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Nomes, vinculações e escopos

Introdução

Introdução

  • Linguagens imperativas são baseadas na arquitetura de von Neumann

  • A variáveis são uma abstração das células de memória

    • Inteiros

    • Arranjo com 3 dimensões

  • As variáveis tem um conjunto de propriedades: tipo, valor, memória, escopo, etc.

  • Vamos estudar questões sobre a semântica das variáveis

Nomes

Nomes

  • Nomes ou identificadores são associados a rótulos, subprogramas, variáveis, etc

  • Questões de projeto para os nomes

    • Os nomes são sensíveis a diferenciação entre minúsculas e maiúsculas?

    • As palavras especiais são palavras reservadas ou palavras chave?

Nomes

  • Tamanho

    • Limite pequeno para o tamanho do nome dificulta a leitura

    • Fortran 95: 31

    • C99: nomes internos, sem limites, mas apenas 63 são significativos

    • C99: nomes externos, 31

    • Ada: pelo menos 200

    • C++, Java, C#: sem limites

Nomes

  • Caracteres especiais

    • PHP: nomes de variáveis precisam iniciar com $

    • Perl: inicia com um caractere especial que indica o tipo: $ escalar, @ arranjo e % hash

    • Ruby: variáveis de instância iniciam com @ e variáveis de classe com @@

    • Avaliação?

Nomes

  • Sensível a diferenciação entre minúsculas e maiúsculas

    • Nomes nas linguagens baseadas em C são sensíveis ao caso

    • Algumas outras linguagens não são

    • Nomes pré-definidos (bibliotecas) em Java e C# incluem maiúsculas e minúsculas

    • Avaliação? \pause

      • A diferenciação pode ser ruim pois nomes que parecem iguais são diferentes

      • A não diferenciação restringe o espaço de nomes (Em Java é comum cosntruções do tipo var pessoa = new Pessoa(...){.java})

Nomes

  • Palavras especiais

    • Ajudam na legibilidade, são usadas para separar cláusulas

Nomes

  • Uma palavra chave é uma palavra que tem um significado especial em determinados contextos

    • Integer apple ; significado especial, tipo da variável

    • Integer = 4

    • Dificulta a legibilidade

Nomes

  • Uma palavra reservada é uma palavra que não pode ser usada como um nome

    • Muitas palavras reservadas podem restringir as opções de nomes do programador

    • Ex: Cobol tem 300 palavras reservadas

Variáveis

Variáveis

  • Abstração de célula(s) de memória

  • Caracterizada como uma sêxtupla

    • Nome

    • Tipo

    • Endereço (l-value)

    • Valor (r-value)

    • Tempo de vida

    • Escopo

Variáveis

  • Nome

    • Maioria das variáveis são nomeadas

    • Existem células de memória (variáveis) que não são nomeadas

  • Endereço (l-value)

    • É o endereço da memória que a variável esta associada

    • Uma variável pode ter diferente endereços ao longo da execução do programa

    • Diversas variáveis podem ter o mesmo endereço (apelidos)

Variáveis

  • Tipo

    • Determina o intervalo de valores e as operações

  • Valor (r-value)

    • É o conteúdo da célula (abstrata) de memória associada com a variável

    • Célula física vs célula abstrata

  • Tempo de vida e escopo são discutidos posteriormente

O conceito de vinculação

O conceito de vinculação

  • Associação entre um atributo e uma entidade

  • Momento da vinculação (quando a vinculação ocorre)

    • Projeto da linguagem

    • Implementação da linguagem

    • Tempo de compilação

    • Tempo de ligação

    • Tempo de carregamento

    • Tempo de execução

O conceito de vinculação

Exemplo

int cont;
...
cont = cont + 1;
printf("contagem: %d\n", cont);

Compreender quando as vinculações ocorrem é pré requisito para entender a semântica de uma linguagem de programação

Vinculação de atributos a variáveis

  • Vinculação estática

    • Ocorre antes da execução do programa e permanece inalterada

  • Vinculação dinâmica

    • Ocorre ou é altera durante a execução do programa

Vinculação estática de tipo

  • Como o tipo é especificado?

