Master in BIOINFORMATICA Corso propedeutico di Informatica

Master in BIOINFORMATICA Corso propedeutico di Informatica
DOCENTE: Elisa Tiezzi UNIVERSITA’ DI SIENA

Linguaggi di programmazione
Introduzione all’informatica Cos’è l’informatica Introduzione al concetto di algoritmo Struttura dell’elaboratore Introduzione al concetto di programma Esecuzione delle istruzioni L’organizzazione dell’unità centrale di elaborazione (CPU) La memoria centrale La memoria secondaria Dispositivi di input/output Linguaggi di programmazione Introduzione ai linguaggi di programmazione

Elementi del Linguaggio Java Ambiente di lavoro
Struttura di un programma Tipi di dati fondamentali Istruzioni di input/output Costrutto decisionale if-then-else I cicli con contatore for Cicli condizionali while Dati strutturati: stringhe e vettori Cicli for annidiati Classi e oggetti Implementazioni di algoritmi Introduzione alla Complessità Complessità di problemi Analisi del caso medio e caso pessimo Valutazione della complessità: relazioni di ricorrenza Progetto e analisi di alcuni algoritmi di Ordinamento Ricorsività Divide et impera Mergesort Quicksort Sistemi operativi Windows

LIBRO UTILI JAVA Fondamenti di Progettazione software
John Lewis, William Loftus ADDISON-WESLEY Java: An introduction to computer science and programming, 2 edizione Walter Savitch Prentice-Hall, Inc

INFORMATICA Alla metà del 900 il MONDO dell’INFORMAZIONE diviene
importante. INFORMATICA = insieme degli strumenti teorici e pratici che hanno lo scopo di elaborare l’informazione. Il termine corrisponde al francese INFORMATIQUE (contrazione di INFORMATION AUTOMATIQUE) che compare verso la metà degli anni sessanta. In realtà l’informatica si occupa non solo dell’elaborazione dei dati ma anche della scienza e dell’ingegneria dei calcolatori. Gli anglosassoni usano il termine COMPUTER SCIENCE per sottolineare questa seconda accezione.

L’informatica ha quindi due significati:
Insiste sull’oggetto = PROCEDURA EFFETTIVA O ALGORITMO Insiste sullo strumento = CALCOLATORE ELETTRONICO

ALGORITMO Le radici dell’algoritmica sono antiche. Anche se il suo assetto teorico definitivo è stato raggiunto nella prima metà di questo secolo e le tecniche di progetto ed analisi di algoritmi hanno segnato progressi enormi con la recente diffusione di calcolatori elettronici, i primi esempi di algoritmi risalgono alle origini della storia dell’uomo e sono registrati in documenti di matematica antica. La parola ALGORITMO fu creata nel latino medievale per assonanza con il nome del matematico persiano Al-Khuwarizmi.

Informalmente la parola algoritmo indica la specificazione dei passi elementari che un esecutore deve compiere per giungere alla soluzione di un problema. ALGORITMO = complesso di istruzioni…. precisamente determinato in maniera da non consentire situazioni di dubbio universalmente comprensibile nel senso che chiunque possa applicarle abbastanza generali da potersi applicare ad ogni problema di una data classe tali che applicate ai dati forniscano criteri per determinare quando la soluzione è raggiunta e questo avvenga in un numero finito di passi

Alcuni algoritmi I più antichi algoritmi non banali conosciuti oggi furono registrati dallo scriba egizio Ahmes (1650 a.c.) Algoritmo moltiplicazione (dati A E B risultato P) -poni P= assegnazione -finché A≠0 ripeti la sequenza iterazione se A è dispari allora addiziona B a P esecuzione dimezza A trascurando il resto condizionata raddoppia B

Definizione intuitiva di algoritmo
Elenco finito di istruzioni che specificano una serie di operazioni, eseguendo le quali e’ possibile risolvere ogni istanza di un problema di un dato tipo

Proprietà degli algoritmi
FINITI NON AMBIGUI GENERALI

Soluzione di ax2+bx+c=0 1. inizio dell’algoritmo;
2. acquisire dall’esterno i valori dei coefficienti a, b e c; 3. calcolare il valore b2-4ac; 4. se , allora non esistono radici reali: eseguire 8; 5. se , allora x1=x2=-b/2a: eseguire 7; 6. se , allora x1=(-b+)/2a e x2=(-b-)/2a; 7. comunicare all’esterno i valori di x1 ed x2; 8. fine dell’algoritmo.

Descrizione degli algoritmi
Diagramma a blocchi (flow chart): rappresentazione grafica di un algoritmo che indica il flusso delle trasformazioni descritte dall’algoritmo che devono essere eseguite a partire dai dati iniziali per ottenere i risultati finali.

Blocchi elementari input azione begin C vero falso output end

Esempio su ax2+bx+c=0 a, b, c b2-4ac   x1=-b/2a x1=(-b+)/2a
begin a, b, c b2-4ac V F  radici c.c. F V  x1=-b/2a x1=(-b+)/2a x2=-b/2a x2=(-b-)/2a x1, x2 end

Il gioco dei quindici Quindici oggetti, ad esempio fiammiferi, sono su una tavola. Il primo giocatore ne raccoglie 1, 2 o 3. Il secondo giocatore ne raccoglie a sua volta 1, 2 o 3. Quindi è ancora il primo giocatore a raccogliere 1, 2 o 3 fiammiferi. I giocatori alternano le loro mosse finchè sul tavolo non esistono più fiammiferi. Il giocatore che è costretto a raccogliere l’ultimo fiammifero è il perdente. Descrivere una strategia vincente per il primo giocatore.

Problema delle dodici monete
Tra 12 monete di identico aspetto potrebbe nascondersene una falsa e pertanto di peso diverso. Disponendo di una bilancia a 2 piatti per confrontare gruppi di monete, si vuole individuare la moneta falsa e stabilire se essa pesi più o meno delle altre, mediante non più di 3 pesate.

Soluzione del gioco dei quindici
Siano A il primo giocatore e B il secondo 1. Prima mossa: A raccoglie 2 fiammiferi 2. Mosse successive: se B raccoglie k fiammiferi (k<=3), allora A raccoglie 4-k fiammiferi

Soluzione del gioco delle monete
1, 2, 3, 4 : 5, 6, 7, 8 1L 2L 3L 4L 5P 6P 7P 8P 1P 2P 3P 4P 5L 6L 7L 8L 9L 10L 11L 12L 9P 10P 11P 12P 1, 2, 5 : 3, 4, 6 1, 2, 5 : 3, 4, 6 1L 2L 6P 7P 8P 5P 3L 4L 5L 3P 4P 7L 8L 1P 2P 6L 1:2 7:8 3:4 3:4 7:8 1:2 1L 6P 2L 8P imp 7P 3L 5P 4L 4P 5L 3P 7L imp 8L 2P 6L 1P 9, 10 : 11, 1 9L 10L 11P 12L 12P 0 9P 10P 11l 9:10 12:1 9:10 9L 11P 10L 12L 12P 10P 11L 9P

Breve storia dei calcolatori
Primi strumenti di calcolo meccanici Abaco 1600 Pascal (somma e sottrazione) Leibniz (moltiplicazione e divisione) 1800 Babbage (quadrato e stampa) Babbage (macchina analitica) Ada Augusta Lovelace (prima programmatrice) Schede perforate utilizzate nel 1890 (inizio di IBM)

1944 Mark I (primo calcolatore elettromeccanico) 1946 ENIAC 1949 EDSAC (macchina di tipo Von Neumann) Anni successivi Stessa architettura ma tecnologia più avanzata 1960 Internet (fine anni sessanta per esigenze militari, si chiamava Arpanet) 1989 www (word wide web: enorme enciclopedia)

Hardware Pezzi fisici tangibili che supportano l’elaborazione (chip di silicio, fili elettrici, tastiera, dischi, stampanti….) Software I componenti hardware sono inutili se non ricevono precise istruzioni. Un programma è una serie di istruzioni che l’hardware esegue in sequenza.

Organizzazione hardware standard
Componenti hardware principali Dispositivi di input Ad es.: mouse, tastiera Dispositivi di output Ad es.: monitor, stampante Insieme in uno stesso contenitore Processore (CPU) Central Processing Unit Interpreta e esegue le istruzioni Memoria Organizzazione hardware standard Memoria Dispositivi di input Processore (CPU) Dispositivi di output

Due Tipi di Memoria Principale Ausiliaria area di lavoro
mantiene temporaneamente programmi e dati (mentre il programma è in esecuzione) Ausiliaria permanente salva programmi e risultati Esempi: floppy & hard disk, CD, nastri

Organizzazione della Memoria Principale
Bit = una cifra binaria valori: 0 o 1 Byte = 8 bit La memoria principale è una lista di locazioni numerate ciascuna di un byte Il numero di byte utilizzato per memorizzare un dato varia con il tipo di dato

Organizzazione della Memoria Ausiliaria
Radice File Directory File Directory File Directory

Programma Insieme di istruzioni che il calcolatore deve eseguire
Input Output

Tipi di Programmi Sistema Operativo Applicazioni esistenti
Programma supervisore DOS, Windows, MacOS, UNIX, Linux Applicazioni esistenti word-processor/editor web browser compilatori o assembler Applicazioni create dall’utente

Informazione Esistono due formati per memorizzare l’informazione:
ANALOGICO DIGITALE L’informazione analogica è continua La tecnologia digitale spezza e cresce proporzionalmente alla l’informazione in tanti pezzi sorgente di informazione che rappresenta come numeri Es: termometro di mercurio, segnali Es: compact disc elettrici

I computer moderni sono digitali:
Ogni tipo di informazione è spezzato in blocchi. Ogni blocco è rappresentato da un numero e l’informazione è memorizzata sotto forma di sequenza di numeri. Il computer digitale memorizza l’informazione sotto forma di numeri binari (base 2). La singola cifra binaria si chiama bit (binary digit). La base del sistema indica quante cifre si hanno a disposizione e il valore posizionale di ogni cifra in un numero.

