Programação em Python: Introdução à programação com múltiplos paradigmas

438 Pages·2012·6.36 MB·Portuguese

by  João Pavão Martins

Programac¸˜ao em Python:
Introduc¸˜ao `a Programac¸˜ao
Utilizando Mu´ltiplos Paradigmas
Jo˜ao Pav˜ao Martins
Departamento de Engenharia Inform´atica
Instituto Superior T´ecnico
Universidade T´ecnica de Lisboa
ii
Copyright©2012Joa˜oPav˜aoMartins
Estelivrona˜opodeserreproduzido,notodoouemparte,sobqualquerformaoumeio,electro´nico
ou mecˆanico, incluindo fotoco´pia, gravac¸a˜o, ou qualquer sistema de registo de informac¸˜ao, sem
autorizac¸˜aopr´eviaeescritadoautor:
Jo˜aoPava˜oMartins
DepartamentodeEngenhariaInforma´tica
InstitutoSuperiorT´ecnico
Av. RoviscoPais
1096LisboaCODEX
Portugal
[email protected]
´
Indice
1 Computadores, algoritmos e programas 1
1.1 Caracter´ısticas de um computador . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Algoritmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Exemplos informais de algoritmos . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Caracter´ısticas de um algoritmo . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Programas e algoritmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Linguagens de programa¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 Exemplo de um programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Sintaxe e semˆantica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Sintaxe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 Semˆantica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.3 Tipos de erros num programa . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.6 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 Elementos b´asicos de programa¸c˜ao 31
2.1 Express˜oes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.1 Constantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.2 Express˜oes compostas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Tipos elementares de informa¸ca˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.1 O tipo inteiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2 O tipo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.3 O tipo l´ogico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3 Nomes e atribui¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4 Predicados e condic¸˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5 Comunica¸c˜ao com o exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.5.1 Leitura de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
i
ii ´INDICE
2.5.2 Escrita de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6 Programas, instru¸c˜oes e sequencia¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.7 Selec¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.8 Repeti¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.9 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.10 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3 Fun¸c˜oes 71
3.1 Defini¸c˜ao de fun¸c˜oes em Python. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2 Aplica¸c˜ao de fun¸c˜oes em Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3 Abstrac¸c˜ao procedimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4 Exemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.1 Nota final de uma disciplina . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.4.2 Potˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.3 Factorial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.4 M´aximo divisor comum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4.5 Raiz quadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.6 Seno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.5 Estrutura¸c˜ao de fun¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.6 M´odulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.7 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.8 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4 Tuplos e ciclos contados 111
4.1 Tuplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.2 Ciclos contados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.3 Cadeias de caracteres revisitadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.4 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.5 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5 Listas 135
5.1 Listas em Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.2 M´etodos de passagem de parˆametros . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.2.1 Passagem por valor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.2.2 Passagem por referˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.3 O Crivo de Erat´ostenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.4 Algoritmos de procura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
´INDICE iii
5.4.1 Procura sequencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.4.2 Procura bin´aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.5 Algoritmos de ordenac¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.5.1 Ordena¸c˜ao por borbulhamento . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.5.2 Ordena¸c˜ao Shell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.5.3 Ordena¸c˜ao por selecc¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.6 Exemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.7 Considera¸c˜oes sobre eficiˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.7.1 A notac¸˜ao do Omaiu´sculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.8 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.9 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6 Fun¸c˜oes revisitadas 167
6.1 Func¸˜oes recursivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2 Func¸˜oes de ordem superior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.2.1 Fun¸c˜oes como parˆametros . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.2.2 Fun¸c˜oes como valor de fun¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.3 Programa¸c˜ao funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.4 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.5 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7 Recurs˜ao e itera¸c˜ao 197
7.1 Recurs˜ao linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.2 Itera¸c˜ao linear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
7.3 Recurs˜ao em processos e em fun¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.4 Recurs˜ao em ´arvore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.4.1 Os nu´meros de Fibonacci . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.4.2 A torre de Han´oi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
7.5 Considera¸c˜oes sobre eficiˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.6 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
