1.5. Programas, linguagens e mais pensamentos¶
Dizemos que os programas que ficam na memória de um computador para serem executados (portanto em formato binário) estão em código ou linguagem de máquina, por serem as linguagens “compreendidas” pelas máquinas. Muito cedo na história dos computadores eletrônicos se descobriu que é muito difícil programar usando linguagem de máquina e assim foram surgindo várias linguagens de programação, cada uma com propostas diferentes para tratar certos problemas computacionais.
De uma forma genérica porém, o desenvolvimento das linguagens de programação buscou se aproximar de alguma linguagem natural que usamos para nos comunicar, como o inglês e o português. Essas linguagens, chamadas de linguagens de alto nível por serem mais fáceis de usar por humanos, vem se tornando mais poderosas ao apresentar conjuntos de instruções mais extensos e recursos mais apropriados a aplicações modernas como computação gráfica, jogos eletrônicos e inteligência artificial. De forma similar, quanto mais próximas às linguagens de máquina, mais de baixo nível elas se tornam.
Observe que cada máquina (ou microprocessador) possui um conjunto diferente de instruções que definem a sua própria “linguagem”. Para que um programa escrito em uma linguagem de alto nível possa ser executado pela máquina (que só é capaz de executar código da máquina) o programa precisa ser traduzido por um programa chamado de compilador. Vamos chamar de código fonte o programa escrito pelos programadores e que fica armazenado em um arquivo fonte. Assim, um compilador recebe um arquivo fonte e gera um arquivo executável em linguagem de máquina. Programas escritos em linguagens compiladas tendem a ser bastante eficientes pois, após traduzidos, são executados em código nativo da máquina.
A figura 1.2 ilustra o processo de desenvolvimento de software usando linguagens de alto nível compiladas. O topo da figura mostra algumas habilidades que você vai desenvolver nesse curso. O design envolve o processo de criação e refinamento da solução, que requer um conhecimento profundo do problema. A codificação concretiza a solução na forma de um programa escrito na linguagem de alto nível. O programador usa um software de edição de textos para escrever e salvar o arquivo fonte. Esse arquivo é transformado em um arquivo executável usando o compilador. Finalmente, para testar se a solução resolve o problema, é comum usar um terminal de entrada e saída de texto (que pode ser chamado também de console ou shell).
O terminal é usado para “interagir” com programas que não possuem interfaces gráficas que, infelizmente, é o caso dos programas que vamos escrever nesse curso. Nós vamos interagir com esses programas por meio de mensagens de texto, ou seja, nossos programas vão receber mensagens de texto que os usuários digitam usando o teclado (sempre digitando “Enter” ou “Return” para terminar a mensagem), e os programas podem também imprimir mensagens no terminal. As mensagens recebidas pelo terminal são basicamente comandos que ele tenta executar. Assim, para executar o programa após ser compilado, o programador deve digitar o nome do arquivo no terminal. O terminal carrega e passa a executar o programa.
Figura 1.2: Processo de desenvolvimento de software usando linguagens compiladas.¶
No entanto, a compilação de programas grandes e complexos pode ser um processo demorado. Uma alternativa é criar uma máquina virtual capaz de “entender” as instruções da linguagem de alto nível. Essa máquina virtual funciona como um tradutor instantâneo, um outro programa sendo executado pela máquina hospedeira. Diz-se que essas linguagens são interpretadas pois cada instrução é traduzida e executada pela máquina hospedeira. O Python é uma linguagem interpretada mas que apresenta um bom desempenho pois seu código é traduzido para a máquina virtual Python. É claro que essa tradução não deixa de ser uma compilação. No entanto, como a máquina virtual não roda código nativo, há sempre uma perda de desempenho se compararmos às linguagens compiladas para código nativo. Uma vantagem no caso do Python é que, por não serem compiladas (para código nativo ao menos), o desenvolvimento de programas se torna mais ágil devido a rapidez e facilidade para executar testes.
A figura 1.3 ilustra a desenvolvimento de software usando linguagens interpretadas. Observe que não há mais um arquivo executável. As linguagens interpretadas modernas (como o Python) em geral usam um compilador “instantâneo” ou JIT (“Just in Time”), que transformam o código fonte em código “executável pela maquina virtual” a medida que o código vai sendo executado. Uma outra vantagem das linguagens interpretadas é que elas podem ficar “integradas” ao terminal e por isso o terminal foi aparece mais próximo ao programador. No caso do Python, vamos usar o iPython para interagir e trocar mensagens diretamente com o Python, como se não houvesse um tradutor, o que agiliza o processo de testes.
Figura 1.3: Processo de desenvolvimento de software usando linguagens interpretadas.¶
Arquivos em Python
No caso do Python, vamos usar a extensão ‘.py’ para indicar os arquivos fonte em Python. Da primeira vez que esses arquivos são executados, o Python cria arquivos correspondentes com a extensão ‘.pyc’. Das próximas vezes que o programa for executado, o Python usa os arquivos ‘.pyc’. Mas, diferente de linguagens compiladas, mesmo que você deletar os arquivos ‘.pyc’, os seus programas vão continuar sendo executados.
A portabilidade de uma linguagem se reflete no número de compiladores ou interpretadores disponíveis, ou seja, quanto maior a portabilidade, maior será o número de máquinas onde um programa escrito na linguagem pode ser executado. O Python por exemplo é uma linguagem facilmente portável pois há máquinas virtuais para todos os principais sistemas operacionais modernos como Linux, Mac OS, Windows, Android, iOS etc.
Os programas muito simples em Python, como os primeiros programas que você vai escrever nesse curso, são chamados de scripts. Em geral, para desenvolver scripts, não precisamos de ferramentas muito poderosas. No entanto, o Python é uma linguagem poderosa que permite o desenvolvimento de softwares bem complexos. Para projetos maiores, usamos ferramentas mais poderosas chamadas de IDE (Integrated Development Environment) ou ambiente integrado de desenvolvimento de programas. Esses ambientes reúnem diversas ferramentas como ilustrado nas figuras 1.2 e 1.3, como editores de texto, terminais para teste dos programas, depuradores etc. Nesse curso, vamos adotar o IDE Spyder que acompanha o pacote Anaconda. O uso do Spyder é tratado no laboratório do capítulo 3 desse livro.