2.1 Computador

As informações fluem no computador codificadas como registros de bits²²endnote: ²Usualmente, de tamanho $64$-bits. (sequência de zeros ou uns). Há registros de instrução e de dados. Programar diretamente por registros é uma tarefa muito difícil, o que levou ao surgimento de linguagens de programação. Uma linguagem de programação³³endnote: ³Código de programação, código de máquina ou linguagem de máquina. é um método padronizado para escrever instruções para execução de tarefas no computador. As instruções escritas em uma linguagem são interpretadas e/ou compiladas por um software (interpretador ou compilador) da linguagem que decodifica as instruções em registros de instruções e dados, os quais são efetivamente executados na máquina.

Existem várias linguagens de programação disponíveis e elas são classificadas por diferentes características. Uma linguagem de baixo nível (por exemplo, Assembly) é aquela que se restringe às instruções executadas diretamente pelo processador, enquanto que uma linguagem de alto nível contém instruções mais complexas e abstratas. Estas contém sintaxe mais próxima da linguagem humana natural e permitem a manipulação de objetos mais abstratos. Exemplos de linguagens de alto nível são: Basic, Java, Javascript, MATLAB, PHP, R, C/C++, Python, etc.

Em geral, não existe uma melhor linguagem, cada uma tem suas características que podem ser mais ou menos adequadas conforme o programa que se deseja desenvolver. Por exemplo, para um site de internet, linguagens como Javascript e PHP são bastante úteis, mas não no desenvolvimento de modelagem matemática e computacional. Nestes casos, C/C++ é uma linguagem mais apropriada por conter várias estruturas de programação que facilitam a modelagem computacional de problemas científicos. Agora, R é uma linguagem de alto nível com diversos recursos dedicados às áreas de ciências de dados e estatística. Usualmente, utiliza-se mais de uma linguagem no desenvolvimento de programas mais avançados. A ideia é de explorar o melhor de cada linguagem na criação de programas eficientes na resolução dos problemas de interesse.

Nestas notas de aula, Python é a linguagem escolhida para estudarmos algoritmos e programação. Trata-se de uma linguagem de alto nível, interpretada, dinâmica e mutiparadigma. Foi lançada por Guido van Rossum⁴⁴endnote: ⁴Guido van Rossum, 1956-, matemático e programador de computadores holandês. Fonte: Wikipédia: Guido van Rossum. em 1991 e, atualmente, é desenvolvida de forma comunitária, aberta e gerenciada pela ONG Python Software Foundation. A linguagem foi projetada para priorizar a legibilidade do código. Parte da filosofia da linguagem é descrita pelo poema The Zen of Python. Pode-se lê-lo pelo easter egg Python:

• •

  Linguagem interpretada

  Python é uma linguagem interpretada. Isso significa que o código-fonte escrito em linguagem Python é interpretado por um programa (interpretador Python). Ao executar-se um código, o interpretador lê uma linha do código, decodifica-a como registros para o processador que os executa. Executada uma linha, o interpretador segue para a próxima até o código ter sido completadamente executado.

• •

  Linguagem compilada

  Em uma linguagem compilada, como C/C++, há um programa chamado de compilador (em inglês, compiler) e outro de ligador (em inglês, linker). O primeiro, cria um programa-objeto a partir do código e o segundo gerencia sua ligação com eventuais bibliotecas computacionais que ele possa depender. O programa-objeto (também chamado de executável) pode então ser executado pela máquina.

Em geral, a execução de um programa compilado é mais rápida que a de um código interpretado. De forma simples, isso se deve ao fato de que nesse a interpretação é feita toda de uma vez e não precisa ser refeita na execução de cada linha de código, como no segundo caso. Por outro lado, a compilação de códigos-fonte grandes pode ser bastante demorada fazendo mais sentido quando ele é compilado uma vez e o programa-objeto executado várias vezes. Além disso, linguagens interpretadas podem usar bibliotecas de programas pré-compiladas. Com isso, pode-se alcançar um bom balanceamento entre tempo de desenvolvimento e de execução do código.