Sistemi posizionali Il sistema di numerazione decimale è basato sull’alfabeto decimale {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9} ed ogni numero è rappresentato come sequenza di simboli di tale alfabeto. Ad ogni simbolo è associato un peso a seconda della posizione. Es: 2863=2x103 +8x102+6x101+3x100

In generale i sistemi numerici posizionali in base b2 rappresentano ogni numero con m cifre in base b: N=cm-1…….c0 Dove i ci denotano elementi di un insieme di b simboli che corrispondono ai primi b numeri naturali 0…..b-1. Vale N=∑cibi Es:11002=1x23+1x22+0x21+0x20

Come comunicare Linguaggio macchina: Linguaggio assembler:
sequenze di 0 ed 1 rigoroso essenziale Linguaggio assembler: simbolico semplice traduzione aggiuntiva Linguaggio naturale: linguaggio preferito dall’essere umano ambiguo, ridondante, non preciso Linguaggio di programmazione ad alto livello

Storia Moderna PASCAL (1970) Programming in Logic (1971) C (1974)
ADA(1980)

Storia Contemporanea C++ (1985) Java (1994)

Tipi di programmazione
Funzionale Logica Procedurale Orientata agli oggetti

Traduttori traduttore macchina Codice in l. dati macchina Codice in l.
programma macchina Codice in l. dati macchina Codice in l. risultati

Compilatori ed interpreti
Compilatore programma che traduce un programma in linguaggio ad alto livello in un programma in linguaggio più semplice che il calcolatore può eseguire (più o meno) direttamente. Interprete programma che traduce ed esegue una dopo l’altra le istruzioni che compongono il programma sorgente

L’approccio di Java Sia compilato che interpretato
Codice intermedio: “Byte Code” codice a basso livello portabile simile al codice assembler ma indipendente dall’hardware invisibile ai programmatori Java L’interprete traduce dal byte code in un programma nel linguaggio macchina della macchina specifica

L’ambiente Java Interprete Programmi precedentemente compilati
Programma Java Dati in input Esecuzione Compilatore Java Programma in Byte-Code Output del Programma Java

Cosa è Java Linguaggio di programmazione familiare
Simile a C e C++ Linguaggio di programmazione orientato a oggetti Facile da modificare e altamente riutilizzabile Linguaggio robusto Restrizioni per evitare che le applicazioni generino errori Linguaggio ad alte prestazioni Strumenti per la gestione di più processi Linguaggio portabile Applicazioni eseguibili su Windows, Linux o MacOS Linguaggio semplice Pochi strumenti base e molte librerie

Compilatori tradizionali
compilatore Windows compilatore Linux compilatore MacOS codice eseguibile Windows codice eseguibile Linux codice eseguibile MacOS codice sorgente

Compilatore Java compilatore Windows compilatore Linux
compilatore MacOS interprete bytecode Windows interprete bytecode Linux interprete bytecode MacOS Java bytecode codice sorgente

Programmazione Concetti base: Dati: Istruzioni: dati istruzioni
variabili tipi Istruzioni: istruzioni base strutture di controllo sotto-programmi

Variabili e tipi Variabile: Tipo:
locazione di memoria a cui è dato un nome con cui chiamarla ed utilizzarla programmatore usa il nome senza necessariamente sapere che esso faccia riferimento ad una locazione di memoria Tipo: ogni variabile ha un tipo che indica che genere di dati la variabile può contenere una variabile può contenere dati di tipo intero (ad es., 15 o 2038), oppure dati di tipo carattere (ad es., ‘a’ o ‘£’) oppure dati di tipo stringa (ad es., “java” o “pascal”)

Istruzioni base Assegnazioni ed espressioni: Input/Output:
comandi per leggere e scrivere dati in una variabile e per fare calcoli esempio: interest = amount * 0.07; Input/Output: comandi per ricevere dati dall’utente o da un file su disco e comandi per inviare dati nell’altra direzione

Strutture di controllo
Un programma è una sequenza di istruzioni Il calcolatore esegue le istruzioni nell’ordine in cui esse appaiono, una dopo l’altra molto limitato Le strutture di controllo sono istruzioni speciali che consentono di modificare il normale flusso di istruzioni Due tipi base di strutture di controllo cicli permettono di ripetere una sequenza di istruzioni diramazioni permettono di decidere tra due o più diverse alternative di proseguimento

Sotto-programmi I programmi sono spesso abbastanza complessi da dover essere scomposti in “pezzi” più maneggevoli Un sotto-programma consiste di istruzioni per svolgere un certo compito raggruppate insieme in un’unità a cui è dato un nome il nome può essere usato come sostituto dell’intero insieme di istruzioni Esempio uno dei compiti del programma consiste nel disegnare un rettangolo sullo schermo scrivere le necessarie istruzioni e raggrupparle in un sotto-programma di nome drawRect ogni volta che il programma deve disegnare un rettangolo, lo può fare con una semplice istruzione: drawRect(); Vantaggi: risparmio di scrittura, organizzazione, riutilizzo

Che cosa è una variabile?
Una locazione in cui memorizzare dati ed a cui è assegnato un nome un contenitore di dati Può contenere un solo tipo di dati per esempio, solo numeri interi, solo numeri reali oppure solo caratteri

Creazione di variabili
Tutte le variabili devono essere dichiarate prima di poterle utilizzare Una dichiarazione di variabile associa un nome alle locazioni di memoria ad essa corrispondenti e specifica il tipo di dati che la variabile conterrà: Tipo Variabile_1, Variabile_2, …; Per esempio, per creare tre variabili che memorizzino il numero di cesti, il numero di uova per cesto ed il numero totale di uova: int numberOfBaskets, eggsPerBasket, totalEggs;

Nomi di variabili: identificatori
Regole - devono essere rispettate tutti gli identificatori Java devono obbedire alle stesse regole non devono cominciare con una cifra devono contenere solo numeri, lettere, simboli ‘_’ e ‘$’ (ma è meglio evitare ‘$’, in quanto è riservato per scopi particolari) sono sensibili alle maiuscole (ThisName e thisName sono due diversi nomi di variabili) Regole di programmazione - dovrebbero essere rispettate usare sempre nomi che abbiano un significato (ad esempio, eggsPerBasket invece di n o di count) iniziare i nomi di variabile con una lettera minuscola iniziare le parole interne al nome con una lettera maiuscola (meglio eggsPerBasket di eggsperbasket) evitare di usare ‘$’ in quanto è riservato a scopi particolari

Due tipi di tipi di dati in Java
primitivi I tipi più semplici Non possono essere decomposti in altri tipi Contengono solo valori Esempi: int - intero double - reale char - carattere classi Più complessi Composti di altri tipi (primitivi o classi) Contengono sia dati che metodi Esempio: Integer String

Tipi di Dati Primitivi

Quali sapere per ora double int
numeri reali, sia positivi che negativi ha un punto decimale (parte frazionaria) due formati numero con punto decimale, a.e notazione e o scientifica, a.e e2, che significa x 102 int semplicemente numeri interi possono essere positivi e negativi nessun punto decimale char semplicemente un singolo carattere utilizza le virgolette singole per esempio, `A`;

Assegnare valori alle variabili
Istruzione di assegnazione variabile = espressione; esempio: answer = 42; Operatore di assegnazione: “=“ non lo stesso dell’algebra significa: “assegna il valore dell’espressione alla destra del segno di uguale alla variabile alla sinistra.” se numberOfCards ha il valore 7 e handicap ha il valore 2, allora la seguente istruzione imposta il valore di score a 9: score = numberOfCards + handicap; La variabile può apparire in entrambi i lati: int count = 10; count = count - 1; nuovo valore di count = = 9

Assegnare valori iniziali alle variabili
I valori iniziali possono o meno essere assegnati quando le variabili sono dichiarate: int totalEggs, numberOfBaskets, eggsPerBasket; oppure int totalEggs = 0; int numberOfBaskets = 0; int eggsPerBasket = 0; Suggerimento: è una buona regola di programmazione inizializzare sempre le variabili.

Cambiare il valore di una variabile
Generalmente il valore viene cambiato (è assegnato un valore diverso) in qualche parte del programma Può essere calcolato a partire da altri valori: totalEggs = numberOfBaskets * eggsPerBasket; Oppure può essere letto in input vedremo più avanti

Operatori di assegnazione specializzati
Un’abbreviazione per eseguire un’operazione ed assegnare un nuovo valore ad una variabile Forma generale: var <op>= expression; equivalente a: var = var <op> (expression); <op> è +, -, *, /, or % Esempi: amount += 5; //amount = amount + 5; amount *= 1 + interestRate; //amount = amount * (1 + interestRate); La parte destra è trattata come una singola unità (come se vi fossero delle parentesi)

Costanti Le costanti sono simili alle variabili, ma possono
contenere un solo valore per tutta la durata della loro esistenza. In Java si dichiarano le costanti premettendo la parola chiave final. E’ convenzione usare lettere maiuscole. Es.: final int NUMERO_MASSIMO_POSTI = 427 E’ buona pratica usare costanti invece di valori numerici (letterali) perche’ si evita di modificarli inavvertitamente.

Valore di ritorno Le espressioni ritornano valori: il numero prodotto da un’espressione è il “valore di ritorno” int numberOfBaskets, eggsPerBasket, totalEggs; numberOfBaskets = 5; eggsPerBasket = 8; totalEggs = numberOfBaskets * eggsPerBasket; nell’ultima linea numberOfBaskets ritorna il valore 5 e eggsPerBasket ritorna il valore 8 numberOfBaskets * eggsPerBasket è un’espressione che ritorna il valore intero 40

Conversione di tipo La conversione di tipo cambia il tipo di dato di un valore Non è possibile assegnare un valore di un tipo ad una variabile di un tipo diverso, a meno che non lo si converta in modo da coincidere con il tipo della variabile La conversione di tipo modifica solo il tipo del valore di ritorno, non il tipo della variabile ad esempio: double x; int n = 5; x = n; poiché n è un int ed x è un double, il valore ritornato da n (non n) deve essere convertito in un double prima di essere assegnato ad x

Conversione implicita
La conversione di tipo è eseguita implicitamente (in modo automatico) quando un tipo “più basso” viene assegnato ad un tipo “più alto” secondo la seguente gerarchia: byte --> short --> int --> long --> float --> double Ad esempio: double x; int n = 5; x = n; il valore di ritorno di n è convertito (in modo implicito) in un double, e quindi assegnato ad x x contiene 5.0 il tipo di dato della variabile n è invariato (ovvero ancora int)

Ancora conversione implicita
Alcune espressioni includono valori di tipo diverso Tutti i valori sono automaticamente (in modo implicito) fatti avanzare al livello più alto prima di eseguire il calcolo del valore di ritorno Ad esempio: double a; int n = 2; float x = 5.1; double y = 1.33; a = (n * x)/y; i valori di n ed x sono automaticamente convertiti al tipo double prima di eseguire la moltiplicazione e la divisione

Conversione esplicita
La conversione esplicita è necessaria in tutti i casi non coperti da quella implicta Ad esempio: int points; double distance = 9.0; points = distance; l’ultima istruzione è illegale (anche se la parte frazionaria è 0) Porre di fronte al valore il cui tipo deve essere convertito il nuovo tipo tra parentesi: points = (int)distance; quest’istruzione è legale

Troncamento Conversione da reale ad intero non arrotonda, ma tronca
la parte frazionaria viene semplicemente ignorata Ad esempio: int numberOfDollars; double dinnerBill = 26.99; numberOfDollars = (int) dinnerBill; il valore di numberOfDollars è ora 26

Divisione reale e divisione intera
Se almeno uno dei valori che occorrono nella divisione è di tipo float o double, allora non si ha nessun troncamento (tutti i valori sono convertiti al tipo più alto) Il troncamento si verifica se tutti i valori sono interi Ad esempio: int a = 4, b =5, c; double x = 1.5, y; y = b/x; c = b/a; il valore di y è mentre quello di c è 1

Caratteri come interi Il tipo di dati char memorizza un singolo carattere stampabile Ad esempio: char answer = `y`; I caratteri sono in realtà memorizzati come interi secondo un codice speciale ogni carattere stampabile (lettera, cifra, segno di interpunzione, spazio e tabulazione) ha associato un codice intero distinto i codici sono distinti a seconda delle maiuscole o delle minuscole ad esempio, 97 potrebbe essere il codice di ‘a’ e 65 quello di ‘A’ ASCII e Unicode sono due codici molto frequenti Unicode include tutti i codici ASCII più altri codici per linguaggi con alfabeto diverso da quello italiano Java usa Unicode

Conversione di carattere in intero
La conversione di un valore di tipo char produce il suo codice Unicode Ad esempio, eseguendo le seguenti istruzioni char answer = `7`; int intAnswer = answer; il valore di intAnswer sarebbe 55 (non 7) in quanto 55 è il codice Unicode del carattere ‘7’

