Algoritmos - DCA

EA869
Algoritmos: estruturas de dados
e linguagens de programação
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Prof. Levy Boccato
1
Introdução
Problema
Computável
Problema Não-tratável
Problema NP
Problema P
Encontro
solução em
tempo
factível?
COMPLEXIDADE
O melhor
algoritmo é
O(cn) ou maior
O(cn) ou maior,
mas não se sabe
se é a melhor
solução
ORDEM DE
COMPLEXIDADE
DO ALGORITMO
O(nc) ou menor
2
Introdução
 As questões a respeito da computabilidade e da complexidade
nos levam a refletir sobre a existência de um algoritmo para
resolver um problema e sobre o custo computacional envolvido
em sua execução.
 Tendo em mãos um algoritmo de interesse, o que é necessário
fazer para que ele esteja pronto para ser executado em um
computador?
 É preciso descrever ou expressar todos os seus passos segundo uma
linguagem.
Linguagens de programação
 Uma vez escrito nesta linguagem, o algoritmo precisa ser traduzido
para um formato inteligível à máquina incumbida de sua execução.
Processo de execução de um programa
3
Linguagem de máquina
 Na linguagem de máquina, os comandos (ou instruções) e
dados que devem ser manipulados são codificados em
cadeias binárias.
 É a linguagem mais próxima ao hardware.
 A
programação, portanto, depende de um pleno
conhecimento de como cada comando é representado e
interpretado no circuito digital.
Palavra de 16 bits
1010100010110101
0101110101010101
0101011101010101
1010101010101011
0101010101011110
Instrução
É fácil e eficiente
programar em
linguagem de
máquina?
4
Linguagem de máquina
 Vejamos um exemplo bastante simples:
cb – determina se o valor do
registrador
B
é
ou
não
complementado.
sb – seleciona entre o valor referente
ao registrador B ou o valor fixo 1.
la – habilita o carregamento de um
valor especificado na entrada
paralela do registrador A.
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Linguagem de máquina
 Exemplo:
Este humilde computador permite a
realização de algumas operações:
(1) A ← A + B
(2) A ← A + 1
(3) A ← A – B
Um “programa”, escrito em linguagem
de máquina, que compute a subtração
entre os valores em A e B, seria dado
pela sequência de comandos binários:
cb ← 1
sb ← 0
la ← 1
(complementa B)
(seleciona o complemento de B)
(armazena o resultado em A)
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Linguagem simbólica
 Como poderíamos tornar o código mais compreensível ao programador?
Linguagem simbólica (Assembly)
 Substitui o código de máquina
por símbolos mais próximos da
linguagem humana.
 Continua sendo muito próxima
do hardware.
 Trata-se de uma linguagem
dependente da arquitetura do
computador (hardware).
 O código precisa ser interpretado,
isto é, convertido ao formato
binário para ser executado pelo
computador.
MOV R1, R2
1010100010110101
0101110101010101
MOV R1, #4
CMP R1, #4
0101011101010101
1010101010101011
BEQ FIM
FIM:
ADD R1, R1, 1
0101010101011110
Quais as
vantagens e
desvantagens
desta
linguagem?
Etapa de montagem – veremos no final do curso
7
Linguagem simbólica
 Breve história da linguagem Assembly
Programas eram escritos
em linguagem de
máquina
Surgimento das
linguagens de alto nível
“Era dos microprocessadores” e
sistemas embarcados
Década
de 50
Década de
70/80
Década de
90 até hoje
Assembly surge para
facilitar a programação
Assembly passou a ser
pouco usada
Assembly “volta” na
busca de desempenho
e velocidade
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Linguagem simbólica
 O uso de Assembly tem se tornado mais frequente.