7.7 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
8 Ficheiros 221
8.1 O tipo ficheiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.2 Leitura de ficheiros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.3 Escrita em ficheiros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.4 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
iv ´INDICE
8.5 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9 Dicion´arios 235
9.1 O tipo dicion´ario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
9.2 Frequˆencia de letras num texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
9.3 Dicion´arios de dicion´arios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
9.4 Caminhos mais curtos em grafos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.5 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.6 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
10 Abstrac¸c˜ao de dados 255
10.1 A abstracc¸˜ao em programa¸c˜ao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.2 Motivac¸˜ao: nu´meros complexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.3 Tipos abstractos de informa¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
10.3.1 Identificac¸˜ao das operac¸˜oes b´asicas . . . . . . . . . . . . . 263
10.3.2 Axiomatiza¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.3.3 Escolha da representa¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
10.3.4 Realiza¸c˜ao das operac¸˜oes b´asicas . . . . . . . . . . . . . . 267
10.4 Barreiras de abstrac¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
10.5 Objectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.6 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
10.7 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11 Programa¸c˜ao com objectos 283
11.1 O tipo conta banc´aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
11.2 Classes, subclasses e heran¸ca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
11.3 Objectos em Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
11.4 Polimorfismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
11.5 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
11.6 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
12 O desenvolvimento de programas 303
12.1 A an´alise do problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
12.2 O desenvolvimento da soluc¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
12.3 A programac¸˜ao da soluc¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
12.3.1 A depurac¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
12.3.2 A finalizac¸˜ao da documenta¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . 313
12.4 A fase de testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
´INDICE v
12.5 A manutenc¸a˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.6 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
13 Estruturas lineares 321
13.1 Pilhas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
13.1.1 Opera¸c˜oes b´asicas para pilhas . . . . . . . . . . . . . . . . 322
13.1.2 Axiomatiza¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
13.1.3 Representac¸˜ao de pilhas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
13.2 Realiza¸c˜ao das opera¸c˜oes b´asicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
13.2.1 Pilhas recorrendo a fun¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
13.2.2 A classe pilha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
13.3 Express˜oes em nota¸c˜ao p´os-fixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
13.4 Balanceamento de parˆentesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
13.5 Filas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
13.5.1 Opera¸c˜oes b´asicas para filas . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
13.5.2 Axiomatiza¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
13.5.3 Representac¸˜ao de filas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
13.5.4 A classe fila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
13.6 Simula¸c˜ao de um supermercado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
13.7 Representac¸˜ao gr´afica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
13.8 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
13.9 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
14 A´rvores 371
14.1 Opera¸c˜oes b´asicas para ´arvores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
14.2 Axiomatiza¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.3 Representac¸˜ao de ´arvores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.3.1 Representac¸˜ao para o uso de func¸˜oes . . . . . . . . . . . . 376
14.3.2 Representac¸˜ao para o uso com objectos . . . . . . . . . . 377
14.4 Realiza¸c˜ao das opera¸c˜oes b´asicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
14.4.1 A´rvores recorrendo a fun¸c˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . 379
14.4.2 A classe ´arvore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
14.5 Ordena¸c˜ao por ´arvore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
14.6 Notas finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
14.7 Exerc´ıcios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
vi ´INDICE
15 Ep´ılogo 389
15.1 Programas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
15.1.1 Algoritmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
15.1.2 Linguagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
15.1.3 Constru¸c˜ao de abstracc¸˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
15.2 Programa¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
15.2.1 Arquitectura de programas . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
15.2.2 Paradigmas de programa¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
15.2.3 T´ecnicas usadas em programac¸˜ao . . . . . . . . . . . . . . 405
15.2.4 Sistemas operativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
15.3 Notas Finais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
Pref´acio
Estelivrocorresponde`amat´eriaensinadanadisciplinasemestraldeFundamen-
tos da Programa¸c˜ao da Licenciatura de Engenharia Inform´atica e de Computa-
dores do Instituto Superior T´ecnico. A disciplina situa-se no primeiro semestre
do primeiro ano e n˜ao pressup˜oe conhecimentos pr´evios em programac¸a˜o. A
mat´eria deste livro foi influenciada pelas diversas propostas internacionais re-
lativas ao conteu´do de uma disciplina de introduc¸˜ao `a programac¸˜ao a n´ıvel
universita´rio [Koffmann et al., 1984], [Koffmann et al., 1985], [Turner, 1991],
[ACM, 2000], [ACM, 2008], [ACM, 2012] tendo sido tamb´em influenciada por
um dos melhores livros existentes sobre programa¸c˜ao, [Abelson et al., 1996].