Imprecisione di numeri in virgola mobile
I calcolatori memorizzano i numeri utilizzando un numero fissato di bit, per cui non tutti i numeri reali possono essere codificati in modo esatto un numero infinito di bit sarebbe richiesto per rappresentare in modo esatto ogni numero reale ad esempio, se il calcolatore può rappresentare solo 10 cifre dopo il punto decimale, allora il numero reale 1/3= sarebbe memorizzato come (che non è esattamente 1/3) Gli interi, al contrario, sono memorizzati in modo esatto se il valore 2 è assegnato ad una variabile di tipo int, il suo valore è esattamente 2

L’operatore di modulo: %
Usato con i tipi interi a%b restituisce il resto della divisione di b per a Ad esempio: int a = 14; b = 4, c; c = a%b; c ora ha il valore 2, che è il reso della divisione di 14 per 4 Ha molte applicazioni consente di contare modulo 2, 3 o qualsiasi altro numero consente di distinguere numeri pari da numeri dispari consente di eseguire un’operazione solo in corrispondenza dei multipli di un dato numero

Precedenze e parentesi
Le espressioni Java soddisfano regole simili all’algebra dei numeri reali Si usano le parentesi per forzare la precedenza Tranne i casi in cui la precedenza è corretta ed ovvia, conviene usare le parentesi per facilitare la lettura dell’espressione

Operatori di incremento e decremento
Utilizzati per aumentare o diminuire il valore di una variabile di 1 Incremento ++ ad esempio, count++; Decremento -- ad esempio, count--; La variabile può essere incrementata (o decrementata) prima o dopo aver usato il suo valore attuale. Ad esempio, dopo int count=5; int n = 2*(++count); int m = 2*(count++); sia n che m hanno il valore 12, mentre count ha il valore 7

Controllo del flusso Flusso di esecuzione: ordine in cui le istruzioni di un programma sono eseguite Salvo contrordini, è in sequenza Due possibili alterazioni: selezione: sceglie un’azione da una lista di due o più azioni possibili ripetizione: continua ad eseguire un’azione fino a quando non si verifica una condizione di termine

Strutture Java Sequenza Selezione Ripetizione di default if if-else
switch Ripetizione while do-while for

Valori Booleani boolean: tipo di dato primitivo in Java che può assumere valore true oppure false Variabili (o espressioni) il cui valore è di tipo boolean sono chiamate variabili (o espressioni) Booleane Il valore di una variabile (o espressione) Booleana è true oppure false

Espressioni Booleane Esprimono una condizione che risulta essere vera o falsa Esempio (A e B sono due dati non necessariamente dello stesso tipo): A è maggiore di B? A è uguale a B? A è minore di oppure uguale a B?

Operatori di confronto

Confronto tra caratteri e stringhe
Si può confrontare caratteri: sono infatti basati su Unicode che definisce un ordinamento per tutti i possibili caratteri che possono essere usati. Dato che in Unicode, per esempio, il carattere ‘a’ viene prima di ‘b’, si può dire che ‘a’ è minore di ‘b’. Non si possono usare operatori di confronto e di uguaglianza tra stringhe.

Confronto tra valori in virgola mobile
Raramente si usa l’operatore di uguaglianza tra due valori in virgola mobile. Per testare l’uguaglianza di due valori in virgola mobile si può calcolare il valore assoluto della loro differenza e confrontare il valore così ottenuto con un valore di tolleranza, ad esempio 0,00001.

Operatori logici AND: && OR: ||
congiunge due espressioni valore di ritorno true se e solo se entrambi le espressioni sono vere OR: || disgiunge due espressioni valore di ritorno false se e solo se entrambi le espressioni sono false Valutazione della seconda espressione condizionata per avere valutazione completa, usare & e |

Altri operatori logici
NOT: ! nega un’espressione valore di ritorno true se e solo se l’espressione è falsa XOR: ^ disgiunge due espressioni in modo esclusivo valore di ritorno true se e solo se le due espressioni hanno diversi valori di ritorno esprimibile mediante AND, OR e NOT

Precedenze e associatività
Unario  ! Unario postfisso ++ -- assegnazione = += -= *= /= %= &= |= ^= OR  || AND && | XOR ^ & Uguaglianza = = != Relazionale < <= > >= Additivo + - Moltiplicativo * / % Conversione (type) Operatori Associatività Tipo

Esempio score < min/2 – 10 || score > 90

Blocchi di istruzioni Insiemi di istruzioni racchiuse tra parentesi graffe corrispondono ad un’azione parentesi non necessarie se include una sola istruzione Esempio: { //inizio del blocco calorieLess = 500; calorieAllotment = calorieAllotment-calorieLess; } //fine del blocco

Istruzione if Selezione semplice: Sintassi:
esegue un’azione se solo se una certa condizione è verificata Sintassi: if (Espressione_Booleana) Blocco_1 //esegui solo se vera Prossima_Istruzione; //sempre eseguita Espressione_Booleana true Blocco_1 false Prossima_Istruzione

Esempio Se il peso è superiore a quello ideale allora diminuisci il numero totale di calorie che si possono assumere di 500. Successivamente, imposta il numero di calorie da assumere per colazione ad un terzo del numero totale di calorie if(weight > ideal) calorieAllotment = calorieAllotment-500; calorieBreakfast = calorieAllotment/3;

Istruzione if-else Selezione doppia: Sintassi:
esegue un’azione oppure un’altra in base al valore di una condizione Sintassi: if (Espressione_Booleana) Blocco_1 //esegui solo se vera else Blocco_2 //esegui solo se falsa Prossima_Istruzione; //sempre eseguita

Diagramma di flusso Espressione_Booleana true Blocco_1 false Blocco_2
Prossima_Istruzione

Esempi Esempio con una singola istruzione:
if(balance >=0) balance=balance+(INTEREST_RATE*balance)/12; else balance=balance-OVERDRAWN_PENALTY; Esempio con un’istruzione composta: { interest=(INTEREST_RATE*balance)/12; balance=balance+interest; } interst=OVERDRAWN_PENALTY; balance=balance-interest;

Istruzioni if-else annidate
Annidamento di istruzioni if-else: tratta situazioni con più di due possibilità Attenzione : ogni else si riferisce all’if più vicino Sintassi: if (Espressione_Booleana_1) Blocco_1 else if (Espressione_Booleana_2) Blocco_2 . else if (Espressione_Booleana_ n) Blocco_n else Blocco_Default

Esempio if (score >= 90) grade = ‘A’; else if (score >= 80)
grade = ‘B’; else if (score >= 70) grade = ‘C’; else if (score >= 60) grade = ‘D’; else grade = ‘E’;

Istruzione switch Selezione multipla Sintassi:
switch(Espressione_Di_Controllo) { case Etichetta_Caso_1: Sequenza_Istruzioni_1 break; case Etichetta_Caso_2: Sequenza_Istruzioni_2 ... default: Sequenza_Istruzioni_Default }

Espressione_Di_Controllo deve essere char, int, short o byte
Espressione_Di_Controllo e le varie Etichette_Caso_* devono essere dello stesso tipo L’istruzione break, che può essere omessa, fa, passare il controllo alla prima istruzione dopo l’istruzione switch se break non è inclusa, allora l’esecuzione procede con le istruzioni del caso successivo

Diagramma di flusso true Sequenza_Istruzioni_1 break? false true
Espressione_Di_Controllo = Etichetta_Caso_1 true Sequenza_Istruzioni_1 break? Espressione_Di_Controllo = Etichetta_Caso_2 false true Sequenza_Istruzioni_2 false true break? false ... true false ... default? true Sequenza_Istruzioni_Default false

Esempio switch (seatLocationCode) { case 1: type=‘O’; price = 40.00;
break; case 2: type=‘M’; price = 30.00; case 3: case 4: type=‘B’; price = 15.00; default: type=‘U’; }

L’operatore condizionale
È l’unico operatore ternario di Java Sintassi: (Espressione Booleana)? Espressione_1:Espressione_2; Il valore di ritorno è quello di Espressione_1 se Espressione Booleana è vera, altrimenti è quello di Espressione_2

Esempio max = (n1>n2)?n1:n2;
Equivale a: if (n1>n2) max = n1; else max = n2;

Ripetizione: i cicli Struttura: Organizzazione logica
corpo del ciclo condizione di terminazione del ciclo Organizzazione logica cicli controllati da condizioni cicli controllati da contatori Istruzioni Java per realizzare cicli while do-while for

Ciclo while Sintassi: while (Espressione_Booleana)
Blocco //corpo del ciclo Prossima_Istruzione Espressione_Booleana rappresenta la condizione di ripetizione del ciclo si esce dal ciclo, quando è falsa Blocco rappresenta il corpo del ciclo Istruzioni di inizializzazione precedono generalmente il ciclo

Diagramma di flusso false true Espressione_Booleana Blocco
Prossima_Istruzione

Esempio Ciclo che calcola la somma dei primi 10 numeri interi
int total = 0; int count = 1; while (count <= 10) { total = total + count; count++; }

Minimo numero di iterazioni
Il numero minimo di iterazioni di un ciclo while è 0 dato che la condizione di ingresso può essere immediatamente falsa Esempio: int next; int total = 0; next = (int)(Math.random()*100)-50; while (next >= 0) { total = total + next; }

Ciclo do-while Sintassi: do Blocco //corpo del ciclo
while (Espressione_Booleana); Prossima_Istruzione Il corpo del ciclo è eseguito almeno una volta dato che la condizione di ripetizione è posta dopo il corpo stesso

Diagramma di flusso Blocco true Espressione_Booleana false
Prossima_Istruzione

Esempio int next; int total = 0; do {
next = (int)(Math.random()*100)-50; total = total + next; } while (next >= 0);

Cicli infiniti Cause principali: Esempio: errata espressione Booleana
errata (o assente) alterazione delle variabili coinvolte nell’espressione Booleana Esempio: int total = 0; int count = 1; while (count != 10) { total = total + count; count += 2; }

Ciclo for Struttura: Sintassi: azione di inizializzazione
condizione di ripetizione corpo del ciclo azione di continuazione Sintassi: for (Inizializzazione; Espressione_Booleana; Continuazione) Blocco Prossima_Istruzione

Diagramma di flusso Inizializzazione true Espressione_Booleana Blocco
Continuazione Blocco true false Prossima_Istruzione

Esempio Sommare separatamente i numeri pari e quelli dispari compresi tra 1 e 100 int sumEven = 0, sumOdd = 0; for (int count = 1; count <= 99; count+=2) { sumOdd = sumOdd + count; sumEven = sumEven + count + 1; }

Considerazioni pratiche
Errori comuni: cicli infiniti (non intenzionali) cicli con contatore che non eseguono il numero di iterazioni desiderato (scarto di uno). Testare soprattutto la condizione di ripetizione di un ciclo per evitare possibili errori Mantenere traccia dei valori delle variabili (facendo uso di stampe su video)

Questioni di stile Blocchi: { Sequenza_Istruzioni }
inserire le parentesi graffe anche se il blocco è costituito da una sola istruzione indentare tutte le istruzioni incluse nella sequenza

Istruzione if: if (Espressione_Booleana) Blocco
Istruzione if-else: if (Espressione_Booleana) Blocco else Blocco

Istruzione switch: switch (Espressione_Di_Controllo) {
Istruzione switch: switch (Espressione_Di_Controllo) { case Etichetta_1: Sequenza_Istruzioni_1 case Etichetta_2: Sequenza_Istruzioni_ case Etichetta_n: Sequenza_Istruzioni_n default: Sequenza_Istruzioni_Default }

