Introduzione ai linguaggi compilati orientati ad oggetti

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Introduzione ai linguaggi compilati orientati
ad oggetti

• Alessandra Doria, Napoli
• Vincenzo Innocente, CERN
• Luca Lista, Napoli

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Programmazione procedurale

• Uno dei principali problemi del software è la sua
  evoluzione e la sua manutenzione
• specialmente in grossi progetti come un
  esperimento di HEP
• Esempi con linguaggi procedurali (Fortran)
• Cosa succede quando il codice viene modificato
• Dipendenze allinterno del codice

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Un esempio semplice

• Un esempio elegante copiare una sequenza di
  caratteri dalla tastiera alla stampante

SUBROUTINE COPY LOGICAL READKB CHARACTER
C DO WHILE (READKB(C)) CALL
WRTPRN(C) ENDDO RETURN

• Questo codice dovrà prima o poi essere modificato
  (aggiornamenti, estensioni, richieste dagli
  utenti, ecc.)

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Modifiche dei requisiti

• Una modifica un po meno elegantescrivere anche
  su un file

SUBROUTINE COPY(FLAG) LOGICAL READKB
INTEGER FLAG CHARACTER C DO
WHILE (READKB(C)) IF (FLAG .EQ. 1)
CALL WRTPRN(C) ELSE
CALL WRTFL(C) ENDIF ENDDO RETURN
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Evoluzione incontrollata

• Unaltra modifica per niente eleganteleggere
  anche de un file

SUBROUTINE COPY(FLAG1, FLAG2) LOGICAL
READKB, READFL INTEGER FLAG1, FLAG2
LOGICAL CONT CHARACTER C 10
IF (FLAG1 .EQ. 1) THEN CONT
READKB(C) ELSE CONT READFL(C) ENDIF
IF (CONT) THEN IF (FLAG2 .EQ. 1) THEN
CALL WRTPRN(C) ELSE CALL
WRTFL(C) ENDIF GOTO 10 ENDIF RETURN
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Descrizione dei dati

• Esempio cinematica relativistica

Idea perché non usare una function?
COMMON /MYDATA/ P1(4), P2(4),
P3(4), P4(4) REAL P1(4), P2(4), P3(4), P4(4)
COSTHETA12 (P1(1)P2(1) P1(2)P2(2)
P1(3)P2(3))/... COSTHETA13
(P1(1)P3(1) P1(2)P3(2)
P1(3)P3(3))/... COSTHETA14 (P1(1)P4(1)
P1(2)P4(2) P1(3)P4(3))/...
FUNCTION COSTHETA(P1, P2) REAL P1(4),
P2(4) COSTHETA (P1(1)P2(1) P1(2)P2(2)
P1(3)P2(3))/... END
COMMON /MYDATA/ P1(4), P2(4),
P3(4), P4(4) REAL P1(4), P2(4),
P3(4), P4(4) COSTHETA12 COSTHETA(P1, P2)
COSTHETA13 COSTHETA(P1, P3) COSTHETA14
COSTHETA(P1, P4)
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Evoluzione del codice

• Se cambia il formato del common block?

COMMON /MYDATA/ P1(4), P2(4),
P3(4), P4(4)
COMMON /MYDATA/ P(4), E(4),
THETA(4), PHI(4)

• Bisogna cambiare la funzione (gli argomenti sono
  diversi)

FUNCTION COSTHETA1(THETA1, THETA2,
PHI1, PHI2) COSTHETA1
SIN(THETA1)SIN(THETA2) COS(PHI1-PHI2)
COS(THETA1)COS(THETA2) END
COMMON /MYDATA/ P(4), E(4),
THETA(4), PHI(4) COSTHETA12
COSTHETA1(THETA(1),THETA(2),
PHI(1), PHI(2)) COSTHETA13
COSTHETA1(THETA(1),THETA(3),
PHI(1), PHI(3)) COSTHETA14
COSTHETA1(THETA(1),THETA(4),
PHI(1), PHI(4))

• e il codice!

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Il concetto di dipendenza

• Nellesempio precedente il codice di analisi
  (alto livello) dipende dai dettagli della
  struttura dati (basso livello).

