Biologia Computazionale Giulio Pavesi giulio.pavesi@unimi.it

Biologia Computazionale? Computational Biology, sometimes referred to as bioinformatics, is the science of using biological data to develop algorithms and relations among various biological systems. Prior to the advent of computational biology, biologists were unable to have access to large amounts of data. Researchers were able to develop analytical methods for interpreting biological information, but were unable to share them quickly among colleagues (Wikipedia)

Biologia Computazionale? Bioinformatics: Research, development, or application of computational tools and approaches for expanding the use of biological, medical, behavioral or health data, including those to acquire, store, organize, analyze, or visualize such data. Computational Biology: The development and application of data-analytical and theoretical methods, mathematical modeling and computational simulation techniques to the study of biological, behavioral, and social systems.

Programmare? Algoritmo: sequenza di operazioni che a partire da un insieme di dati iniziali (input) produce un insieme di dati finali (output) Un algoritmo “descrive” il procedimento per risolvere un problema, e può essere scritto in linguaggio “naturale” o con apposite rappresentazioni (“pseudocodici”, diagrammi di flusso) ma NON dipende da linguaggi di programmazione Programmazione: implementazione di uno o più algoritmi in un dato linguaggio di programmazione  descrivo le operazioni con comandi che possono essere eseguiti da un computer

Il primo algoritmo della storia "If some one say: "You divide ten into two parts: multiply the one by itself; it will be equal to the other taken eighty-one times." Computation: You say, ten less thing, multiplied by itself, is a hundred plus a square less twenty things, and this is equal to eighty-one things. Separate the twenty things from a hundred and a square, and add them to eighty-one. It will then be a hundred plus a square, which is equal to a hundred and one roots. Halve the roots; the moiety is fifty and a half. Multiply this by itself, it is two thousand five hundred and fifty and a quarter. Subtract from this one hundred; the remainder i s two thousand four hundred and fifty and a quarter. Extract the root from this; it is forty-nine and a half. Subtract this from the moiety of the roots, which is fifty and a half. There remains one, and this is one of the two parts.” [Risolveva: (10-x)2=81x]

Questo è un diagramma di flusso. Come input, abbiamo due interi, A e B Questo è un diagramma di flusso. Come input, abbiamo due interi, A e B. Dopo un po’ di calcoli, l’algoritmo stampa in output il valore di A (che è stato modificato durante l’esecuzione dell’algoritmo). Che cosa calcola questo algoritmo?

Le leggi fondamentali dell’informatica e della programmazione Un computer fa quello che gli dici di fare, non quello che vuole. ... anche se, alle volte, interpreta il tutto in modo molto personale. Se qualcosa può andar male, lo farà. Se qualcosa può andar male, lo farà nel peggior modo possibile. Errare è umano, ma per incasinare tutto veramente ci vuole un computer.

Linguaggi di programmazione I computer “capiscono” soltanto il proprio linguaggio macchina Insieme di istruzioni di “basso livello” che consentono di leggere/scrivere nella memoria eseguire operazioni sul contenuto dei registri (tipo somma e operazioni logiche) “saltare” da una parte all’altra del programma controllare se una data condizione è verificata Quindi, il linguaggio utilizzato varia a seconda dell’ “architettura” e del sistema operativo (PC vs Mac, PC Windows vs PC Linux etc...)

Linguaggio “macchina” Esempio di istruzioni in linguaggio macchina Leggi il contenuto della cella di memoria 1058382 Leggi il contenuto della cella di memoria 1058843 Somma i due valori letti Scrivi il risultato della somma nella cella di memoria 1751511 (più, ovviamente, possibilità di condizioni e cicli)

Linguaggio “macchina” Esempio di istruzioni in linguaggio macchina, lettura di un file da disco Fai partire il motore che fa ruotare il disco Cerca sul disco la posizione dell’inizio del file Copia il contenuto di una parte del file in memoria RAM (di solito, operazioni di questo tipo sono gestite dal sistema operativo, che fa da “interfaccia” per tutto quello che riguarda l’utilizzo dell’hardware della macchina)

Linguaggi di Programmazione Scrivere un programma in linguaggio macchina è un incubo (detto da uno che l’ha fatto!) Esistono linguaggi di programmazione di “alto livello” Per poter essere compresi dal programma devono prima essere tradotti da programmi appositi, ovvero, trasformati nel “linguaggio macchina” della macchina che stiamo usando La traduzione dipende dall’architettura del computer (ovvero il processore) e dal sistema operativo in cui il programma viene tradotto Il computer “capisce” un linguaggio di programmazione se è installato un apposito “traduttore” specifico del linguaggio

Linguaggi di Programmazione Il programma può essere tradotto in linguaggio macchina prima dell’esecuzione, o durante l’esecuzione Linguaggi compilati Il traduttore (compilatore) traduce tutto il programma in una volta sola, producendo un programma in linguaggio macchina (eseguibile) Esempio: C, C++ Linguaggi interpretati Il traduttore (interprete) traduce un’istruzione alla volta, mano a mano che il programma viene eseguito Esempio: Perl, Python I linguaggi “compilati” sono in genere molto più veloci degli “interpretati” (c’è in meno il tempo di traduzione) Java: prima compilato in un linguaggio macchina “virtuale” (byte code) che viene poi interpretato quando il programma viene eseguito  “portabile” su diversi computer, indipendentemente da CPU e SO

Linguaggi di Programmazione Linguaggi compilati, vantaggi Più veloce l’esecuzione Più flessibili e più maneggiabili dal programmatore esperto Una volta compilato, se si ha lo stesso computer/SO è sufficiente avere l’eseguibile Linguaggi interpretati, vantaggi Più semplici da utilizzare per il programmatore inesperto Il programma può essere eseguito su qualsiasi computer/SO, a patto che sia installato il traduttore/interprete per il linguaggio Perl: vedi appunti del corso, è un linguaggio interpretato e non tipizzato

Linguaggi di programmazione Un qualsiasi linguaggio di programmazione ha una sua precisa sintassi Interpreti e compilatori verificano innanzitutto che la sintassi sia corretta Un qualsiasi linguaggio di programmazione ha un insieme di “comandi” o comunque parole chiave che sono interpretate come istruzioni da eseguire Interpreti e compilatori verificano anche che i “comandi” del programma siano effettivamente riconosciuti come istruzioni del linguaggio

Linguaggi di programmazione Regole di sintassi (esempi) Ogni comando deve essere seguito da ; (esempio print”Ciao”;) Per ogni parentesi aperta (tonda, quadra o graffa) deve esserci la corrispondente parentesi chiusa