Istruzione while: while (Espressione_Booleana) Blocco
Istruzione do-while: do Blocco while (Espressione_Booleana); Istruzione for: for (Inizializzazione ; EB; Continuazione) Blocco

Sotto-programmi Necessità di scomporre programmi complessi
Sotto-programma: insieme di istruzioni a cui è dato un nome il nome usato come sostituto dell’intero insieme di istruzioni Esempio generare un numero intero casuale compreso tra 1 e 100 raggruppare le necessarie istruzioni in un sotto-programma di nome randomNumber ogni volta che il programma deve generare un numero intero casuale compreso tra 1 e 100, lo può fare con una semplice istruzione: randomNumber() Vantaggi: risparmio di scrittura, organizzazione, riutilizzo

Sotto-programmi in Java
In Java, i sotto-programmi sono chiamati metodi Interfaccia (sintattica) di un metodo: nome del metodo input richiesto output fornito Sintassi della dichiarazione: Tipo_Output Nome_Metodo(Lista_Input) Blocco // corpo del metodo

Tipologie di metodi Alcuni metodi (talvolta, detti funzioni) eseguono un’azione e ritornano un singolo valore esempio: il metodo randomNumber genera un numero intero casuale compreso tra 1 e 100 e ne ritorna il valore Altri metodi (talvolta, detti procedure) si limitano ad eseguire un’azione esempio: il metodo printWelcomeMessage stampa un messaggio di benvenuto

Tipo di ritorno dei metodi
Sempre specificato Può essere: tipo di dato primitivo (come char oppure int) classe (come String) void se nessun valore viene ritornato Un metodo (non void) può essere usato ovunque è lecito usare il suo tipo di ritorno esempio: int r = randomNumber();

Istruzione return I metodi che ritornano un valore devono eseguire, all’interno del corpo, un’istruzione return che include il valore da ritornare Esempio: int randomNumber() { int r = 1+(int)(Math.random()*99); return r; }

Esempio di metodo void Definizione del metodo printWelcomeMessage: void printWelcomeMessage() { System.out.println(``Hello!’’); System.out.println(``Welcome to paradise!’’); } Questo metodo esegue un’azione (stampa un messaggio di benvenuto) ma non ritorna alcun valore

Nomi di metodi Buone regole di programmazione:
verbi per nominare metodi senza un valore di ritorno realizzano un azione esempio: printIntegerNumber nomi per nominare metodi con un valore di ritorno creano (ritornano) un dato, ovvero una cosa esempio: randomNumber iniziare il nome di un metodo con una lettera minuscola

Parametri di un metodo Metodi più flessibili (e quindi più utili) con valori di input (detti valori passati o parametri) Parametri e loro tipi di dato specificati all’interno delle parentesi tonde successive al nome del metodo questi sono i parametri formali lista di parametri separati da virgole Invocando un metodo, vanno inseriti (all’interno delle parentesi tonde) valori del tipo specificato e nell’ordine specificato questi sono gli argomenti, o parametri attuali

Esempio Dichiarazione: Invocazione: parametri formali: min e max
int randomNumber(int min, int max) { return min+(int)(Math.random()*(max-min)); } parametri formali: min e max Invocazione: int m = 10; int M = 20; int r = randomNumber(m, M); argomenti: m ed M

Passaggio per valore Parametri formali sono locali al loro metodo
variabili usate come argomenti non possono essere modificate dal metodo metodo riceve solo il loro valore Quando un metodo è invocato, il valore di ciascun argomento è copiato nel (assegnato al) corrispondente parametro formale numero di argomenti uguale a numero di parametri formali tipo di dati degli argomenti uguale a quello dei corrispondenti parametri formali parametri formali inizializzati con i valori passati

Variabili locali ad un blocco
Variabile dichiarata all’interno di un blocco: vista solo all’interno del blocco locale al blocco, per cui è chiamata variabile locale se il blocco è il corpo di un metodo, la variabile è detta essere una variabile locale del metodo quando il blocco termina l’esecuzione, le variabili locali spariscono riferimenti a variabili locali fuori del blocco corrispondente causano errori di compilazione Variabile dichiarata nell’inizializzazione di un for è locale al ciclo for non può essere usata fuori del ciclo

Quando e dove Dichiarare una variabile fuori di tutti i blocchi ma all’interno di un metodo la rende disponibile a tutti i blocchi del metodo Buone regole di programmazione dichiarare le variabili immediatamente prima di utilizzarle inizializzare le variabili al momento della dichiarazione non dichiarare variabili all’interno di cicli richiede tempo la creazione e la distruzione di una variabile eccezione: variabili dichiarate nell’inizializzazione di un ciclo for

Programmazione procedurale
Obiettivo Concepire la costruzione di programmi di grande dimensione e complessità come composizione di componenti (procedure) costruite ad hoc esistenti Vantaggi dominare la complessità ridurre i costi aumentare parallelismo nello sviluppo

Scomporre e comporre Principio del divide et impera
Suddividere per isolare parti il più possibile autonome ed indipendenti Parti potenzialmente riutilizzabili

Autonomia ed indipendenza
Ogni parte deve avere una sua coesione da un punto di vista logico deve rappresentare un’astrazione significativa Ogni parte deve essere il più possibile indipendente dalle altre parti

Procedura È una parte del sistema complessivo
Deve avere, rispetto alle altre parti, un’interfaccia ben definita interfaccia: tutto ciò che è necessario conoscere per poter usare la procedura

Procedure e metodi Un metodo Java può essere considerato come una procedura La sua interfaccia è specificata nell’intestazione È bene che non modifichi variabili che non sono locali indipendenza dalle altre procedure

Relazione di utilizzo Procedura A usa procedura B se, per svolgere il proprio compito, deve accedere alla procedura B attraverso quanto definito nell’interfaccia di quest’ultima esempio: se il metodo F invoca il metodo G, allora F usa G

Interfaccia/implementazione
Occorre distinguere tra questi due aspetti Interfaccia dice ciò che le altre procedure possono conoscere Implementazione è come ciò che viene offerto attraverso l’interfaccia è effettivamente realizzato

Struttura di un programma
Procedura principale Più procedure asservite a quella principale Ciascuna di quest’ultime, a sua volta, ne può usare altre

Una visione grafica A B A usa B procedura principale
procedura asservita P1 procedura asservita P2 procedura asservita P4 procedura asservita P3 procedura asservita P5

Realizzazione in Java Procedura principale
procedura main Per ciascuna procedura asservita interfaccia dichiarazione implementazione definizione del corpo

Esempio Programma che genera due frazioni Decide se sono
apparenti: numeratore multiplo di denominatore proprie: numeratore minore di denominatore Confronta le due frazioni Riduce le due frazioni ai minimi termini Riduce le due frazioni allo stesso denominatore Esegue le quattro operazioni

Struttura (parziale) main isApparent isProper isFETS isFBTS computeRD
computeRN computeGCD

Frazioni apparenti e proprie
boolean isApparent(int n, int d) { return (n % d == 0); } boolean isProper(int n, int d) return (n < d);

Confronto tra frazioni
boolean isFETS(int n1,int d1,int n2,int d2) { return (n1*d2 == n2*d1); } boolean isFBTS(int n1,int d1,int n2,int d2) return (n1*d2 > n2*d1);

Calcolo del MCD (1) int computeGCD(int n, int d){
int count = 2, min = n, GCD = 1; if (n > d) min = d; while (count <= min) { if ((n%count == 0) && (d%count == 0)) GCD = count; ++count; } return GCD;

Semplificazione di frazioni
int computeRN(int n, int d) { return (n / computeGCD(n, d)); } int computeRD(int n, int d) return (d / computeGCD(n, d));

Procedura principale void main() { int n1 = 1+(int)(Math.random()*99);
int d1 = 1+(int)(Math.random()*99); int n2 = 1+(int)(Math.random()*99); int d2 = 1+(int)(Math.random()*99); ... }

Calcolo del MCD (2) int computeGCD(int n, int d){ int GCD = n;
if (n > d) GCD = d; while (GCD > 1) { if ((n%GCD == 0) && (d%GCD == 0)) break; --GCD; } return GCD;

Algoritmo di Euclide Proprietà: Algoritmo:
se r è il resto della divisione di a per b (ab), allora i divisori comuni di a e b coincidono con quelli di b ed r MCD(a, b) = MCD(b, r) dove r = a mod b Algoritmo: se b=0, allora MCD(a, b) = a, altrimenti MCD(a, b) = MCD(b, a mod b)

Calcolo del MCD (3) int computeGCD(int n, int d) { int temp = 0;
while (d > 0) { temp = d; d = n % d; n = temp; } return n;

Ricorsione Strumento potente per definizioni matematiche
Possibilità di definire insieme infinito di oggetti con regola finita possibilità di descrivere un insieme infinito di computazioni con un programma finito

Ricorsione in matematica
Le formule matematiche sono spesso espresse in termini ricorsivi Esempio: definizione di fattoriale 1!=1 N!=N * (N-1)!

Metodi ricorsivi Contengono riferimenti espliciti a sé stessi
direttamente ricorsivi Un metodo ne invoca un altro e l’esecuzione di quest’ultimo porta ad un certo punto ad invocare nuovamente (direttamente o indirettamente) il metodo originale indirettamente ricorsivi

Ricorsione infinita Requisito fondamentale: chiamata ricorsiva subordinata ad una condizione che ad un certo istante deve divenire non soddisfatta Qualsiasi definizione ricorsiva deve avere una parte non ricorsiva, detta base della ricorsione, che permette alla ricorsione stessa di terminare Nell’esempio precedente del fattoriale la base è 1! che è posto uguale ad 1

Variabili in metodi ricorsivi
Ogni invocazione genera un nuovo insieme di variabili locali Ogni parametro riceve un valore iniziale in base alla nuova invocazione Ogni volta che il metodo termina si ritorna al metodo che lo ha chiamato ( che potrebbe essere lo stesso)

Numeri di Fibonacci Schema più complicato di composizione ricorsiva che potrebbe (e dovrebbe) essere tradotto in forma iterativa Definizione: fib0 = 0 fib1 = 1 fibn+1 = fibn + fibn-1

Implementazione ricorsiva
int computeFib(int n) { if (n == 0) return 0; if (n == 1) return 1; return computeFib(n-1)+computeFib(n-2); }

Numero di invocazioni 5 4 3 3 2 2 1 2 1 1 1 1 Numero totale di invocazioni cresce esponenzialmente

Implementazione iterativa
int computeFib(int n) { int i = 1, x = 1, y = 0; while (i < n) { i = i+1; x = x+ y; y = x -y; } return x;

Considerazioni Ricorsione deve essere evitata se esiste una soluzione iterativa ovvia Non vuol dire evitare la ricorsione a qualunque costo esistono molte buone applicazioni della ricorsione algoritmi per loro natura ricorsivi vanno implementati con metodi ricorsivi

Le torri di Hanoi inventato nel 1880 da Lucas
Tre aste (o torri) ed n dischi di dimensioni diverse (con buco per inserirli nelle aste) All’inizio tutti i dischi sono nell’asta 1 in ordine decrescente di grandezza Obiettivo: portarli nella torre 3 rispettando le regole seguenti nessun disco mai sopra uno più piccolo si può spostare un solo disco alla volta dischi sempre collocati su una torre (non a parte) solo disco in cima ad una torre può essere spostato

Algoritmo ricorsivo Obiettivo: spostare k dischi da torre 1 a torre 3
Spostare k-1 dischi da torre originale a torre temporanea Spostare 1 disco da torre originale a torre di destinazione Spostare k-1 dischi da torre temporanea a torre di destinazione

Implementazione 1 void moveTowers(int k, int o,int d) { if (k > 0)
moveTowers(k-1, o, 6-o-d); System.out.println("Sposta da "+o+"a"+d); moveTowers(k-1,6-o-d,d); }

Programmazione OO Dati  Istruzioni = Metodi Dati  Metodi = Classi
Concetti base: dati istruzioni Dati: variabili tipi Istruzioni: istruzioni base strutture di controllo sotto-programmi Dati  Istruzioni = Metodi Programmazione Procedurale Dati  Metodi = Classi Programmazione a Oggetti Vi sono due aspetti fondamentali della programmazione: i dati e le istruzioni. Per poter lavorare con i dati, è necessario comprendere le variabili ed i tipi (ciò è quanto abbiamo fatto nella seconda parte del libro), mentre, per operare con le istruzioni, è necessario comprendere le strutture di controllo (studiate nella terza parte del libro) ed i sotto-programmi (che analizzeremo in questa parte).

