.. -*- rst -*-

============================
Introducció a la Programació
============================


Què és programar?
-----------------

- Descriure formalment la solució genèrica d'un problema de manera que
  un ordinador pugui calcular una solució concreta a partir d'unes
  dades concretes.

- Per programar calen habilitats de disciplines com

  :matemàtiques: per tal d'expressar els càlculs en llenguatges
    formals,
  :enginyeria: per tal de dissenyar components, assemblar-los en
    sistemes complexos i avaluar alternatives i
  :ciència: per tal d'observar el comportament de sistemes complexos,
    formular hipòtesis i comprovar les prediccions.


Llenguatges de programació
--------------------------

Segons el nivell d'abstracció distingim:
  
- `Llenguatges de programació de baix nivell
  <https://ca.wikipedia.org/wiki/Llenguatge_de_programaci%C3%B3_de_baix_nivell>`__:

  - Propers al `llenguatge màquina
    <https://ca.wikipedia.org/wiki/Llenguatge_de_m%C3%A0quina>`__ que
    pot executar un ordinador

- `Llenguatges de programació d'alt nivell
  <https://ca.wikipedia.org/wiki/Llenguatge_de_programaci%C3%B3_d%27alt_nivell>`__. Permeten
  escriure programes:
  
  - Portables, independents de l'arquitectura de l'ordinador que els execurta

  - Més curts i ràpids d'escriure

  - Més entenedors, fàcils de llegir i raonar sobre la seva correctesa


Compiladors i intèrprets
------------------------ 

- `Compilador <https://ca.wikipedia.org/wiki/Compilador>`_: programa
  que tradueix un *programa font* (o :term:`codi font`) a un
  *programa objecte* equivalent. Normalment,

  - el programa font està escrit en un llenguatge d'alt nivell i

  - el programa objecte en llenguatge màquina

- `Intèrpret
  <https://ca.wikipedia.org/wiki/Int%C3%A8rpret_(inform%C3%A0tica)>`_:
  analitza i executa el programa font, sense traduir-lo abans a
  llenguatge màquina.


Python
------

- `Python <https://ca.wikipedia.org/wiki/Python>`__ és un `llenguatge
  de programació interpretat
  <https://ca.wikipedia.org/wiki/Llenguatge_interpretat>`_

- L\':term:`intèrpret de Python` té dos modes de treball:

  - :term:`mode interactiu` (:term:`shell`): per petits experiments

  - :term:`mode script`: per programes


Objecte i tipus
---------------

- Les dades en Python es representen mitjançant objectes

- Un :term:`objecte` té associats un identificador, un tipus i un valor

- El :term:`tipus` d'un objecte determina el seu conjut de valors
  possibles i les operacions entre ells


Tipus numèrics
--------------

- Valors de :term:`tipus` enter (:py:class:`int`)

  - :term:`valors literals <valor literal>`: successió de dígits (0,
    1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) precedits de signe (opcional)

    .. code-block:: python3
  
       1285
       -5284327
       0
     
- Valors de tipus real representats en `coma flotant
  <https://ca.wikipedia.org/wiki/Coma_flotant>`__ (:py:class:`float`)

  - :term:`valors literals <valor literal>`: successió de dígits amb
    punt decimal intercalat o escrits en `notació científica
    <https://ca.wikipedia.org/wiki/Notaci%C3%B3_cient%C3%ADfica>`__
    (adaptada), precedits de signe (opcional)

    .. code-block:: python3
  
       12.85
       -528.4327
       0.0
       3e-4        # 3 per 10 elevat a -4


Operadors i operands
--------------------

- Operadors: símbols que representen operacions o càlculs (suma, producte, ...)

- Operands: valors sobre els quals actuen els operadors

- Operadors aritmètics

  - Unaris: negatiu (``-``), positiu (``+``). Tenen un operand i
    s'escriuen abans d'ell (prefix)

    >>> - 3
    -3
    >>> + 5
    5

  - Binaris: suma (``+``), resta (``-``), multiplicació (``*``),
    ``/``, ``//``, ``%``, potenciació (``**``). Tenen dos operands i
    s'escriuen entremig d'ells (infix)

    >>> 3 + 4
    7
    >>> 3 - 4
    -1
    >>> 3 * 4
    12
    >>> 2 ** 3
    8

    - Quan un operand és de tipus :class:`int` i l'altre
      :class:`float`, Python converteix l'operand de tipus
      :class:`int` a :class:`float` abans de fer l'operació

      >>> 7.2 - 5
      2.2
      >>> 2*4.1
      8.2
            

- Divisió real (``/``)