FUNCTION COSTHETA(P1, P2) REAL P1(4),
P2(4) COSTHETA (P1(1)P2(1) P1(2)P2(2)
P1(3)P2(3))/... END
COSTHETA dipende dalla struttura dei dati P1 e P2
COMMON /MYDATA/ P1(4), P2(4),
P3(4), P4(4) COSTHETA12 COSTHETA(P1,
P2) COSTHETA13 COSTHETA(P1, P3)
COSTHETA14 COSTHETA(P1, P4)
Il codice di analisi dipende dalla struttura del
common block MYDATA
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C/Object Oriented

• Riduce la dipendenza del codice di alto livello
  dalla rappresentazione dei datiPermette il
  riutilizzo del codice di alto livello
• Nasconde i dettagli di implementazione

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Dati globali
Modello dei dati esplicito
Sintassi oscura
Tipo non controllato
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Tipo controllato o convertito
Sintassi naturale
Modello dei dati nascosto
Dati incapsulati
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Classi e oggetti

• Definizione di nuovi tipi (oltre a int, float,
  double) come
• numeri complessi,
• vettori,
• matrici, . . .
• ma anche
• tracce,
• superfici,
• elementi di rivelatori,
• cluster, . . .
• Gli oggetti permettono di modellare una problema
  che rappresenti la realtà

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Concetti base dellOO

• Classi ed oggetti
• Incapsulamento
• Relazione di ereditarietà
• Polimorfismo
• Programmazione Generica (C)

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Classi e Oggetti

• Un esempio di programma orientato ad oggetti
  un videogioco

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Soldato
Cliente
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FORTRAN vs C/C

• Sintassi F77 e C a confronto

In C/ C non è necessario un particolare formato
il codice
PROGRAM TESTC esempio di programma
... END
int main() // esempio di programma ...
return 0 // fine
spazi...
Il C/ C è case sensitive
Istruzioni separate da
INTEGER I INTEGER4 J REAL
X REAL8 D
int ilong jfloat xdouble d
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FORTRAN vs C/C

• Controllo di flusso del programma

DO I 1, 10 . . . ENDDO IF (I.EQ.10
.AND. J.GT.4 .OR. X) THEN . . . ENDIF DO
WHILE(X .NE. 5) . . . ENDDO
for ( i 1 i lt 10 i ) . . . if ( i
10 j gt 4 x ) . . . while( x ! 5
) . . .
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Puntatori

• Riferimento ad una locazione di memoria

int main() int j 12 return 0
int ptr j
include ltiostream.hgt cout ltlt ptr ltlt
endl
j 24 cout ltlt ptr ltlt endl
cout ltlt ptr ltlt endl
24
0x7b03a928
12
indirizzo di memoria
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Puntatori

• Puntatore nullo

include ltiostream.hgt int main() int j 12
int ptr 0 cout ltlt ptr ltlt endl // crash
! return 0
Segmentation violation (core dumped)
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Puntatori allocazione dinamica

• Riferimento ad una locazione di memoria

include ltiostream.hgt int main() int ptr
new int ptr 12 cout ltlt ptr ltlt endl
delete ptr return 0

• Attenzione
• Non usare delete fa accumulare locazioni di
  memoria inutilizzate (memory leak)
• Utilizzare puntatori prima del new o dopo il
  delete causa il crash del programma

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Classi astratte

• Esempio classico Shape

• Tutti oggetti nella finestra hanno comportamenti
  comuni che possono essere considerati in
  astratto
• disegna, sposta, ingrandisci, etc.

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Cerchio
public Circle(Point2d center, double
radius) Circle() void moveAt(const
Point2d p) void moveBy(const Point2d p)
void scale(double s) void rotate(double phi)
void draw() const void cancel() const
class Circle

private Point2d center_ double
radius_
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Quadrato
upperCorner
centerToUpperCorner_
loweCorner
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Codice Applicativo (Client)
Costruisce un vettore di puntatori a cerchi, crea
oggetti in memoria e salva i loro puntatori nel
vettore.
Itera sul vettore e invoca draw() per ogni
elemento
Come gestire cerchi e quadrati insieme?
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Polimorfismo
Tutte le Shapes hanno la stessa
interfaccia draw, pick, move, fillColor..., ma
ogni sottotipo diverso può avere la usa
personale implementazione
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Interfaccia astratta
Interfaccia di metodi puramente virtuali
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Ereditarietà e riuso del codice
Non si possono chiamare metodi virtuali in
costruttori e distruttori (troppo presto, troppo
tardi)
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Modello UML
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Programmazione generica

• Funzioni Generiche
• templateltclass Tgt
• inline T min(const T a, const T b)
• return a lt b ? ab

lt deve essere definito per T
Usa minltfloatgt
Usa minltPgt
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Programmazione generica

• Classi Generiche

copy è una funzione generica di STL
Ritorna se stesso per permettere la
concatenazione di operatori
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La libreria standard std (STL)

