Nomes, Vinculações, Verificação de Tipos e Escopos

George Darmiton da Cunha Cavalcanti

(gdcc@cin.ufpe.br)

Tópicos

• Introdução

• Nomes

• Variáveis

• O conceito de vinculação (binding)

• Verificação de tipos

• Tipificação forte

• Compatibilidade de tipos

• Escopo e tempo de vida

• Ambientes de referenciamento

• Inicialização de variáveis

Introdução

• Linguagens Imperativas são abstrações da

arquitetura do computador de von Neumann

– Memória

– Processador

• Variáveis são caracterizadas por atributos

– Tipo

– Projetos de tipo

• escopo, tempo de vida, checagem de tipo, inicialização e compatibilidade de tipos

Nomes

• Questões de projeto para nomes:

– Tamanho máximo?

– Caracteres de conexão são permitidos?

– Os nomes fazem distinção entre maiúsculas

e minúsculas?

– As palavras especiais são palavras

reservadas ou palavras-chave?

Nomes

• Tamanho

– Se muito pequeno, não são conotativos

– Exemplos de linguagens:

• FORTRAN I: máximo de 6

• COBOL: máximo de 30

• FORTRAN 90 e ANSI C: máximo de 31

• Ada e Java: sem limite

• C++: sem limite, mas implementadores

geralmente impõem limites

Nomes

• Caracteres de conexão

– Pascal, Modula-2 e FORTRAN 77 não

permitem

– Outras linguagens permitem

Nomes

• Distinção entre maiúsculas e minúsculas– Desvantagem:

• Legibilidade (nomes semelhantes são diferentes)

• Pior em C++ e em Java, pois nomes possuem maiúsculas e minúsculas

– exemplo: IndexOutOfBoundsException

– Nomes em C, em C++ e em Java fazem distinção entre maiúsculo e minúsculo

• Os nomes em outras linguagens não fazem

Nomes

• Palavras especiais

– Usadas para tornar os programas mais legíveis ao dar nome a ações que devem ser executadas

– Usadas para delimitar ou separar as entidades sintáticas

• Uma palavra-chave é uma palavra que é especial em certos contextos, por exemplo em Fortran

– Real VarName (Real é um tipo de dado seguido por um nome,

assim Real é uma palavra-chave)

– Real = 3.4 (Real é uma variável)

– Uma palavra reservada é uma palavra especial que

não pode ser usada como nome

Variáveis

• Uma variável é uma abstração de um célula

de memória

• Variáveis podem ser caracterizadas por uma

sêxtupla de atributos:

– Nome

– Endereço

– Valor

– Tipo

– Tempo de vida

– Escopo

Atributos das variáveis

• Nome – nem todas as variáveis possuem nome

• Endereço – o endereço de memória com o qual ela é associada– Uma variável pode ter diferentes endereços em diferentes

tempos no programa

– Uma variável pode ter diferentes endereços em diferentes lugares no programa

– Se dois nomes são usados para acessar a mesma posição de memória, eles são chamados de apelidos (aliases)

– Apelidos (aliases) são criados através de ponteiros, de variáveis de referência e de uniões em C e em C++

– Apelidos são um problema para a legibilidade

Atributos das variáveis

• Tipo

– determina a faixa de valores das variáveis e o conjunto de operações definidas para os valores do tipo

– no caso de ponto flutuante, o tipo também determina a precisão

• Valor

– o conteúdo da célula de memória associada à variável

• Abstração da célula de memória

– A célula física ou o conjunto de células associadas a variável

O Conceito de Vinculação

• O valor-l de uma variável é seu endereço

• O valor-r de uma variável é seu valor

• Uma vinculação (binding) é uma associação, como, por exemplo, um atributo e uma entidade ou entre uma operação e um símbolo

• O momento em que uma vinculação se desenvolve é chamado de tempo de vinculação

Possíveis tempos de vinculações

• Tempo de projeto da linguagem– Vinculação de símbolos de operação a operação, ex. *

• Tempo de implementação da linguagem– Vinculação de um tipo (float) a um conjunto de valores

possíveis

• Tempo de compilação– Vinculação de uma variável a um tipo de dado em particular

• Tempo de carregamento– Vinculação de uma variável à célula de memória

• Tempo de execução– Vinculação de uma variável local não-estática a uma célula

de memória

Vinculação Estática e Dinâmica

• Uma vinculação é estática se ocorrer antes do tempo de execução e permanecer inalterada ao longo da execução de um programa.