Cosa è un oggetto Un oggetto è una “scatola” software contenente
Metodi (comportamenti) Variabili (stato) Un oggetto è una “scatola” software contenente variabili (che descrivono lo stato di un oggetto) e metodi (detti suoi membri, definiscono i comportamenti)

Esempio: i numeri razionali
3 4 isBigger isEqual add sub div mul razionale 3/4 num Variabili di istanza (campi): contengono i valori (lo stato) del numero razionale Istanza: un preciso oggetto Metodi di istanza: agiscono sul numero razionale

Cosa è un messaggio Gli oggetti interagiscono e comunicano tra loro usando i messaggi per ottenere maggiori funzionalità e comportamenti più complessi isBigger(razionale di confronto) altro oggetto utilizzato dal programma razionale 3/4 num den

Usare gli oggetti Inviare un messaggio ad un oggetto significa invocare un metodo dell’oggetto Accedere alle variabili di istanza di un oggetto significa poter manipolare o ispezionare il loro valore Sintassi per invocare un metodo/accedere alle variabili di istanza di un oggetto: all’interno della definizione di un oggetto: metodo(lista_di_parametri) variabile all’esterno della definizione di un oggetto (operatore ‘.’): riferimentoOggetto.metodo(lista_di_parametri) riferimentoOggetto.variabile

Cosa è una classe Una classe è un “prototipo” che definisce le variabili e i metodi comuni a tutti gli oggetti di un certo tipo. Una classe è solo il modello di un oggetto e pertanto non riserva spazio di memoria per i suoi dati. Ogni oggetto ha il suo spazio dati, un oggetto è un’istanza di una classe.

Esempio Tutti gli oggetti di tipo Rational possiedono i due campi interi num e den ed almeno i 6 metodi riportati isBigger isEqual add sub div mul classe Rational int num int den

isBigger isEqual add sub div mul oggetto 8/15 istanza di Rational
int num=8 int den=15 oggetto 8/15 istanza di Rational isBigger isEqual add sub div mul int num=4 int den=5 oggetto 4/5 istanza di Rational

Dichiarare una classe class nome_classe { // definizione variabili // definizione metodi } Esempio: class Rational { int num; int den; // definizione metodi }

Dichiarare un oggetto Sintatticamente la dichiarazione di un oggetto è del tutto analoga alla dichiarazione di una variabile di tipo primitivo Esempio: Rational primoNumero; essendo Rational una classe La variabile dichiarata di tipo classe è un indirizzo ad un’area di memoria contenente l’oggetto vero e proprio

Istanza di un oggetto L’operatore new crea un oggetto del tipo “indicato” dal metodo che immediatamente segue Sintassi: riferimentoOggetto = new NomeClasse(lista_di_parametri); essendo riferimentoOggetto una variabile di tipo NomeClasse L’esecuzione di una tale istruzione comporta: l’allocazione della memoria necessaria a contenere l’oggetto l’assegnazione a riferimentoOggetto dell’indirizzo di inizio dell’area di memoria allocata l’inizializzazione delle variabili di istanza dell’oggetto dettate dalla lista di parametri del metodo NomeClasse(lista_di_parametri)

Fondere le due fasi Rational primoNumero; primoNumero = new Rational(3,4); è equivalente a Rational primoNumero = new Rational(3,4);

Oggetti e metodi Un metodo può ritornare il riferimento ad un oggetto del tipo dichiarato dal valore di ritorno del metodo NomeClasse nomeMetodo(lista_input) Un metodo può avere un parametro formale di tipo classe. Al momento dell’invocazione di un tale metodo, il parametro è inizializzato con la copia Rational mul(Rational number)

Tipi primitivi e tipo classe
Un metodo non può cambiare il valore di una variabile di un tipo primitivo passatagli come argomento Un metodo può cambiare i valori delle variabili di istanza dell’oggetto indirizzato dalla variabile tipo classe che gli è passata come parametro

Il metodo main main è un metodo speciale dal quale le applicazioni Java iniziano automaticamente l’esecuzione Sintassi: public static void main(String args) È buona norma non includere il metodo main nella definizione di una classe il cui scopo è esclusivamente quello di definire un tipo eccezione: per debugging

Esempio: class RationalTest . public static void main(String args)
Esempio: class RationalTest  public static void main(String args)  /* corpo del metodo main */  

I costruttori Un costruttore è un metodo speciale designato a inizializzare le variabili di istanza nome uguale a quello della classe Viene richiamato automaticamente quando l’oggetto è creato new NomeClasse(lista_di_parametri) Un costruttore con una lista di argomenti vuota è detto costruttore di default Se nella classe non è presente un costruttore, Java crea automaticamente un costruttore di default

Definizione dei Costruttori
La dichiarazione di un costruttore non include un tipo di ritorno che è comunque un indirizzo è un errore anteporre la parola chiave void Esempio: class Rational  int num, den; Rational(int n, int d)  num = n; den = d;  ... 

Un esempio riassuntivo
class Rational  int num, den; // variabili di istanza Rational(int n, int d) // costruttore  num = n; den = d;  Rational mul(Rational r) // operazione di moltiplicazione  return new Rational(num*r.num,den*r.den);  // altre operazioni aritmetiche boolean isBigger(Rational r) // confronto se maggiore  return (num * r.den > den * r.num);  // altre operazioni di confronto }

class RationalTest  public static void main(String args)  Rational firstNum = new Rational(3,5); Rational secondNum = new Rational(2,3); boolean isBiggerResult; isBiggerResult = firstNum.isBigger(secondNum); System.out.println (“Primo>secondo:“+isBiggerResult); 

Firma (signature) di un metodo
La firma di un metodo è data dal nome del metodo e dal numero, tipo e ordine dei suoi parametri Esempio di firme diverse: int myMethod(int i) è diverso da int yourMethod(int i) int myMethod(int i, double j) int myMethod(int i, double j) è diverso da int myMethod(double j, int i) Il valore di ritorno di un metodo non fa parte della firma del metodo stesso Esempio di firme uguali: int myMethod(int i) ha la stessa firma di double myMethod(int j)

Sovraccaricamento Lo stesso nome di un metodo ha più di una definizione all’interno della stessa classe I metodi sovraccarichi hanno lo stesso nome ma firme diverse tra loro I costruttori sono spesso sovraccaricati

Esempio sovraccaricamento errore segnalato dal compilatore
class MethodOverload  int square(int x) return x*x;  double square(double y) return y*y; int square(double x) ………… sovraccaricamento errore segnalato dal compilatore

Sovraccaricamento e conversione
Se non si ha la corrispondenza con una qualche firma, Java effettua conversioni di tipo automatiche per trovare un’eventuale corrispondenza una versione indesiderata del metodo può essere eseguita

INCAPSULAMENTO Le variabili contenute in un oggetto dovrebbero essere modificate solo dal suo interno, solo i metodi dovrebbero essere gli unici responsabili del cambiamento delle variabili. Un oggetto dovrebbe essere incapsulato rispetto a tutto il resto del sistema e dovrebbe interagire con le altre parti del programma solo attraverso un insieme specifico di metodi che definiscono i servizi che fornisce.

MODIFICATORI Un modificatore è una parola chiave di Java usata per specificare delle caratteristiche particolari di un costrutto del linguaggio. Alcuni modificatori sono chiamate modificatori di visibilità perché controllano fino a quale punto del programma è possibile usare un membro della classe.

Il modificatore public
Il modificatore public indica la totale assenza di restrizioni di visibilità Le classi dichiarate public possono essere referenziate ovunque public class TwoDimensionalShape  …………  class shapeTest  TwoDimensionalShape myShape; ………… }

I campi ed i metodi dichiarati public sono accessibili ovunque
public class A  public int x; public int getX()  return x;   class B  public static void main(String[] args) { A a = new A(); a.x = 3; System.out.println(a.getX());  }

Il modificatore private
Le variabili e i metodi dichiarati private sono accessibili soltanto dai metodi della classe in cui sono definiti

Esempio public class TwoDimensionalShape  private int width, height; private int generate( int n )  return 1+(int)( Math.random*n );  public void setRandomWidth( int n )  width = generate( n );  public int getWidth( ) { return width; } }

class shapeTest . public static void main( String[] args ). {
class shapeTest  public static void main( String[] args ) { TwoDimensionalShape s = new TwoDimensionalShape(); s.width = s.generate( 100 ); ERRORE DOPPIO s.setRandomWidth( 100 ); System.out.println( s.getWidth( ) );  }

Caratteristiche dell’OOP
Occultamento delle informazioni protegge i dati all’interno di un oggetto usa variabili di istanza private non permette un loro accesso diretto usa metodi public per accedere alle variabili Incapsulamento gli oggetti incapsulano attributi e metodi nasconde i dettagli di una definizione di classe separando interfaccia (API) implementazione

La parola chiave static
Una variabile definita static è detta variabile di classe Essa rappresenta informazioni valide per l’intera classe ed è condivisa da tutte le istanze della classe Esempio: public class A  static int x; ……… 

Un metodo definito static è detto metodo di classe
Esso definisce un comportamento identico per tutte le istanze della classe ossia indipendente dagli oggetti Esempio: Math.random() E’ un errore di sintassi per un metodo static chiamare un metodo di istanza o accedere ad una variabile di istanza

Accedere a membri static
I membri static di una classe esistono indipendentemente dall’esistenza di una istanza di tale classe Due tipi di accesso NomeClasse.nomeMetodo(lista_parametri) NomeClasse.nomeVariabile rifOggetto.nomeMetodo(lista_parametri) rifOggetto.nomeVariabile essendo rifOggetto un riferimento a un oggetto di tipo NomeClasse

La parola chiave final La parola chiave final riferita a una variabile indica che essa non può essere modificata Sintassi: final tipo NOME = costante; Esempio final double PI = ;

Librerie di classi Una libreria di classi è un insieme di classi che aiuta il programmatore nello sviluppo del software. Un compilatore spesso viene distribuito con una libreria di classi fondamentali. Si possono ottenere separatamente delle librerie commerciali. Tecnicamente una libreria non fa parte della definizione del linguaggio. La libreria standard viene distribuita con qualsiasi ambiente di sviluppo.

API e package Una libreria di classi è composta da gruppi di classi tra loro collegate, spesso indicate collettivamente come API (Application Programmer Interface). E’ possibile per esempio riferirsi al Java Database API quando si parla dell’insieme delle classi che permettono di interagire con una base di dati. Le classi della libreria standard di Java sono raggruppate in package che, come le API, permettono di indicare con un unico nome delle classi tra loro collegate. Ad esempio la classe String fa parte del package java.lang.