• Contenitori generici
• vector, list, set, map, string
• Iteratori
• puntatori intelligenti nei contenitori generici
• Funzioni generiche
• copy, merge, find, sort, swap,
• agiscono su iteratori

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Un semplice vettore
33
Un semplice vettore
...
0
1
2
9
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Vettore di classe astratta Shape
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Concetti Classici Riveduti

• Relazioni tra oggetti
• Decomposizione funzionale in una classe
• responsabilità dei metodi
• Decomposizione funzionale tra classi
• responsabilità delle classi

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Superfici e traiettorie

• Nel tracking spesso è necessario calcolare
  intersezioni tra curve (tracce) e superfici
  (elementi di detector)

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Superfici e traiettorie

• Interfaccia delle diverse Trajectory

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Superfici e traiettorie

• Implementazione

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Superfici e traiettorie

• Interfaccia delle varie Surface

distanza (con segno) di un punto dalla superficie
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Superfici e traiettorie

• Surface è una classe astratta

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Superfici e traiettorie

• Interfaccia di Intersection

forward class declaration
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Superfici e traiettorie

• Implementazione dellalgoritmo

// controlla che test è tra s1 e s2 if(
(s1 - test) (test - s2) lt 0.0 ) if
( s1 lt s2 ) s abs( d ) else s
- abs( d ) if( s gt maxS s lt minS )
return sMax else s test
if( abs(d) lt accuracy ) return s
return sMax Point Intersectionintersect(dou
ble s1, double
s2) return trajectory_-gtposition(sInters
ect(s1, s2))
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Superfici e traiettorie

• Intersection usa solo
• I metodi position e direction di unoggetto
  Trajectory
• I metodi distance e derDist di un oggetto Surface
• E possibile aggiungere una nuova classe che
  modellizza una nuova Trajectory o una nuova
  Surface e Intersection continua a funzionare
  senza modificare una linea di codice!
• E possibile rendere anche Intersection
  astratto...

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Open/Closed principle

• Un buon codice deve essere
• aperto ad estensioni
• chiuso a modifiche
• Modificare un codice funzionante può introdurre
  bachi
• LObject Oriented, con il meccanismo delle classi
  virtuali, permette di applicare questo principio

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Disegno a oggettiModello di Hardware DAQ

• Costruiamo un modello del Hardware per un
  sistema di acquisizione
• Use Cases
• gestione delle parti (dove sono, a chi
  appartengono)
• simulazione (potenza dissipata, spazio occupato)
• controllo on-line (on/off, temperatura,
  voltaggio)
• DAQ (questi dati da dove vengono?)
• calibrazione (piedistalli, guadagni, fattori di
  conversione)

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Chi sono i giocatori?

• I componenti Hardware
• Racks, crates, moduli di vario tipo e foggia
• Utenti (persone, displays, interfacce)
• conviene avere un corrispondente nel modello
• Primi candidati a classi e oggetti

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Un primo modello
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Calcolo della potenza in un rack
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La base di un modello composto
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Codice del modello composto
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Codice del modello composto
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Le classi concrete
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Aggiungiamo un inventario
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Dove si trova un componente?

• Dato un componente vogliamo sapere la sua
  locazione globale
• La risposta è una stringa che concatena le
  locazioni locali (room, rack, crate, module)
• Chi è responsabile della conoscenza della
  locazione il componente o il composito?
• Entrambe le soluzioni hanno pro e contro
• Una soluzione flessibile è assegnare la
  locazione allassociazione di composizione

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Locazione di un componente
In C DaqComponent punterà a Location DaqComposi
te avrà un vettore di (puntatori a)
Locations Location (oltre ad un identificatore)
punterà a DaqComponent e DaqComposite Location
può essere una classe astratta e la
rappresentazione del suo identificare può così
dipendere dal tipo di composito (un intero per la
slot di un modulo in un crate, una stringa per la
posizione di un rack in una stanza)
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Stampa della locazione globale
Per ottenere una stringa che identifichi la
posizione globale, ogni componente prima invoca
la locazione del suo genitore e poi stampa la
propria locazione (delegando questultima
operazione a Location per essere indipendente
dalla rappresentazione concreta
dellidentificatore della locazione stessa)
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Conclusioni

• La programmazione C Object Oriented può
  aiutare a ridurre le dipendenze allinterno del
  codice e quindi lo sviluppo del programma ...
• ma va utilizzato in maniera adeguata,
  disegnando il codice prima di implementarlo
• è facile scrivere un codice C traslitterando un
  codice F77, ma questo non produce grandi
  miglioramenti

58
Fine