• Uma vinculação é dinâmica se ocorrer durante a execução ou puder ser modificada no decorrer da execução de um programa

Vinculação de tipos

• Como o tipo é especificado?

• Quando a vinculação acontece?

• Tipos podem ser especificados estaticamente por meio de alguma forma de declaração explícita ou implícita

Declaração de variáveis:

explícita e implícita

• Uma declaração explícita é uma instrução em um programa que lista nomes de variáveis e especifica que elas são de um tipo particular

• Uma declaração implícita é um meio de associar variáveis a tipos por convenções em vez de instruções

• FORTRAN, PL/I, BASIC e Perl dispõem de declarações implícitas– Vantagem: capacidade de escrita

– Desvantagem: legibilidade

Vinculação dinâmica de tipos

• Vinculação dinâmica de tipos (JavaScript e PHP)

• A variável é vinculada ao tipo quando lhe é atribuído algum valor, por exemplo JavaScript– list = [2, 4.33, 6, 8];

– list = 17.3;

• Vantagem: – Flexibilidade

• Desvantagens: – Alto custo

– Difícil detecção de erros

Inferência de tipos

• Inferência de tipos (ML, Miranda e Haskell)– Ao invés de uma instrução de atribuição, tipos são

determinados pelo contexto

• Em ML, – fun circumf(r) = 3.14159 * r * r;

– fun vezes10(x) = 10*x;

– ML rejeita a função– fun quadrado(x) = x * x;

– Opções– fun quadrado(x:int) = x * x;

– fun quadrado(x) = (x:int) * x;

– fun quadrado(x) = x * (x:int);

Vinculação de Armazenamento e

Tempo de Vida

• Alocação– Marcar\tomar uma célula de memória de um

conjunto de memória disponível

• Desalocação– Devolver a célula ao conjunto de memória

disponível

• O tempo de vida de uma variável se inicia quando ela é vinculada a uma célula específica e encerra-se quando ela é desvinculada

Categorias de variáveis baseado no

tempo de vida

• Variáveis Estáticas

• Variáveis Dinâmicas na Pilha

• Variáveis Dinâmicas no Monte Explícitas

• Variáveis Dinâmicas no Monte Implícitas

Variáveis Estáticas

• Vinculadas a células de memória antes que a execução do programa se inicie. Exemplo: – todas as variáveis do FORTRAN 77 e as variáveis

static do C

• Vantagens: – eficiência (endereçamento direto)

– suporta subprogramas sensíveis à história

• Desvantagem: – pouca flexibilidade (não permitem recursão)

Variáveis Dinâmicas na Pilha

• São aquelas cujas vinculações de armazenamento criam-se a partir da elaboração de suas instruções de declaração, mas cujostipos são estaticamente vinculados (Elaboração: processo de alocação e de vinculação de armazenamento)

• Ocorre em tempo de execução

• Exemplo

– Variáveis locais em subprogramas C e métodos em Java

• Vantagem:

– permite recursão;

– compartilhamento de espaço de memória

• Desvantagens:

– Sobretaxa de alocação e de desalocação em tempo de execução

– Subprogramas não podem ser sensíveis à história

Variáveis Dinâmicas no Monte

Explícitas

• As variáveis dinâmicas no monte explícitas são células de memória sem nome (abstratas) alocadas e desalocadas por instruções explícitas em tempo de execução, especificadas pelo programador.

• Essas variáveis alocadas no monte e desalocadaspara o monte só podem ser referenciadas por meio de variáveis de ponteiro ou de referência.

• O monte é um conjunto de células de armazenamento altamente desorganizado, devido à imprevisibilidade de seu uso.

Variáveis Dinâmicas no Monte Explícitas

• Exemplo:

– Objetos dinâmicos em C++ (via new e delete)

– Todos os objetos em Java

• Vantagem:

– Convenientes para estruturas dinâmicas: listas encadeadas e árvores

• Desvantagens:

– Dificuldade de usar ponteiros e referência corretamente

– Custo das referências para as alocações e para as desalocações

Variáveis Dinâmicas no Monte Implícitas

• Alocação e desalocação causadas por instruções de atribuição

– Todas as variáveis em APL

– Todas as strings e vetores em Perl e em JavaScript

• Vantagem

– Flexibilidade

• Desvantagens

– Ineficiente, pois todos os atributos são dinâmicos

– Perda de grande parte da capacidade de detectar erros

Verificação de Tipos

• Verificação de tipos é a atividade de assegurar que os operandos de um operador sejam de tipos compatíveis.