Mar-14 Mar-13 Change Programming Language Ratings Change
1
2
C
17.54%
0.39%
2
1
Java
16.41%
-1.75%
3
3
Objective-C
12.14%
1.91%
4
4
C++
6.31%
-2.80%
5
5
C#
5.57%
-1.02%
6
6
PHP
3.70%
-1.11%
7
7
(Visual) Basic
2.96%
-1.65%
8
8
Python
2.02%
-2.37%
9
11
JavaScript
1.90%
0.53%
10
16
Visual Basic .NET
1.86%
0.97%
11
17
Transact-SQL
1.48%
0.64%
12
69
F#
1.22%
1.14%
13
10
Perl
1.15%
-0.81%
14
9
Ruby
0.97%
-1.18%
15
15
Delphi/Object Pascal
0.88%
-0.01%
16
13
Lisp
0.75%
-0.19%
17
30
D
0.74%
0.40%
18
20
Assembly
0.73%
0.10%
19
14
PL/SQL
0.71%
-0.21%
20
23
MATLAB
0.69%
0.07%
9
Linguagem simbólica
Muitas aplicações
industriais são feitas em
Assembly
Mais eficiente – não
gera códigos supérfluos
Facilita a
programação
em alto nível
Acesso direto e
controle total do
hardware
Porque aprender a
linguagem
Assembly?
Programas
exigem menos
memória e são
menores
Possibilidade de
desenvolver rotinas mais
eficazes e incorporá-las a
programas de alto nível
10
Linguagem simbólica
 O que é preciso saber para programar em Assembly?
 Conhecer detalhes do hardware: organização da memória,
registradores, periféricos, arquitetura etc.
 Trabalhar fluentemente com representação binária:
 Números negativos.
 Condições de overflow.
 Ponto flutuante.
 Aprender o conjunto de instruções do processador.
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Linguagens de alto nível
 E como poderíamos pensar em uma linguagem executável em qualquer
máquina e mais próxima da linguagem humana?
Linguagens de alto nível
 Possuem uma semântica
mais amigável ao usuário.
 Distante do código de
máquina e muito próximo da
linguagem humana.
 Exemplos: C, C++, C#, Java,
Ruby, Python, Lisp, Prolog
etc.
 Podem
ser
do
tipo
procedimental
(descreve
passo a passo) ou declarativa
(descreve fatos e regras e
busca uma solução lógica).
public classMOV
ExemploDeFor
R1, R2 {
public static void main(String[] args) {
MOV R1, #4
for (int i = 0; i < 4; i++){
CMP
R1, #4
System.out.println("Indice
" + i);
} BEQ FIM
}
FIM: ADD R1, R1, 1
}
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Linguagens de alto nível
 Existem também linguagens especiais voltadas à aplicação e para outros
propósitos.
Linguagens voltadas à aplicação
Alguns exemplos:
• Aplicações matemáticas: Matlab
• Voltadas a inteligência artificial: Prolog, Lisp
• Linguagens esotéricas:
LOLcode
HAI
CAN HAS STDIO?
VISIBLE "OLÁ MUNDO!"
KTHXBYE
Piet
Brainfuck
++++++++++[>++++++++>+++++++++++
>---------->+++>++++++++>+++++++
+++++>+++++++++++>++++++++++>+++
++++++++>+++<<<<<<<<<<-]>-.>--.>
++++.>++.>---.>---.>.>.>+.>+++.,
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Processo de execução
 Uma vez escolhida uma linguagem de programação e
escrito o código, como ele é executado?
Problema
Programa de
alto nível
resolução
tradução
compilador
montador
Algoritmo
NÍVEL
CONCEITUAL
Programa em
linguagem de
máquina
HIERARQUIA
DE
LINGUAGENS
decodificação
Execução
HARDWARE
(circuitos e sinais físicos)
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Linguagens de Programação
 Ponto importante: um algoritmo pode ser expresso em
qualquer linguagem de programação. Em última análise,
elas servem apenas como um mediador entre o
programador e a máquina.