    • Declaração explícita

      • int x

    • Declaração implícita (através de convenção)

      • Fortran: variáveis (que não foram explicitamente declaradas) cujo o nome começa com I, J, K, L, M, ou N são inteiras, caso contrário, reais

      • Perl: nome inicia com $, @ ou %

      • Facilita a escrita, mas prejudica a confiabilidade (nem tanto no Perl)

Vinculação dinâmica de tipo

  • O tipo da variável não é especificada por uma declaração e nem é possível determinar o tipo pelo nome

  • O tipo é vinculado quando um valor é atribuído a variável

    # mudar o tipo de uma variável em um mesmo contexto
# não é uma boa prática
list = [10.2, 3.5]
list = 47

Vinculação dinâmica de tipo

  • Vantagens \pause

    • Flexibilidade

    • Expressividade

    • Facilidade de escrita

      def max(x, y):
    return x if x >= y else y

    \pause

  • Desvantagens \pause

    • Menos confiável (a detecção de erros de tipo pelo compilador é reduzida)

    • Custo (checagem dinâmica de tipo e interpretação)

    • Dificuldade em criar um bom suporte nos editores

Vinculação estática de tipo

  • Inferência de tipo: os tipos são determinados pelo compilador a partir do contexto

  • Exemplo ML:

    fun vezes10(x) = 10 * x;
fun vezes10(x) = 10.0 * x;
fun quadrado(x) = x * x;
fun quadrado(x): int = x * x;
fun quadrado(x): real = x * x;

Vinculação de memória e tempo de vida

  • Alocação: tomar uma célula de memória de um conjunto de memória disponível

  • Desalocação: devolver uma célula de memória desvinculada ao conjunto de memória disponível

  • Tempo de vida: é o tempo durante o qual a variável está vinculada a uma célula de memória específica

Vinculação de memória e tempo de vida

  • Classificação segundo tempo de vida de variáveis escalares

    • Estática

    • Dinâmica na pilha

    • Dinâmica explícita no heap

    • Dinâmica implícita no heap

Vinculação de memória e tempo de vida

  • Estática: vinculada a célula de memória antes da execução do programa e permanece vinculada a mesma célula durante a execução

    • Exemplos: Variáveis globais, variável static dentro de uma função em C \pause

    • Vantagens: eficiência, sensibilidade a história

    • Desvantagens: a mesma memória não pode ser compartilhada por variáveis diferentes, redução da flexibilidade

Vinculação de memória e tempo de vida

  • Dinâmica na pilha: vinculada a célula de memória quando a sua declaração é elaborada

    • Exemplos: Variáveis locais em Java \pause

    • Vantagens: permite recursão e compartilhamento de memória

    • Desvantagens: Custo da alocação e desalocação, subprogramas não podem ser sensível ao contexto, acesso indireto

Vinculação de memória e tempo de vida

  • Dinâmica explícita no heap: alocada explicitamente pelo programador, a alocação acontece em tempo de execução

    • Exemplos: new em C++, malloc em C \pause

    • Vantagens: permite criação de estruturas de dados dinâmicas

    • Desvantagens: ineficiência e difícil utilização de ponteiros e referências

Vinculação de memória e tempo de vida

  • Dinâmica implícita no heap: é vinculada a memória do heap apenas quanto é atribuída

    • Exemplos: JavaScript, Python, etc \pause

    • Vantagens: flexibilidade

    • Desvantagens: ineficiência, todos os atributos são dinâmicos

Vinculação de memória e tempo de vida

#include<stdlib.h>

// estática
int max = 100;
int main() {
    // dinâmica na pilha
    int i = 0;
    while (i < max) {
        // dinâmica no heap
        int *x = malloc(sizeof(int));
        ...
    }
}

Escopo

Escopo

  • Escopo é o conjunto de expressões em que uma variável é visível

  • Uma variável não local a um unidade de programa é uma variável não declarada nesta unidade mas acessível nela

  • As regras de escopo de uma linguagens de programação determinam como uma ocorrência particular de um nome é associado a uma variável

    • Escopo estático

    • Escopo dinâmico

Escopo estático

  • Introduzido pelo Algol 60 como um método para associar nomes a variáveis não locais

  • Também chamado de escopo léxico (baseado no texto do programa)

  • Pode ser determinado em tempo de compilação

    • Um escopo estático que aninha outro escopo é chamado de ancestral estático

    • O ancestral estático mais perto é chamado de pai estático

    • Método de busca: busca a declaração, primeiro local, depois no pai estático, até que o nome seja encontrado

  • Usado pela maioria das linguagens

Escopo estático - Exemplo de Ada

\small ```ada procedure Big is X : Integer; procedure Sub1 is X : Integer; begin ... X ... end; procedure Sub2 is begin ... X ... end; begin ... end; ```
\pause

  • A referência a variável X no corpo de Sub2 se refere a que variável? \pause X de Big. \pause

  • A referência a variável X no corpo de Sub1 se refere a que variável? \pause X de Sub1. \pause

  • Como a variável X de Big pode ser referenciada em Sub1? \pause Big.X

Escopo estático

  • Variáveis podem ser ocultas em um escopo se houver uma declaração “mais” perto com o mesmo nome

  • Algumas linguagens fornecem um mecanismo para acessar estas variáveis ocultas. Exemplo anterior do Ada

Escopo estático

  • Bloco é uma forma de criar escopo estático dentro de uma unidade de programa.