La clausola IMPORT Le classi del package java.lang sono automaticamente rese disponobili durante la scrittura di un programma. Se si vogliono usare le classi appartenenti ad altri package, occorre specificare il nome della classe insieme al nome del package, oppure usare la clausola import. Es.: java.util.Random import java.util.Random import java.util.*

La classe String Una stringa è una sequenza di caratteri
La classe String è utilizzata per memorizzare caratteri La classe String ha metodi che consentono di operare su stringhe Costanti di tipo String: uno o più caratteri racchiusi tra doppi apici Esempi: char charVariable = `a`; // apici singoli String stringVariable = “a”; // doppi apici String sentence = “Hello, world”;

Variabili di tipo String
Dichiarare una variabile di tipo String: String greeting; Assegnare un valore alla variabile: greeting = “Hello!”; Utilizzare la variabile come parametro di tipo String nella chiamata di un metodo: System.out.println(greeting); stampa sullo schermo la stringa Hello!

Costruttori String(stringa):
greeting = new String("Hello!"); Alloca memoria per ogni stringa anche se il parametro è lo stesso diverso da non usare il costruttore String s = "Hello!"; String t = "Hello!"; String u = new String("Hello!"); String v = new String("Hello!"); System.out.println(s==t); // stampa true System.out.println(u==v); // stampa false

Metodi length(): ritorna la lunghezza della stringa
greeting.length() ritorna 6 toLowerCase(): ritorna la stringa con tutti caratteri minuscoli greeting.toLowerCase() ritorna hello! toUpperCase(): ritorna la stringa con tutti caratteri maiuscoli greeting.toUpperCase() ritorna HELLO!

Indice di un carattere È un intero che, a partire da 0 per il primo carattere, specifica la posizione del carattere all’interno della stringa Metodo charAt(int p): ritorna il carattere nella posizione specificata greeting.charAt(0) ritorna il carattere H mentre greeting.charAt(2) ritorna il carattere l Metodo substring(int s, int e): ritorna la sotto-stringa dalla posizione s alla posizione e (esclusa) greeting.substring(4,6) ritorna la stringa o!

Concatenazione di stringhe
Operatore +: String name = “I am Elisa”; System.out.println(greeting+” “+name); sullo schermo appare: Hello! I am Elisa ricordarsi di includere gli spazi per una corretta viualizzaziome

Sequenze escape Come stampare caratteri speciali?
Esempio: The word is “hard” System.out.println(“The word is “hard””); Errore di compilazione: vede la stringa The word is ed è confuso da quello che segue Usare il carattere backslash (ovvero, \) per indicare il significato speciale dei doppi apici interni System.out.println(“The word is \“hard\””); la sequenza \” è detta essere una sequenza escape

Commenti Scrivere commenti comprensibili ed utili
Non commentare ciò che è ovvio Assumere che il lettore ha una conoscenza ragionevole Tipi di commenti: // per commenti di una singola linea /* … */ per commenti di più linee /** … */ per commenti che producano documentazione HTML (appendice 10)

Array Nome unico per collezione di valori tutti dello stesso tipo di dati Più di un tipo primitivo, meno di un oggetto metodi invocati con una notazione speciale comportamento simile ad oggetti se usati come argomenti o come tipi di ritorno niente ereditarietà simili ad una classe Java non completamente implementata Adatti per cicli (in particolare, cicli for)

Creazione ed accesso Sintassi generale per la dichiarazione:
Tipo_Base[] Nome_Array = new Tipo_Base[Lunghezza]; Esempi: array di 80 caratteri: char[] symbol = new char[80]; array di 100 reali: double[] reading = new double[100]; array di 100 stringhe: String[] message = new String[100];

Uso delle parantesi quadre
Per creare un nome di tipo esempio: int[] intArrayName; crea un nome di tipo "array di int" tipo int diverso da tipo array di int tipo del nome intArrayName, non tipo dei dati inclusi nell’array (che comunque sono di tipo int) Per creare un nuovo array esempio: numArray = new int[100]; Per accedere ad uno specifico elemento dell’array esempio: System.out.println(numArray[3]);

Terminologia temperature[n + 2] temperature[n + 2] temperature[n + 2]
Nome temperature[n + 2] temperature[n + 2] Indice - deve essere un int, - oppure un’espressione che ritorna un int temperature[n + 2] Variabili indicizzata o elemento temperature[n + 2] = 32; Valore della variabile indicizzata o elemento

Lunghezza di un array Specificata dal numero dentro le parentesi quadre al momento della dichiarazione determina la quantità di memoria allocata per gli elementi dell’array memoria allocata anche se agli elementi non è stato assegnato alcun valore determina il massimo numero di elementi che l’array può contenere Ottenuta mediante la sintassi .length String[] message = new String[20]; System.out.println(message.length); Determinata al momento della dichiarazione non può essere modificata a meno di ridichiarare l’array

Inizializzazione di array
Gli elementi di un array possono essere inizializzati nell’istruzione di dichiarazione mediante una lista di valori (separati da virgole) all’interno di parentesi graffe elementi non inizializzati ricevono un valore di default (ad esempio, ‘ ‘ per array di char) lunghezza di array determinata automaticamente se i valori sono inizializzati esplicitamente nella dichiarazione Esempio: double[] readings = {5.1, 3.02, 9.65}; System.out.println(readings.length); stampa 3, ovvero la lunghezza dell’array readings

Dominio di indicizzazione
Indicizzazione di array usa numerazione a partire da 0 primo elemento: indice 0 secondo elemento: indice 1 n-esimo elemento: indice n-1 ultimo elemento: indice length-1 Esempio: int[] scores = {97, 86, 92, 71};

Errore di indice fuori del dominio
Usare un indice più grande di length-1 causa un errore in fase di esecuzione (non di compilazione) viene rigettata un'eccezione di tipo ArrayOutOfBoundsException Altri linguaggi di programmazione (come C e C++) non causano neanche un errore in fase di esecuzione una delle caratteristiche più "pericolose" di questi linguaggi è proprio il fatto che consentono di usare indici fuori del dominio

Inizializzazione con ciclo
Elaborazione di array facile da fare in un ciclo Ciclo for spesso usato per inizializzare un array Esempio: int[] a = new int[10]; for(int i = 0; i < a.length; i++) a[i] = 0;

Array, classi e metodi Dato array di oggetti, i metodi della classe corrispondente possono essere usati sui singoli elementi dichiara array di Rational ogni elemento è una istanza di Rational usa il metodo add della classe Rational

Array, elementi ed argomenti
Array ed elementi possono essere usati come argomenti di un metodo e come tipi di ritorno sia un elemento che un nome di array possono essere un argomento di un metodo i metodi possono ritornare un valore di un array oppure un nome di array (incluse le parentesi quadre)

Esempio nome di array come tipo di ritorno
un elemento di a è un argomento del metodo add il nome v è un argomento del metodo computeSum

Nomi di array come argomenti
Quando si usa un intero array come argomento di un metodo: si indica solo il nome dell'array senza le parentesi quadre il metodo ha accesso all'array originale e può modificare i valori dei suoi elementi la lunghezza dell'array passato come argomento può essere diversa ad ogni invocazione quando si definisce il metodo non si sa la lunghezza dell'array che verrà passato utilizzare length all'interno del metodo per evitare una eccezione di tipo ArrayIndexOutOfBoundsException

Esempio l'argomento del metodo è il nome di un array di razionali
Rational computeSum(Rational[] a) { if (a.length==0) return null; Rational tot = a[0]; for (int i=1; i<a.length; i++) tot = tot.add(a[i]); return tot; } usa length per evitare eccezioni dovute ad indice fuori del dominio usa length per controllare il ciclo

è lo stesso valore ottenuto con b
Array ed operatore = int[] a = new int[3]; int[] b = new int[3]; for(int i; i < a.length; i++) a[i] = i; b = a; System.out.println(a[2] + " " + b[2]); a[2] = 10; Output: 2 2 10 10 Un valore cambiato in a è lo stesso valore ottenuto con b Non crea una copia dell'array a ma trasforma b in un altro nome per l'array a

Array ed operatore == int i; int[] a = new int[3];
int[] b = new int[3]; for(i=0;i<a.length;i++) a[i] = 0; for(i=0;i<b.length;i++) b[i] = 0; if(b == a) System.out.println("a equals b"); else System.out.println("a does not equal b"); a e b sono entrambi array di 3 elementi di tipo int a tutti gli elementi di a e b viene assegnato il valore 0 verifica se gli indirizzi di a e b sono uguali, non se i valori degli array sono uguali L'output di questo codice sarà a does not equal b perché gli indirizzi dei due array non sono uguali

Uguaglianza tra array Per verificare se due array sono uguali bisogna definire un metodo equals che ritorna il valore true se e solo se gli array hanno la stessa lunghezza e tutti gli elementi corrispondenti sono uguali

Metodi che ritornano un array
Un altro esempio di passaggio per riferimento In pratica, non viene restituito l'array, ma il suo indirizzo Il nome della variabile a cui l'array viene assegnato è semplicemente un altro nome per l'array ritornato dal metodo

Buone regole di programmazione
Usare nomi singolari piuttosto che plurali migliora la leggibilità sebbene un array contenga molti elementi, l'uso più frequente del suo nome sarà per indicizzare un singolo elemento Non affidarsi ai valori iniziali di default per gli elementi di un array inizializzare esplicitamente gli elementi nella dichiarazione oppure in un ciclo

Ricerca in un array Esistono molte tecniche per cercare un particolare valore all'interno di un array Ricerca sequenziale: partire dall'inizio dell'array e procedere in sequenza finché il valore viene trovato oppure la fine dell'array viene raggiunta oppure, partire dalla fine dell'array e procedere a ritroso finché il valore viene trovato oppure l'inizio dell'array viene raggiunto non è il modo più efficiente, ma funziona ed è facile da programmare

Esempio public boolean inArray(int[] a, int x) {
boolean found = false; int i = 0; while ((! found) && (i<a.length)) if (x==a[i]) found = true; else i++; } return found;

Ordinare un array Ordinare un elenco di elementi è un compito molto frequente ordinare numeri in modo crescente ordinare numeri in modo decrescente ordinare stringhe in modo alfabetico Vi sono molti modi per ordinare un elenco Selection sort uno dei più facili non il più efficiente, ma facile da capire e da programmare

Algoritmo Selection Sort
Per ordinare un array di interi in modo crescente: cerca nell'array il numero più piccolo e scambialo con il primo elemento dell'array la parte ordinata dell'array è ora il primo elemento, mentre quella non ancora ordinata sono i rimanenti elementi cerca nella parte non ordinata il numero più piccolo e scambialo con il secondo elemento dell'array ripeti la ricerca e lo scambio fino a quando tutti gli elementi sono al posto giusto ogni iterazione aumenta di 1 la lunghezza della parte ordinata e diminuisce di 1 quella della parte non ordinata

Il codice public void selectionSort(int[] a) {
int i, j, indexOfNextSmallest, min, temp; for (i = 0; i < a.length - 1; i++) min = a[i]; indexOfNextSmallest = i; for (j = i+1; j < a.length; j++) if (a[j] < min) min = a[j]; indexOfNextSmallest = j; } temp = a[i]; a[i] = a[indexOfNextSmallest]; a[indexOfNextSmallest] = temp;

Esempio

Il metodo main Il parametro formale di un metodo main è sempre un array di oggetti di tipo String. La macchina virtuale java invoca il metodo main nell’applicazione che viene passata all’interprete Il parametro di tipo array di stringhe, che solitamente viene chiamato args, rappresenta l’insieme di argomenti passati tramite la linea di comando all’interprete Java quando viene invocato.