• Um tipo compatível é aquele válido para o operador ou com permissão, nas regras da linguagem, para ser convertido pelo compilador para um tipo válido– Essa conversão automática é chamada de coerção

• Um erro de tipo é a aplicação de um operador a um operando de tipo impróprio

Tipificação Forte

• Uma linguagem de programação é fortemente tipificada se erros de tipos são sempre detectados

• Vantagens – Permite a detecção de todos os usos equivocados de variáveis

que resultem em erros de tipo

• Exemplos de linguagens– Pascal não é: variant records (registros variante)

– C e C++ não são: permitem funções cujos parâmetros não são verificados quanto ao tipo

– Ada é quase fortemente tipificada (Java é similar)

Tipificação Forte

• Regras de Coerção

– Podem enfraquecer a tipificação forte

– (C++ versus Ada)

– Ada possui poucas regras de coerção

• Embora Java possua metade das regras de

coerção do C++, logo sua detecção de erros é

melhor do que a do C++, sua tipificação forte

é bastante inferior a da Ada

Compatibilidade de Tipos

• Existem dois métodos diferentes de compatibilidade de tipos

– Compatibilidade de Nome

– Compatibilidade de Estrutura

Compatibilidade de Tipo de Nome

• Significa que duas variáveis possuem tipos compatíveis se elas estiverem na mesma declaração ou em declaração que usam o mesmo nome de tipo

• A compatibilidade de tipo de nome é fácil de implementar mais muito restritiva– Uma variável subfaixa dos números dos inteiros não seria

compatível com uma variável do tipo inteiro

type indextype = 1..100; {um tipo subfaixa}

var

cont: integer;

indice: indextype

As variáveis cont e indice não são compatíveis.

cont não seria atribuída a indice e vice-versa.

Compatibilidade de Tipo de

Estrutura

• Significa que duas variáveis têm tipos compatíveis se os seus tipos tiverem estruturas idênticas

• Mais flexível, porém mais difícil de implementar

Compatibilidade de Tipos

• Considere os problemas de tipo entre duas estruturas:

– Dois registros são compatíveis no tipo se eles possuem a mesma estrutura mas usam diferentes nomes para os campos?

– Dois vetores são compatíveis se eles são os mesmos exceto pela faixa de indexação?

• Exemplo: [1..10] e [0..9]

– Usando compatibilidade de tipo de estrutura não é possível diferenciar entre tipos que tenham a mesma estrutura

• Exemplo:

– Diferentes unidade de velocidade, ambas ponto flutuante

– Celsius e Fahrenheit, ambos ponto flutuante

Escopo

• O escopo de uma variável é a faixa de instruções na qual a variável é visível

– Uma variável é visível em uma instrução se

puder ser referenciada nessa instrução

• As variáveis não-locais de uma unidade ou de um bloco de programa são as visíveis dentro deste, mas não são declaradas lá

Escopo Estático

• Método para vincular nomes a variáveis não-locais

• Para conectar uma referência a uma variável, o compilador precisa encontrar a declaração

• Processo de busca:– Caso a declaração não for encontrada localmente, passa-se a

buscar em escopos mais amplos

• O pai-estático (static parent) é o subprograma no qual encontra-se a declaração

• Os ancestrais estáticos são todos os subprogramas até se chegar a declaração

Escopo Estático

procedure big;

var x: integer;

procedure sub1;

begin { sub1 }

...x...

end; { sub1 }

procedure sub2;

var x: integer;

begin { sub2 }

...

end;

begin { big }

...

end; { big }

A variável x em sub1 é declarada

no procedimento big

Escopo Estático

• Variáveis podem ser escondidas de uma unidade quando a mesma possui uma variável com o mesmo nome

• C++ e Ada permitem acesso a essas variáveis escondidas– Em Ada: unit.name

– Em C++: class_name::name

program main;

var x: integer;

procedure sub1;

var x: integer;

begin { sub1 }

...x...

end; { sub1 }

begin { main }

...

end; { main }

Blocos

• Um método para criar novos escopos estáticos no meio do código executável – introduzido no ALGOL 60

• Permite que uma seção de código tenha suas próprias variáveis locais cujo escopo é minimizado

• Essas variáveis são tipicamente dinâmicas na pilha– Alocada quando a seção é iniciada e desalocada quando ela é

finalizada

• Exemplo em Ada

...

declare TEMP: integer;

begin

TEMP := First

First := Second

Second := TEMP

end

...