O dom´ınio da programa¸c˜ao transcende o conhecimento de t´ecnicas de pro-
grama¸c˜ao, necessitando de uma compreens˜ao profunda dos conceitos e da na-
tureza da computa¸c˜ao. Com este livro fornecemos uma abordagem discipli-
nada `a actividade de programa¸c˜ao e, simultaneamente, transmitimos conceitos
gen´ericosrelacionadoscomlinguagensdeprograma¸c˜ao. Aescolhadalinguagem
de programa¸c˜ao a utilizar numa disciplina introdut´oria ´e sempre um aspecto
muito controverso. Na d´ecada de 1990, a linguagem utilizada pelo autor para
ensinar introduc¸˜ao `a programac¸˜ao foi o Pascal, na primeira d´ecada do s´eculo
XXI, foi utilizada a linguagem Scheme. No ano lectivo de 2012/13 foi decidida
a adop¸c˜ao da linguagem Python para leccionar a disciplina de Fundamentos da
Programa¸c˜ao. A nossa escolha foi influenciada por diversos factores:
— Apresentac¸˜ao de uma sintaxe m´ınima, facilitando a aprendizagem.
— Possibilidadedeutilizac¸˜aodediversosparadigmasdeprogramac¸˜ao,incluindo
a programa¸c˜ao imperativa, a programa¸c˜ao funcional e a programac¸˜ao por
objectos.
— Existˆenciadeprocessadoresdalinguagem, aon´ıveldodom´ıniopu´blico, para
vii
viii ´INDICE
os principais sistemas operativos, Macintosh, Windows e Unix.
Deveserdesdej´aclarificadoqueoobjectivodestelivron˜ao´eodeensinarPython
(e consequentemente algumas das suas caracter´ısticas n˜ao s˜ao abordadas), mas
sim o de utilizar o Python para ensinar a programar em qualquer linguagem.
Existemv´ariosaspectosquefazemcomqueestelivrosedistingadeoutroslivros
que abordam a introduc¸˜ao `a programac¸˜ao:
1. Apresenta a actividade de programac¸˜ao como uma constru¸c˜ao de abs-
trac¸c˜oes, tanto de abstrac¸c˜oes de procedimentos, como de abstracc¸˜oes de
dados.
2. Apresenta uma introdu¸c˜ao geral `a actividade de programac¸˜ao. O livro
utilizaoPythoncomoumaferramentaparaexprimirosconceitosintrodu-
zidos, sendooseuobjectivoaapresenta¸c˜aodeconceitosessenciaisdepro-
grama¸c˜ao,taiscomoodesenvolvimentodealgoritmosutilizandoom´etodo
dotopoparaabase,autiliza¸c˜aodeestruturasdeinformac¸˜aoadequadas,a
abstrac¸c˜ao procedimental e a abstracc¸˜ao de dados, estrat´egias para teste
e depurac¸˜ao de programas, a documenta¸c˜ao correcta e o anonimato da
representa¸c˜ao.
3. Enfatiza a distin¸c˜ao entre a sintaxe e a semˆantica. Para dominar a tarefa
de programa¸c˜ao n˜ao basta saber falar com a linguagem (escrever pro-
gramas), ´e tamb´em necess´ario saber falar sobre a linguagem (utilizando
portuguˆesououtralinguagemcomometalinguagem). Esteaspecto´eabor-
dado ao longo de todo o livro.
4. Ametodologiaparaodesenvolvimentodetiposabstractosdeinformac¸˜ao´e
explicada em termos claros, e exemplos de tipos abstractos de informac¸˜ao
s˜ao discutidos pormenorizadamente.
O Python ´e uma linguagem de programa¸c˜ao inventada pelo cientista holandˆes
GuidovanRossumnofinaldad´ecadade1980. Asuaprimeiravers˜aosurgiuem
1989, tendo a vers˜ao utilizada neste livro, o Python 3, sido lan¸cada em 2008.
Em 2007 e em 2010, o Python foi considerada a linguagem de programac¸˜ao
do ano, sendo actualmente a 8a linguagem mais popular, depois de C, Java,
Objective-C, C++, C#, PHP e Visual BASIC. Entre as grandes organiza¸c˜oes
que utilizam o Python incluem-se a Google, a Yahoo!, o YouTube, o CERN e a
NASA.