Qualsiasi informazione passata dalla linea di comando viene memorizzata nell’array args per poter essere successivamente usata dal programma. Il parametro del metodo main è sempre un array di oggetti di tipo String, per cui se si ha bisogno di passare dalla riga di comando informazioni in altro formato, ad esempio numerico, il programma dovrà convertirle in formato stringa.

Complessità computazionale
Per risolvere un problema spesso sono disponibili molti algoritmi diversi . Come scegliere il migliore? In genere si valuta la bontà di un algoritmo o si confrontano più algoritmi sulla base del comportamento che questi presentano al crescere della dimensione del problema.

Si vuole caratterizzare tale dimensione mediante un intero n che è precisamente identificato nella macchina di Turing come la lunghezza della porzione di nastro che contiene i dati di ingresso. Impiegando un elaboratore ed un suo linguaggio di programmazione, la dimensione n è lo spazio occupato, nella memoria dell’elaboratore, dei dati relativi al problema da risolvere, o più in generale un numero proporzionale a questo spazio.

Esempi: se si opera su un insieme, n sarà il numero dei suoi elementi se si opera su un grafo, n sarà il numero dei nodi o il numero di archi o la somma dei due numeri se si opera su matrici n sarà il numero dei suoi elementi

Complessità in tempo e complessità asintotica
Fissata la dimensione n, il tempo che un algoritmo impiega a risolvere il problema si chiama complessità in tempo: nostro obiettivo principale sarà esprimere la complessità in tempo come funzione di n e spesso ci limiteremo a studiare il comportamento di tale funzione al crescere di n (complessità asintotica o semplicemente complessità) considerando così i soli termini prevalenti per e tralasciando a volte anche le costanti moltiplicative.

Perché si studia la complessità asintotica
Lo studio della complessità asintotica è motivato dal fatto che gli algoritmi sono sempre definiti per n generico: se per valori piccoli di n due algoritmi possono avere efficienza confrontabile, è sempre quello che ha il termine massimo di grado più basso a richiedere minor tempo di esecuzione per un numero illimitato di valori di n superiori ad un opportuno valore n0 .

ATTENZIONE!!! Non saremo mai in grado di valutare il tempo effettivamente impiegato da un algoritmo, si dovrebbe mettere in bilancio il tempo di esecuzione delle singole frasi su uno specifico elaboratore.

Quello che faremo Ci limiteremo a contare le operazioni eseguite o alcune operazioni chiave o preminenti ammettendo che il tempo complessivo di esecuzione sia proporzionale al numero di tali operazioni. Tratteremo spesso come non significative le costanti moltiplicative e studieremo le funzioni di complessità nel loro ordine di grandezza.

Complessità in spazio La complessità in spazio è il massimo spazio invaso dalla memoria durante l’esecuzione dell’algoritmo, il quale può costruire insiemi di dati intermedi o di servizio, oltre ad operare sui dati iniziali e finali. Anche in questo caso ci si limita in genere allo studio della complessità asintotica. Poiché abbiamo a disposizione memorie grandissime a basso costo, studieremo la complessità in tempo.

Complessità e configurazioni
La complessità di un algoritmo non può sempre essere caratterizzata da una sola funzione di complessità. A parità di dimensione di dati, il tempo di esecuzione può dipendere dalla specifica configurazione dei dati. Si considerano di solito tre differenti tipi di complessità: complessità nel caso medio, ottimo e pessimo.

Complessità media Valore della complessità di un algoritmo, mediato su tutte le possibili occorrenze iniziali dei dati. Si usa spesso la probabilità. Il calcolo è spesso difficile.

Complessità nel caso ottimo
Si ottiene considerando, a parità di dimensione dei dati, la configurazione che dà luogo alminimo tempo di esecuzione. Tale complessità è perlopiù di interesse secondario anche se è abbastanza facile da determinare.

Complessità nel caso pessimo
Si intende la complessità relativa a quella particolare occorrenza iniziale dei dati per cui l’algoritmo ha comportamento pessimo. Tale funzione di complessità fornisce un limite superiore alla complessità, entro cui il funzionamento dell’algoritmo è sempre garantito.

Crescita asintotica della complessità
Le funzioni considerate rappresentano tempi di elaborazione e spazi di memoria e sono intrinsecamente non negative ( ed in genere crescenti con la dimensione dei dati n che è un intero non negativo). In genere ci interesseremo al limite della funzione complessità quando n∞ (studio della complessità in ORDINE DI GRANDEZZA).

Notazioni O(f(n)) è l’insieme di tutte le funzioni g(n) tali che esistono due costanti positive c e n0 per cui g(n)<=cf(n) per ogni n>= n0 g(n)O(f(n)) tradizionalmente si legge “g(n) è di ordine f(n)” e fornisce un limite superiore al comportamento asintotico della funzione.

Ω(f(n)) è l’insieme di tutte le funzioni g(n) tali che esistono due costanti positive c e n0 per cui g(n)>=cf(n) per ogni n>= n0. g(n)Ω(f(n)) tradizionalmente si legge “g(n) è di ordine Ω f(n)” e fornisce un limite inferiore al comportamento asintotico della funzione.

(f(n)) è l’insieme di tutte le funzioni g(n) che sono sia Ω f(n) sia Of(n).
g(n)(f(n)) tradizionalmente si legge “g(n) è di ordine  f(n)”; la g si comporta asintoticamente esattamente come la f, per cui l’andamento di f caratterizza precisamente quello di g.

Applicata alla funzione di complessità, la notazione O ne delimita superiormente la crescita e fornisce un indicatore di bontà dell’algoritmo. La notazione Ω limita inferiormente la complessità, indicando così che il comportamento dell’algoritmo non è migliore di un comportamento assegnato.

Esempi: la funzione h(n)=3n2 +3n-1 è di ordine n2 perché esistono le costanti c=4 e n0=3 per cui h(n)<4n2 per n>=3. Notiamo che qualsiasi polinomio di grado k è di ordine nk e,in accordo con la definizione, è anche di ordine nj con j>k.

g(n)=3n2+2n+1 è O(n2) e anche O(n3) ma è anche di ordine (4n2), (n2), (n); Infine è di ordine (n2), (4n2), ma non di ordine (n) e neppure di ordine (n3)

Proprietà di O,  e  g  O(f) implica (f+g)  O(f)
f1O(g1), f2O(g2) implica f1+ f2O(g1+g2) O e  sono relazioni riflessive e transitive  è una relazione di equivalenza fO(g) se e solo se g  (f)

Possiamo dividere ora gli algoritmi in classi, ponendo nella stessa classe quelli che hanno complessità asintotica dello stesso ordine di grandezza O.

Classi principali funzioni di ordine costante
di ordine inferiori ad n, o sottolineari di ordine nlogn (la base del logaritmo è inessenziale perché logaritmi in basi diverse differiscono per una costante moltiplicativa: logay=logab x logby) di ordine n2,n3 ecc., o in genere polinomiali di ordine kn,nn..o in genere esponenziali

Un esempio:Ordinare un array
Ordinare un elenco di elementi è un compito molto frequente ordinare numeri in modo crescente ordinare numeri in modo decrescente ordinare stringhe in modo alfabetico Vi sono molti modi per ordinare un elenco Selection sort uno dei più facili non il più efficiente, ma facile da capire e da programmare

Algoritmo Selection Sort
Per ordinare un array di interi in modo crescente: cerca nell'array il numero più piccolo e scambialo con il primo elemento dell'array la parte ordinata dell'array è ora il primo elemento, mentre quella non ancora ordinata sono i rimanenti elementi cerca nella parte non ordinata il numero più piccolo e scambialo con il secondo elemento dell'array ripeti la ricerca e lo scambio fino a quando tutti gli elementi sono al posto giusto ogni iterazione aumenta di 1 la lunghezza della parte ordinata e diminuisce di 1 quella della parte non ordinata

Il codice public void selectionSort(int[] a) {
int i, j, indexOfNextSmallest, min, temp; for (i = 0; i < a.length - 1; i++) min = a[i]; indexOfNextSmallest = i; for (j = i+1; j < a.length; j++) if (a[j] < min) min = a[j]; indexOfNextSmallest = j; } temp = a[i]; a[i] = a[indexOfNextSmallest]; a[indexOfNextSmallest] = temp;

Esempio

Complessità del Selection sort
L’ordinamento per selezione ha un ciclo più esterno e uno più interno con proprietà simili, sebbene con scopi differenti. Il ciclo più esterno viene eseguito una volta per ogni valore nella lista e quello più interno confronta il valore scelto dal ciclo più esterno con molti, se non tutti, i valori rimanenti nella lista. Quindi esegue n2 confronti ove n è il valore di elementi della lista. Selection sort è quindi di ordine n2.

Programmi ricorsivi Secondo lo stile ricorsivo un programma risolve un problema facendo ricorso a chiamate dello stesso programma che risolvono un problema sui dati originali opportunatamente ridotti. I risultati ottenuti con le singole chiamate vengono poi combinati per ottenere il risultato finale.

E’ responsabilità di chi formula l’algoritmo porvi in posizione opportuna la clausola di chiusura per assicurarsi che le chiamate successive della procedura abbiano termine. E’ responsabilità del sistema di elaborazione organizzare i calcoli richiesti dalla procedura che devono essere eseguiti aggregando man mano dati elementari.

Ogni parametro di una procedura ricorsiva può assumere allo stesso tempo valori indipendenti. Il valore impiegato in un’esecuzione muore con il completamento di questa ed è sostituito dal valore relativo all’ultima esecuzione lasciato in sospeso. Tali assegnazioni come i problemi lasciati in sospeso sono i problemi dell’elaboratore.

Il programmatore formula l’algoritmo dal generale al particolare descrivendo la funzione sulla globalità dei dati in termini della funzione stessa sui dati disgregati. L’algoritmo viene poi eseguito dal particolare al generale. Vengono infatti lasciate in sospeso le operazioni globali e il calcolo vero e proprio inizia dai dati atomici.

Possiamo pensare alle operazioni effettuate prima e dopo le chiamate ricorsive come ad un LAVORO DI COMBINAZIONE dei risultati parziali in cui si fa confluire l’eventuale lavoro di preparazione dei dati per le chiamate ricorsive stesse.

RELAZIONI DI RICORRENZA
Quando un algoritmo è scritto in maniera ricorsiva può risultare relativamente facile caratterizzare in modo compatto e semplice le funzioni di complessità. Le relazioni di ricorrenza nascono infatti quando un elemento generico di una sequenza può essere espresso in funzione dei termini precedenti. Si usa classificare le più importanti relazioni di ricorrenza anche in base alla forma del lavoro di combinazione.

Fibonacci Una delle prime relazioni di ricorrenza fu posta da Fibonacci . Problema dei conigli: Al tempo 1, origine dei tempi, c’è una coppiua di conigli neonati. Al tempo successivo la coppia diventata adulta, inizia il processo di riproduzione: ogni coppia genera una nuova coppia ogni mese, ma ogni nuova coppia non è in grado di procreare durante il primo mese. Quante coppie vi sono al mese n? Il numero cercato è l’n-esimo numero di Fibonacci.