  • Exemplo em C (não permitido em Java e C# por usar o mesmo nome count)

    \small

    void sub() {
    int count;
    ...
    while ( ... ) {
        int count;
        ...
    }
}

Escopo estático

  • Escopo global (variáveis declaras fora de funções)

    • PHP: através da variável $GLOBALS ou declarado o nome global

    • Python: variável global pode ser referenciada, mas para receber uma atribuição o nome tem que ser declarado global

Escopo estático

  • Avaliação \pause

    • Funciona bem em muitas situações

    • Permite mais acesso do que é necessário

    • Induz a criação de variáveis globais

Escopo dinâmico

  • Baseia-se na sequência de chamadas a subprogramas e não na estrutura textual (temporal vs espacial)

  • Determinado em tempo de execução

  • As referências as variáveis são conectadas as declarações fazendo uma busca através da sequência de chamadas de subprogramas

  • Exemplos de linguagens: APL, SNOBOL4, primeiras versões de Lisp, Perl, Common Lisp

Escopo dinâmico - Exemplo

\small ```ada procedure Big is X : Integer; procedure Sub1 is X : Integer; begin ... X ... end; procedure Sub2 is begin ... X ... end; begin ... end; ```
\pause

  • A referência a variável X no corpo de Sub2 se refere a que variável? \pause Depende da sequência de chamadas de funções. \pause

  • Big chama Sub1 que chama Sub2? \pause X de Sub1

  • Big chama Sub2? \pause X de Big.

Escopo dinâmico

  • Avaliação \pause

    • Quando um subprograma está em execução, suas variáveis são visíveis para todos os subprogramas chamados por ele

    • Dificuldade de leitura

    • Custo de acesso

    • Impossível fazer checagem do tipo das variáveis

Escopo e tempo de vida

Escopo e tempo de vida

  • Escopo e tempo de vida estão relacionados, mas são conceitos diferentes

    • Escopo (estático) é espacial

    • Tempo de vida é temporal

    \pause

  • Qual é o tempo de vida e o escopo de um variável local static em C/C++?

Escopo e tempo de vida

  • No exemplo a seguir, qual é o tempo de vida e o escopo da variável soma?

    def imprime_cabecalho():
    ...

def calcula(a, b):
    soma = a + b
    imprime_cabecalho()

...

Ambientes de referenciamento

Ambientes de referenciamento

  • É o conjunto de variáveis visíveis em uma determinada sentença

  • Nas linguagens com escopo estático, são as variáveis locais mais todas as variáveis visíveis de todos os escopos externos

  • Nas linguagens com escopo dinâmico, são as variáveis locais mais todas as variáveis visíveis em todos os subprogramas ativos

Ambientes de referenciamento

\scriptsize 
procedure Exemplo is
  A, B : Integer;
  procedure Sub1 is
    X, Y : Integer;
  begin
    ... (1)
  end
  procedure Sub2 is
    X : Integer;
    procedure Sub3 is
      X : Integer;
    begin
      ... (2)
    end
  begin
    ... (3)
  end
begin
  ... (4)
end
- Considerando escopo estático, quais os ambientes de referenciamento nos pontos 1, 2 e 3? \pause

  • 1: X e Y de Sub1, A e B de Exemplo \pause

  • 2: X de Sub3, A e B de Exemplo \pause

  • 3: X de Sub2, A e B de Exemplo

Ambientes de referenciamento

\small ```c void sub1() { int a, b; ... (1) } void sub2() { int b, c; ... (2) sub1(); } void main() { int c, d; ... (3) sub2(); } ```
- Considerando escopo dinâmico, e a sequência de chamada `main`, `sub2`, `sub1`, quais os ambientes de referenciamento nos pontos 1, 2 e 3? \pause

  • 1: a e b de sub1, c de sub2, d de main \pause

  • 2: b e c de sub2, d de main \pause

  • 3: c e d de main

Constantes nomeadas

Constantes nomeadas

  • Uma constante nomeada é uma variável que o valor é vinculado apenas uma vez

  • Usado para parametrizar programas

  • A vinculação dos valores a constantes nomeadas pode ser estáticas ou dinâmicas

  • Vantagens: legibilidade e facilidade de modificação

Referências

  • Robert Sebesta, Concepts of programming languages, 9ª edição. Capítulo 5.