Desenvolvimento de um Compilador de Português Estruturado para a JVM no Portal de Algoritmos ...

88 Pages·2016·0.86 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TECNOLOGIA
BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
GABRIEL DOS SANTOS WEBER
Desenvolvimento de um Compilador
de Português Estruturado para a
JVM no Portal de Algoritmos da
UCS
Ricardo Vargas Dorneles
Orientador
Alexandre Erasmo Krohn Nascimento
Coorientador
Caxias do Sul, Julho de 2016
Desenvolvimento de um
Compilador de Português
Estruturado para a JVM no
Portal de Algoritmos da UCS
por
Gabriel dos Santos Weber
Projeto de Diplomação submetido ao curso de Bacharelado em Ci-
ência da Computação do Centro de Ciências Exatas e da Tecnologia
da Universidade de Caxias do Sul, como requisito obrigatório para
graduação.
Projeto de Diplomação
Orientador: Ricardo Vargas Dorneles
Coorientador: Alexandre Erasmo Krohn Nascimento
Banca examinadora:
André Luis Martinotto
CCET/UCS
Alexandre Erasmo Krohn Nascimento
CCET/UCS
Projeto de Diplomação apresentado em
24 de Junho de 2016
Simone Cristine Mendes Paiva
Coordenadora
SUMÁRIO
LISTA DE ACRÔNIMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
LISTA DE TABELAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
LISTA DE TRECHOS DE CÓDIGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
RESUMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.1 Objetivo geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Estrutura do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 REFERENCIAL TEÓRICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1 Portais de Aprendizado Online . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Portais de Aprendizado Online de Programação . . . . . . . . . 17
2.3 Experiências com Portais de Ensino . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 O Portal de Algoritmos da UCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Estrutura Atual do Portal de Algoritmos . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.1 Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.2 Analisador léxico e sintático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.3 Representação Intermediária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 Compiladores e Interpretadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.7 Português Estruturado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.8 Representação Intermediária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.9 Máquinas Virtuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.9.1 LLVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.9.2 JVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3 ARQUITETURA DO INTERPRETADOR . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1 Estrutura do Front-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1.1 Representação Intermediária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 Tradução para a Representação Intermediária . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 Estrutura do Back-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 MAPEAMENTO DAS INSTRUÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1 Tipos de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2 Comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.1 Comando de atribuição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.2 Expressões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Funções de leitura, escrita e pré-definidas . . . . . . . . . . . . . 57
4.4 Comandos Condicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.1 Comando Se . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.4.2 Comando Escolha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 Comandos de Repetição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5.1 Comando Repita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5.2 Comando Enquanto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.3 Comando Para . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.6 Funções e Procedimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 FRONT-END DO USUÁRIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.1 Estrutura do editor de código . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Funcionalidades do editor de código . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.1 Funcionalidades de Execução do Algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.2 Funcionalidades de Entrada de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.3 Funcionalidade de Visualização de Variáveis/Computação . . . . . . . 71
5.2.4 Funcionalidade de Exibição de Mensagem de Erro de Execução . . . . 72
5.3 Serviço REST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1 Desenvolvimento do Compilador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1.1 Desenvolvimento do Front-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1.2 Desenvolvimento do Back-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.1.3 Desenvolvimento do Debugger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2 Desenvolvimento do Serviço Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 Desenvolvimento do Editor de Código . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
LISTA DE ACRÔNIMOS
ACM Association for Computing Machinery
ACM - ICPC ACM International Collegiate Programming Contest
API Application Programming Interface
AST Abstract Syntax Tree
AVA Ambiente Virtual de Aprendizagem
CSS Cascading Style Sheet
EAD Ensino à Distância
HTML HyperText Markup Language
HTTP HyperText Transfer Protocol
IDEs Integrated Development Environments
ISA Instruction Set Architecture
JavaCC the Java Compiler Compiler
JPDA Java Platform Debugger Architecture
