de referenciamiento. Una entidad es visible dentro de su alcance. Y el alcance es hasta donde una entidad puede ser referenciada. Estructura general de un programa: Tenemos 3 tipos de estructuras que puede tener un programa, y cada una se corresponde con determinados lenguajes.
• Estructura monolítica: Se
compone de un programa
principal y variables globales. Las declaraciones,
ambiente y alcance son globales. Es la estructura más
antigua y menos flexible. La incorporan lenguajes como
COBOL. Aumentan los costos de mantenimiento y hacen
tediosa esta labor.
• Estructura en bloques chatos:
Las declaraciones son
globales y en varios subprogramas. El ambiente es global
y propio de cada subprograma y el alcance dentro de un
subprograma es a este y al ambiente global. Es decir que
no está permitido acceder desde un subprograma al
ambiente de referenciamiento de otro. La incorporan
lenguajes como C++ y Java.
• Estructura en bloques anidados:
Similar a la de bloques
chatos pero es posible definir subprogramas dentro de
subprogramas. Más nivel de profundidad. Las
declaraciones son globales y locales a cada subprograma.
El alcance es dentro de cada subprograma e incluye los
subprogramas de nivel más alto. El ambiente incluye cada
subprograma, los subprogramas de nivel más alto y el
ambiente global.
Datos: desde el punto de vista informático, es un hecho que se representa en la computadora. Los programas manipulan datos con el fin de producir información. Por ejemplo, una base de datos almacena gran cantidad de datos y debe asegurar su
consistencia. Un programa contable registra y procesa datos de
ventas, compras y movimientos de dinero. Es decir, los datos son
la entrada de los procesos o subprogramas.
Variables y constantes: Los datos se almacenan en variables y
constantes. Las variables son identificadores que poseen una
locación de memoria, un nombre, un tipo, etc. Pueden cambiar
su valor durante la ejecución del programa. Las constantes no
pueden cambiar su valor y se las define en tiempo de
implementación del programa. Pueden ser literales o definidas
(por el programador).
Atributos de las variables y constantes:
? nombre: el nombre es la cadena de caracteres que está asociada con una posición de memoria. De esta manera se logra mejorar la legibilidad (al descartar el uso de la memoria a través de números).
? valor: es el estado que contiene cada variable o constante. Este estado se representa con secuencias de bits. El dominio de valores que puede tomar una variable se determina por su tipo. Por ejemplo, si una variable es de tipo booleano los valores que podrá tomar serán true y false, y ningún otro. La correspondencia entre los bits y los valores que representan se definen en tiempo de definición del lenguaje (para el caso de los tipos primitivos).
? tipo: el tipo es muy importante porque permite hacer verificación de tipos. El tipo indica el dominio de valores que podrá tomar la variable o constante. Dentro de los tipos tenemos los numéricos enteros y flotantes (int, long, double, etc.), los caracteres y los booleanos. Hay casos en los que también se incluyen dentro del lenguaje el tipo "fracción" y el tipo "número imaginario".
? locación de memoria: es la posición de memoria que representa la variable o constante. En la mayoría de los lenguajes la asignación de ésta es automático. Menos en lenguaje máquina, assembler y similares. Puede ser estática, basada en pila o dinámica (heap).
? alcance: una variable es visible dentro de su alcance. Puede definirse estáticamente (en base a la posición en que se encuentra dentro del código) o dinámicamente (según la secuencia de ejecución de los subprogramas). Por ejemplo, decimos que el alcance de una variable declarada en un subprograma tiene un alcance local y global, o sea que puede ser referenciada desde el
ambiente global y desde el subprograma, pero no se puede desde otro subprograma.
? tiempo de vida: se refiere al intervalo de tiempo durante el que la variable o constante existen. Generalmente una variable local tendrá un tiempo de vida igual al que se ejecuta el subprograma en el que está definida.
? alias: muchas veces puede ser útil disponer de más de un nombre para una variable. Con el uso de alias pueden surgir problemas con respecto a las referencias.
Expresiones: Son construcciones sintácticas que a partir de valores y operadores calculan nuevos valores. Sus componentes son operadores y operandos. Se las usa para modificar el estado de las variables. En general se las asigna a variables. Mediante el uso de expresiones se pueden realizar cálculos matemáticos, lógicos o relacionales.
■ Clasificación
> aritméticas: calculan el resultado de hacer operaciones de suma, resta, multiplicación y división entre varios valores. Pueden ser unarias, binarias o ternarias. Generalmente estas expresiones son las que se evalúan primero. El resultado de su evaluación es numérico, y a su vez se pueden usar en una nueva expresión.
> relacionales: se usan para determinar si un valor es mayor, menor, mayor o igual o menor o igual que otro valor. El resultado de la evaluación de estas expresiones es un valor lógico (verdadero o falso). En general, estas expresiones se evalúan después de las aritméticas.
> lógicas: calculan un valor lógico a partir de otros valores del mismo tipo. Los operadores de estas expresiones son "y" (and, &&), "o" (or, ||) y "no" (not, !). Se evalúan después de las relacionales.
> condicionales: se usan para ejecutar un código u otro de acuerdo a la evaluación lógica de estas, que pueden ser una combinación de distintos tipos de expresiones. El resultado final de esta combinación tiene que devolver un valor booleano, verdadero o falso.
Estructuras de control a nivel expresión: Tenemos estructuras de control en varios niveles. Estos son a nivel expresión, a nivel sentencia y a nivel unidad. Gracias a las estructuras de control podemos manejar y controlar la ejecución de un programa y la evaluación de los operandos.
> Implícitas: son reglas que tiene
el lenguaje que no son
visibles. Están documentadas en el manual de referencia
de cada lenguaje.
o precedencia: los operadores se encuentran clasificados en niveles, y según en el que estén se evaluarán primero o no. Por ejemplo los operadores aritméticos están en un nivel más bajo que los lógicos.
o asociatividad: dentro de cada nivel también hay un orden, según el cual se evalúan los operandos.
> Explícitas: se determina por
medio de los símbolos de
paréntesis el orden que debe seguir la evaluación de una
expresión.
o uso de paréntesis: si deseamos que la expresión se evalúe en un orden distinto al que indican las reglas de precedencia y asociatividad, es posible usar paréntesis. El uso indiscriminado de paréntesis compromete la legibilidad del código. Ejemplo: sin paréntesis a+b*c. Acá se evalúa b*c y luego se le suma a. En cambio con paréntesis (a +b)*c se evalúa a+b y a este resultado se lo multiplica por c.
Tipos de datos
Un tipo es un atributo que poseen las variables (y objetos) y que permite definir el dominio de valores que puede tomar cada una. También permiten el chequeo de tipos para detectar errores de programación.
Tenemos 3 grandes grupos de tipos: los tipos predefinidos y definidos por el usuario, los tipos estructurados y los dinámicos (que usan punteros).
Los tipos predefinidos y definidos por el usuario representan los numéricos flotantes y enteros, los caracteres y los booleanos (valores verdadero o falso). Entre otros tipos extendidos tenemos los fraccionales y los numéricos imaginarios.