O interpretador Python também pode ser usado para compilar o código para um arquivo bytecode, este é executado muito mais rápido do que o código-fonte em si, pois as interpretações necessárias já foram feitas. Mais adiante, vamos estudar isso de forma mais detalhada.

• •

  Linguagem de tipagem dinâmica

  Python é uma linguagem de tipagem dinâmica. Nela, os dados não precisam ser explicitamente tipificados no código-fonte e o interpretador os tipifica com base em regras da própria linguagem. Ao executar operações com os dados, o interpretador pode alterar seus tipos de forma dinâmica.

• •

  Linguagem de tipagem estática

  C/C++ é um exemplo de uma linguagem de tipagem estática. Em tais linguagens, os dados devem ser explicitamente tipificados no código-fonte com base nos tipos disponíveis. A retipificação pode ocorrer, mas precisa estar explicitamente definida no código.

Existem vários paradigmas de programação e a linguagem Python é multiparadigma, i.e. permite a utilização de mais de um no código-fonte. Exemplos de paradigmas de programação são: estruturada, orientada a objetos, orientada a eventos, etc.. Na maior parte destas notas de aulas, vamos estudar algoritmos para linguagens de programação estruturada. Mais ao final, vamos introduzir aspectos de linguagens orientada a objetos. Estes são paradigmas de programação fundamentais e suas estruturas são importantes na programação com demais paradigmas disponíveis em programação de computadores.

Python é um software aberto⁵⁵endnote: ⁵Consulte a licença de uso em https://docs.python.org/3/license.html. e está disponível para vários sistemas operacionais (Linux, macOS, Windows, etc.) no seu site oficial

https://www.python.org/

Também, está disponível (gratuitamente) na loja de aplicativos dos sistemas operacionais mais usados. Esta costuma ser a forma mais fácil de instalá-lo na sua máquina, consulte a loja de seus sistema operacional. Ainda, há plataformas e IDEs⁶⁶endnote: ⁶IDE, do inglês, integrated development environment, ambiente de desenvolvimento integrado Python disponíveis, consulte, como por exemplo, Anaconda.

A execução de um código Python pode ser feita de várias formas.

• •

  Execução iterativa via terminal

  Em terminal Python pode-se executar instruções/comandos de forma iterativa. Por exemplo:

  ⬇

  1>>> print('Olá, mundo!')

  2Olá, mundo!

  3>>>

  O símbolo >>> denota o prompt de entrada, onde uma instrução Python pode ser digitada. Após digitar, o comando é executada teclando <ENTER>. Caso o comando tenha alguma saída de dados, como no caso acima, esta aparecerá, por padrão, no prompt de saída, logo abaixo a linha de comando executada. Um novo símbolo de prompt de entrada aparece ao término da execução anterior.

• •

  Execução de um script

  Para códigos com várias linhas de instruções é mais adequado utilizar um aquivo de script Python. Usando-se um editor de texto ou um IDE ditam-se as linhas de comando em um arquivo .py. Então, script pode ser executado em um terminal de seu sistema operacional utilizando-se o interpretador Python. Por exemplo, assumindo que o código for salvo do arquivo path_to_arq/arq.py, pode-se executá-lo em um terminal do sistema com

  ⬇

  1$ python3 path_to_arq/arq.py

  IDEs para Python fornecem uma ambiente integrado, contendo um campo para escrita do código e terminal Python integrado. Consulte, por exemplo, o IDE Spyder:

  https://www.spyder-ide.org/

• •

  Execução em um notebook

  Notebooks Python são uma boa alternativa para a execução de códigos em um ambiente colaborativo/educativo. Por exemplo, Jupyter é um notebook que roda em navegadores de internet. Sua estrutura e soluções também são encontradas em notebooks online (de uso gratuito limitado) como Google Colab e Kaggle.