JDI Java Debug Interface
JVM Java Virtual Machine
LLVM Low Level Virtual Machine
Moodle Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment
NPAPI Netscape Plugin Application Programming Interface
REST Representational State Transfer
SSA Static Single Assignment form
UCS Universidade de Caxias do Sul
URLs Uniform Resource Locators
W3C World Wide Web Consortium
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Esboço da estrutura atual do Portal de Algoritmos . . . . . . . . 21
Figura 2.2: Compilador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 2.3: Interpretador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura 2.4: Etapas do front-end e do back-end de um compilador . . . . . . . 26
Figura 6.1: Diagrama de classes resumido do front-end do compilador. . . . . 76
Figura 6.2: Exemplo de AST gerada pelo front-end para o código do exemplo 77
Figura 6.3: Diagrama de classes do back-end do compilador . . . . . . . . . . 78
Figura 6.4: Diagrama de classes do debugger desenvolvido neste trabalho . . . 80
Figura 6.5: Protótipo de interface de editor de código . . . . . . . . . . . . . 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1: Classes geradas pelo JavaCC (the Java Compiler Compiler) . . . 33
Tabela 3.2: Tabela comparativa entre JVM e LLVM . . . . . . . . . . . . . . 35
Tabela 3.3: Items contidos na estrutura do arquivo class . . . . . . . . . . . . 38
Tabela 4.1: Tipos e seus valores no Português Estruturado . . . . . . . . . . . 40
Tabela 4.2: Tradução dos tipos do Português Estruturado para bytecode . . . 41
Tabela 4.3: Instruções para conversão de tipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Tabela 4.4: Declaração de um vetor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Tabela 4.5: Declaração de uma matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Tabela 4.6: Estrutura do acesso a elementos de vetores em bytecode . . . . . . 43
Tabela 4.7: Estrutura do acesso a elementos de matrizes em bytecode . . . . . 43
Tabela 4.8: Exemplos de acesso a elementos de um vetor e de uma matriz . . 44
Tabela 4.9: Tipos para declaração de vetores em bytecode . . . . . . . . . . . 44
Tabela 4.10:Tipos e suas representações em letras . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Tabela 4.11:Opcodes para atribuição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Tabela 4.12:Exemplos de atribuição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Tabela 4.13:Opcodes para troca de sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Tabela 4.14:Exemplo de troca de sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Tabela 4.15:Opcodes de multiplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Tabela 4.16:Exemplo de multiplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Tabela 4.17:Opcode de divisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Tabela 4.18:Exemplo de divisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Tabela 4.19:Opcode de resto da divisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Tabela 4.20:Exemplo de resto da divisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Tabela 4.21:Opcode de quociente da divisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Tabela 4.22:Opcodes de soma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Tabela 4.23:Exemplo de soma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Tabela 4.24:Opcodes de subtração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Tabela 4.25:Exemplo de subtração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Tabela 4.26:Opcodes para expressões relacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Tabela 4.27:Opcodes de desvio condicional utilizados nos operadores relacionais 52
Tabela 4.28:Estrutura do operador de igualdade em bytecode . . . . . . . . . . 53
Tabela 4.29:Exemplo de comparações de valores . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Tabela 4.30:Exemplo da expressão e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Tabela 4.31:Exemplo da expressão ou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Tabela 4.32:Opcode de desvio condicional utilizado no operador lógico nao . . 56
Tabela 4.33:Exemplo da expressão nao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Tabela 4.34:Exemplos de funções pré-definidas do Português Estruturado . . . 57
Tabela 4.35:Opcode de desvio condicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Tabela 4.36:Estrutura do comando se em bytecode . . . . . . . . . . . . . . . 58
Tabela 4.37:Exemplo da expressão se . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Tabela 4.38:Opcode do comando escolha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Tabela 4.39:Estrutura do comando escolha em bytecode . . . . . . . . . . . . . 60
Tabela 4.40:Exemplo do comando escolha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Tabela 4.41:Estrutura do comando repita em bytecode . . . . . . . . . . . . . 62
Tabela 4.42:Exemplo do comando repita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Tabela 4.43:Estrutura do comando enquanto em bytecode . . . . . . . . . . . . 63
Tabela 4.44:Exemplo do comando enquanto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Tabela 4.45:Estrutura do comando para em bytecode . . . . . . . . . . . . . . 64
Tabela 4.46:Exemplo do comando para com passo 1 . . . . . . . . . . . . . . . 64
Tabela 4.47:Exemplo do comando para com passo maior que 1 . . . . . . . . . 65
Tabela 4.48:Exemplo do comando para com passo negativo . . . . . . . . . . . 66
Tabela 4.49:Exemplo de função . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Tabela 6.1: Classes geradas pelo JavaCC a partir da definição da gramática . 75