F3=2 la prima coppia procrea una seconda
al mese n vi sono le coppie del mese precedente, Fn-1, più quelle generate nell’ultimo mese che sono quelle esistenti nel mese ancora precedente, Fn-2. F1=1 al mese 1 c’è solo una coppia F2=1 al mese 2 ancora la prima coppia non può procreare Condizioni iniziali Fn=Fn-1+Fn-2 Relazione di ricorrenza

Cerchiamo di esprimere Fn in funzione di n, cercando quindi una soluzione per la relazione di ricorrenza. La legge generale conterrà delle costanti da determinare imponendo delle condizioni iniziali. Ipotizziamo che ci sia una soluzione del tipo Fn=czn dove c e z sono costanti.

Sostituiamo in Fn=Fn-1+Fn-2 la soluzione ipotizzata.

Possiamo quindi affermare che czn è una soluzione della relazione di ricorrenza in uno dei seguenti tre casi:

Quindi Fn ammette le due soluzioni
Fn=c1z1n Fn=c2z2n Purtroppo non generano tutti i numeri di Fibonacci al variare di n dato che nessuna delle due è in grado di soddisfare le due condizioni iniziali. In virtù della linearità di Fn=Fn-1+Fn-2 una combinazione lineare delle due soluzioni è ancora una soluzione della relazione. In particolare consideriamo: Fn= c1z1n +c2z2n

Imponendo le condizioni iniziali:

Si ottiene quindi:

Soluzioni

Esempio: PRIMSEC algoritmo ricorsivo che determina il primo e il secondo elemento di un insieme secondo un ordine assegnato. Sia A un vettore di n elementi distinti con un ordine prefissato. Si divide in due metà il vettore e si applica ricorsivamente l’algoritmo fino a che non si arriva a due coppie alle quali si applica il confronto.

Sotto l’ipotesi che n=2h i due insiemi iniziali si dividovo esattamente in due ad ogni passo finché dopo h-1 suddivisioni si ottengono insiemi elementari di due elementi. Valutiamo il numero di confronti eseguiti per calcolare la funzione di complessità. Avremo che: C(n)=1 per n=2 C(n)=2C(n/2)+2 per n>2 Questo modo di impostare l’algoritmo si chiama DIVIDE ET IMPERA (prossima lezione)

Non abbiamo il numero esatto dei confronti ma abbiamo l’ordine di grandezza della nostra funzione di complessità che essendo nel caso c) con a>1 risulta essere

Soluzione di c) per sostituzioni successive

Se a<p la funzione di complessità è SOTTOLINEARE.
Ciò avviene per quei problemi ove è possibile scartare (ricorsivamente ad ogni passo) alcuni dati sui quali non si dovrà mai operare. Es: se a=2 e b=3 sarà sufficiente considerare solo 2 sottoinsiemi contenenti ciascuno un terzo dei dati e non considerare mai il rimanente terzo. Ciò vuol dire ridurre i dati ad ogni chiamata

Se a=p la funzione di complessità è LINEARE.
Ed infine se a>p la funzione è SOPRALINEARE anche se non cresce in genere come un polinomio di grado elevato a causa della funzione logaritmica che appare all’esponente. Ciò avviene quando si deve operare più volte sugli stessi dati. Es: se a=3 e b=2 si avrà bisogno di tre chiamate su sottoinsiemi di n/2 dati e cioè sovrapposizione.

Algoritmi di ordinamento
Problema: Sia A un array di n elementi tra i quali é definita una relazione di ordine totale <. Si vuole permutare tali elementi in maniera tale che risulti : A[1]< A[2]<……< A[n] Dove con A[i] indichiamo il valore dell’ennesimo elemento dell’array.A.

QUICKSORT Algoritmo: si sceglie a caso un elemento detto perno A[h].
si confronta con A[h] tutti gli altri elementi di A e si costruiscono due insiemi A1 e A2 tali che: A1={x/xA e x< A[h]} A2={x/xA e x> A[h]} si trasferiscono gli elementi di A1 all’inizio dell’array, seguiti dal perno, seguiti dagli elementi di A2. Si ripete ricorsivamente quicksort.

A[1]<A[p] e A[1]> A[q]
Esempio: A[1]=30 A[2]=40 A[3]=25 A[4]=50 A[5]=15 A[6]=45 A[7]=38 A[8]=5 A[9]=10 A[10]=35. Se la distribuzione iniziale è casuale posso scegliere come perno anche A[1]. Si scorrerà l’array A dal secondo elemento con due cursori p e q: p punterà inizialmente ad A[2] e si sposterà verso destra; q punterà ad A[n] ( nell’esempio A[10]) e si sposterà verso sinistra. Il movimento dei cursori si arresta non appena: A[1]<A[p] e A[1]> A[q] A questo punto si scambiano di posto A[p] e A[q] e si riprende il moto dei cursori, iterando il procedimento finché i cursori si incontrano in posizione intermedia.

Si scambia allora di posto A[1] con l’elemento minore più a destra ottenendo così una permutazione di A in cui si trovano all’inizio gli elementi minori del perno, quindi il perno e infine tutti gli elementi maggiori del perno. I sottoinsiemi: A1={15, 10, 25, 5} A2={45,38,50,40,35} Saranno trattati ricorsivamente nello stesso modo.

Evoluzione dell’array A durante le partizioni intorno al perno

Codice per Quicksort public static void quicksort(int[] A)
{ quicksort (A,0,A.lenght-1);} public static void quicksort(int[] A, int i, int j) { if (i >=j)return; int p= perno(A,i,j); if (i <(p-1)) quicksort(A,i,p-1); if ((p+1)<j) quicksort(A,p+1,j); } public static int perno(int[] A, int i, int j) int p=i+1; int q=j;

while ((p<q) && (p<=j))
{ while ((p<=j) && (A[i]>=A[p])) p++; while (A[i]<A[q]) q--; if (p<q) int temp; temp=A[p]; A[p]=A[q]; A[q]=temp; p++; q--; } temp=A[i]; A[i]=A[q]; return q;

L’algoritmo, scritto qui con sintassi java, ha un metodo perno non ricorsivo. E’ chiamato su un array di interi A partiziona le parti comprese tra i e j attorno al perno generico A[i]. I due cursori sono p e q e partono appunto dalle posizioni i+1 e j (nell’esempio A[2] e A[10]). Il metodo perno restituisce la posizione del perno. Il metodo quicksort(A,i,j) richiama perno ricorsivamente provocando l’ordinamento dell’array tra i e j. Il metodo quicksort(A) provoca l’ordinamento dell’intero array.

Relazione di ricorrenza per il Quicksort
Complessità di perno Complessità su A1 Complessità su A2

Analizzando il metodo perno ci accorgiamo che il ciclo esterno si ferma quando p>q cioè p=q+1 cioè quando A[p] è l’elemento più a sinistra maggiore del perno e A[q] è l’elemento più a destra minore del perno. Ciò significa che tutti gli elementi (n-1 elementi se non contiamo il perno) vengono confrontati 1 volta sola con il perno tranne A[p] e A[q] che sono in genere confrontati 2 volte con li perno. Abbiamo quindi:

Caso medio per Quicksort
Dato che il valore j prodotto dal metodo perno può essere con la stessa probabilità 1/n in ciascuna posizione tra 1 e n abbiamo per il caso medio:

Tale relazione dopo una serie di calcoli che saranno svolti a lezione e che potete trovare nel libro “Algoritmi e strutture dati” di Fabrizio Luccio diventa la seguente funzione esplicita in n : L’algoritmo quindi stabilisce una relazione di ordinamento tra moltissime coppie senza confrontarle direttamente ma inferendo tale relazione da confronti fatti con altri elementi. Infatti se si eseguissero tutti i possibili confronti tra coppie di elementi si avrebbe CM(n)=n(n-1)/2 cioè quante sono le coppie distinte di n elementi,

Il comportamento medio di tale algoritmo si avvantaggia del fatto che le successive partizioni di dati sono mediamente bilanciate. Supponiamo infatti che l’elemento perno abbia il valore centrale di A. Il metodo perno mette il perno al centro e costruisce i due insiemi A1 e A2 di dimensione metà dell’insieme originale: il metodo corre perfettamente secondo partizioni bilanciate dell’insieme. Si eseguono n+1 confronti per tutte le chiamate di perno ad ogni livello di ricorrenza, ma tali livelli sono meno quando le successive partizioni dell’insieme sono perfettamente bilanciate! Ecco che nel caso ottimo il perno ha il valore centrale e C(n) é dell’ordine nlogn.

Caso pessimo Quicksort
In questo caso il perno è sull’elemento che risulta il minimo ( o il massimo) degli elementi di A. In questo caso si ha che A1 è vuoto mentre A2 contiene n-1 elementi. Abbiamo quindi:

Nel caso pessimo quindi il numero dei confronti ha un numero assai maggiore che nel caso medio, questo dipende dal completo sbilanciamento della partizione di A, che obbliga essenzialmente ad eseguire tutti i possibili confronti tra coppie di elementi. Da osservare che Quicksort opera con massima inefficienza quando l’insieme è già ordinato.

MERGESORT Non abbiamo comunque individuato un metodo di ordinamento che operi O(nlogn) confronti anche nel caso pessimo (il limite inferiore al numero di confronti generato con l’albero di decisione è O(nlogn) sia nel caso medio che nel caso pessimo); la possibilità di raggiungere questo risultato appare legato alla costruzione di un algoritmo che lavori su partizione dell’insieme bilanciate in ogni caso: il Mergesort.

Il Mergesort , chiamato anche metodo di ordinamento per fusione, si basa sull’idea di dividere l’insieme da ordinare A (o meglio l’array nel nostro codice) di n elementi in due sottoinsiemi di n/2 elementi ciascuno, ordinare poi ciascuna sequenza e fondere insieme le due unità ordinate in un’unica sequenza. In realtà nella versione ricorsiva qui presentata Mergesort si applica all’intero array e ne costruisce l’ordinamento mediante la fusione di due semi-insiemi ordinati ricorsivamente nello stesso modo. Nel Mergesort le chiamate ricorsive si susseguono l’una dentro l’altra finchè si raggiungono insiemi elementari di due elementi su cui iniziare le vere e proprie operazioni di confronto e ordinamento, con la fusione di due sottoinsiemi di un elemento ciascuno (procedura Merge non ricorsiva). Da qui si passa via via alla fusione di sottoinsiemi più grandi: le operazioni iniziano sempre su dati elementari.

Codice per Mergesort public static void mergesort(int[] A)
{ aus=new int[A.lenght] mergesort(A,0,A.lenght-1);} public static void mergesort(int[] A, int i, int j) { if (i >=j)return; int m= (i+j)/2; mergesort(A,i,m); mergesort(A,m+1,j); merge(A,i,j,m) }

public static void merge(int[] A, int i, int j,int m)
{ int p=i; int q=m+1; int k=i; while ((p<=m) && (q<=j)) { if (A[p]<A[q]) {aus[k]=A[p]; p++; } else {aus[k]=A[q]; q++; } k++; } if (p<=m) {p=m; for(int k1=j;k1>=k;k1--) {A[k1]=A[p];p--;}} for(int k1=i;k1<k;k1++) {A[k1]=aus[k]; }

Studio della complessità per il Mergesort
Numero di confronti richiesto dal Merge

Mergesort è un algoritmo ottimo anche nel caso pessimo: il motivo è ancora da ricercarsi nel fatto che la partizione operata da Mergesort è sempre bilanciata!

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