 As linguagens de baixo nível (máquina e simbólica) não
oferecem muitos recursos para o programador. Porém, o
controle sobre sinais e aspectos de hardware é bem mais
efetivo.
 O que muda, portanto, de uma linguagem para outra é a
dificuldade e a inteligibilidade do código escrito.
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Estruturas de dados
 A preparação de um algoritmo também envolve a escolha de uma
forma vantajosa de organizar os dados que serão acessados e
processados.
 Dependendo da aplicação, pode haver um tipo de organização
que capture ou expresse de maneira natural uma característica
dos dados associados ao problema.
 Veremos quatro tipos básicos:
 Vetor
 Fila
 Pilha
 Árvore
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Estruturas de dados
 Suponha que certo algoritmo precise acessar a nota de um aluno
dado o seu RA. Como os dados devem ser organizados?
 Solução: uma lista cujo índice seja o RA e o conteúdo as notas
 Dessa forma, é possível acessar, incluir e modificar a nota de um
aluno dado o seu RA de maneira direta.
 Vetor: sequência de tamanho fixo cujo acesso é realizado através
do índice que identifica a posição do elemento a ser lido ou
escrito.
 Com isto, temos acesso aleatório (“direto”) e o tempo de acesso a
qualquer elemento é idêntico.
Leitura – vetor(i)
Escrita – vetor(i)
• i é fornecido
• i é fornecido
• elemento ← vetor(i)
• vetor(i) ← elemento
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Estruturas de dados
 Considere um algoritmo que deve gerenciar o atendimento
telefônico de um call center. Como os dados devem ser
organizados?
c0
c1
REGISTRO DE DADOS
c2
c3
c4
c5
c6
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Estruturas de dados
 Fila: o acesso aos elementos da fila é realizado através das
posições “entrada” e “saída” – as demais posições não são
visíveis.
 Estrutura do tipo FIFO (first in, first out).
 Acesso: através de dois apontadores.
 Manipulação: apenas a entrada e a saída são visíveis.
Leitura – posição “saída”
Escrita – posição “entrada”
• elemento ← f(j)
• f(i) ← elemento
• atualiza índice de saída j
• atualiza índice de entrada i
 Fila cheia: índice de entrada i > índice máximo da fila.
 Fila vazia: índice de entrada i = índice de saída j.
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Estruturas de dados
 Considere um algoritmo que armazena as páginas que você acessa
na Internet de tal modo que seja possível retornar à primeira
página acessada refazendo o mesmo caminho. Como os dados
devem ser organizados?
(2)
(1)
Devo retornar à página mais
recentemente visitada.
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Estruturas de dados
 Pilha: o acesso aos elementos da pilha é realizado através da
mesma posição (entrada = saída) – as demais posições não são
visíveis.
 Estrutura do tipo LIFO (last in, first out).
 Acesso: através de um único apontador.
Leitura
Escrita
• atualiza o índice i
• p(i) ← elemento
•elemento ← p(i)
• atualiza o índice i
 Pilha cheia: i > índice da última posição da pilha.
 Pilha vazia: i = índice da primeira posição da pilha.
 i sempre aponta para a próxima posição livre da pilha.
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Estruturas de dados
 Árvore:
 Estrutura: cada célula contém um dado e apontador para a(s)
próxima(s) célula(s). As células não precisam ser homogêneas.
célula:
dados
apontador
 Manipulação: flexível, com início pela raiz.
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Estruturas de dados
 Árvore:
 O acesso aos elementos da árvore é realizado através de um percurso
a partir de sua raiz, seguindo o(s) apontador(es) das células. Todas as
posições da estrutura são acessíveis.
Leitura – célula j
Escrita –célula j
• navegar na estrutura até
célula j
• navegar na estrutura até
célula j
• elemento ← dados da célula
• dados da célula ← elemento
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Créditos
 Este material está baseado nas notas de aula elaboradas pelo
Prof. Léo Pini e pelo aluno de doutorado Tiago Novaes.
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