Avaliação do Escopo Estático

Assuma que MAIN chama A e B

A chama C e D

B chama A e E

Avaliação do Escopo Estático

Um grafo com chamadas potenciais

a procedimento, no sistema.

Um grafo com as chamadas

desejáveis do programa exemplo.

Avaliação do Escopo Estático

• Suponha que a especificação é alterada e E deve acessar algum variável em D

• Soluções:– Colocar E em D (porém, E não poderá acessar o

escopo de B)

– Mover as variáveis de D, que são necessárias em E, para MAIN (isso permite o acesso por todos os os procedimentos

• De maneira geral: escopo estático encoraja o uso de variáveis globais

Escopo Dinâmico

• Baseia-se na seqüência de chamada de subprogramas, não em suas relações espaciais (temporal versusespacial)

• Desta forma o escopo pode ser determinado apenas em tempo de execução

• Quando a procura por declarações locais falha, as declarações do pai-dinâmico (procedimento de chamada) são pesquisadas, e assim sucessivamente

• Caso nenhuma declaração for encontrada em qualquer ancestral dinâmico, haverá um erro em tempo de execução

Escopo dinâmico: exemplo

BIG chama BIG chama BIG chama BIG chama SUB2SUB2SUB2SUB2

SUB2SUB2SUB2SUB2 chama chama chama chama SUB1SUB1SUB1SUB1

SUB1SUB1SUB1SUB1 usa xusa xusa xusa x

procedure big;

var x: integer;

procedure sub1;

begin { sub1 }

...x...

end; { sub1 }

procedure sub2;

var x: integer;

begin { sub2 }

...

end;

begin { big }

...

end; { big }

Nesse caso, SUB1 usa o xdeclarado em SUB2

Avaliação do Escopo Dinâmico

• Vantagem

– Conveniência

• Desvantagem

– Pouca legibilidade

• Linguagens que usam escopo dinâmico

– APL, SNOBOL4 e nas primeiras versões do LISP

– Perl também permite que as variáveis sejam

declaradas com escopo dinâmico

Escopo e Tempo de Vida

Escopo e Tempo de Vida, algumas vezes, parecem estar relacionados, mas são conceitos diferentes

void printheader(){

...

} /* fim de printheader */

void compute() {

int sum;

...

printheader();

} /* fim de compute */

O escopo da variável sum é completamente contido pela função compute

Porém, o tempo de vida de sum estende-se ao longo do tempo durante o qual printheader é executado

Ambientes de Referenciamento

• O ambiente de referenciamento de uma instrução é o conjunto de todos os nome visíveis na instrução

• Em uma linguagem com escopo– O ambiente de referenciamento é formado pelas variáveis

locais mais todas as variáveis de seus escopos ancestrais visíveis

• Um subprograma é ativo se sua execução tiver começado, mas ainda não tiver terminado

• Em um linguagem com escopo dinâmico– O ambiente de referenciamento é formado pelas variáveis

locais, mais as variáveis de todos os subprogramas ativos

Constantes Nomeadas

• Uma constante nomeada é uma variável vinculada a um valor somente no momento em que ela é vinculada a um armazenamento– Seu valor não pode ser mudado por uma instrução

de atribuição

• Exemplo– uso da constante pi ao invés do valor 3,14159

• Vantagem– Legibilidade

– Confiabilidade

Inicialização de Variáveis

• Inicializações são geralmente feitas através de instruções de declaração– Exemplo: em Java

– int sum = 0;

• Nem Pascal, nem Modula-2 oferecem uma maneira de inicializar variáveis, exceto durante a execução através de instruções de atribuição

Resumo

• Nomes– Tamanho; caracteres de conexão; distinção entre maiúsculas

e minúsculas; palavras especiais

• Variáveis– nome, endereço, valor, tipo, tempo de vida, escopo

• Vinculação é a associação de atributos a entidades do programa

• Variáveis escalares são categorizadas como– static– stack dynamic– explicit heap dynamic– implicit heap dynamic

• Tipificação forte é conceito de exigir que todos os erros de tipo sejam detectado