  >>> 9 / 4
  2.25
  
- Quocient (``//``) i residu (``%``) de la divisió entera

  >>> 9 // 4
  2
  >>> 9 % 4
  1

  >>> (9 // 4)*4 + (9 % 4)     # pel teorema de la divisió entera
  9


Expressions
-----------

- Un :term:`valor literal` és una :term:`expressió`

  >>> 3
  3

- Un `operador unari <operadors i operands>`_ seguit d'una expressió és
  una expressió

  >>> - 5
  -5

- Una expressió sequida d'un `operador binari <operadors i operands>`_
  seguit d'una expressió és una expressió

  >>> 5**2
  25

- Una expressió tancada entre parèntesis és una expressió

  >>> (3 + 4)
  7


Avaluació d'expressions
-----------------------

- Un :term:`valor literal` s\':term:`avalua <avaluació>` al valor que
  representa

- Una :term:`expressió` tancada entre parèntesis s'avalua al valor de
  l'expressió

- Un `operador <operadors i operands>`_ s'avalua al resultat de
  calcular l'operació sobre els seus operands.

- L\':ref:`ordre d'avaluació <python:evalorder>` d'una expressió depèn
  de

  - els parèntesis
  
  - la *prioritat* o precedència dels operadors: elevar, multiplicació i
    divisió, suma i resta
  
    >>> 3 + 2 ** (3 - 1) * 5
    23
    >>> 3 + ((2 ** (3 - 1)) * 5)
    23
      
  - l\'*associativitat* dels operadors amb la mateixa prioritat:
    d'esquerra a dreta excepte per elevar a una potència
  
    >>> 5 - 3 - 2
    0
    >>> (5 - 3) - 2
    0
    >>> 5 - (3 - 2)
    4
    
    >>> 2 ** 3 ** 4
    2417851639229258349412352
    >>> 2 ** (3 ** 4)
    2417851639229258349412352
    >>> (2 ** 3) ** 4
    4096

- El resultat d'avaluar una expressió és un :term:`objecte` amb el
  valor de l'expressió.
    

Variables
---------

- Una :term:`variable` és un nom que es refereix a un :term:`objecte`

- Els noms de variables
  
  - Són arbitràriament llargs
  
  - Només poden contenir lletres, dígits i guions baixos (``_``)
  
  - Han de començar per una lletra o un guió baix
  
  - No poden coincidir amb cap :term:`paraula clau`. Vegeu-ne la
    :ref:`llista <keywords>`
  
- Exemples de noms correctes:

  .. code-block:: python3

     _abc
     lm1
     n_o
     _
     _1a
     h_3
     a94_3jl
     
- Exemples de noms incorrectes::

     1xyz
     ab?
     b-a
     if
     @fgh


Assignació
----------

- La sintaxi de la :term:`sentència` d\':term:`assignació` és

  ::

     variable = expressió

- Després d'executar l'assignació, la ``variable`` **es refereix** (o
  fa referència) a l'objecte a què s'ha avaluat l\'``expressió``

- L'operador d'assignació (``=``) no és commutatiu

- Una :term:`variable` és una :term:`expressió`

- Una variable s\':term:`avalua <avaluació>` al valor de
  l\':term:`objecte` a què es refereix

  >>> a = 4 * (5 - 2)
  >>> a
  12

- Una variable pot deixar de referir-se a un objecte i passar a
  referir-se a un altre

  >>> a = 8
  >>> a
  8

- Una variable es defineix (o *queda definida*) a la primera assignació
  que rep


Estat
-----

- L\':term:`estat` és el conjunt de :term:`variables <variable>` i
  :term:`objectes <objecte>` a què es refereixen, en un moment
  determinat de l'execució d'un programa

- `Diagrama d'estat
  <https://pythontutor.com/render.html#code=a%20%3D%203%0Ab%20%3D%20-1%0A%0Ax%20%3D%200%0Ay%20%3D%20a*x%20%2B%20b%0A%0Ax%20%3D%201%0Ay%20%3D%20a*x%20%2B%20b%0A%0Ax%20%3D%20-1%0Ay%20%3D%20a*x%20%2B%20b&cumulative=false&curInstr=4&heapPrimitives=true&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=3&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false>`__: representació gràfica de l'estat

- Els objectes als quals no es refereix cap variable es destrueixen.


Sentències
----------

- El :term:`codi font` d'un programa s'organitza en sentències

- Una :term:`assignació` és una :term:`sentència`

  >>> a = 3

- Una :term:`expressió` és una sentència

  >>> (5 - a)*8
  16

- Un programa és una seqüència de sentències

- Una sentència s'ha d'escriure en una línia (llevat de molt poques
  excepcions)


Flux d'execució seqüencial
--------------------------

- El :term:`flux d'execució` d'un programa és :term:`seqüencial
  <execució seqüencial>`: s'executa una :term:`sentència` rere l'altra
  en l'ordre en què estan escrites

- L'execució d'una :term:`assignació` produeix un canvi
  d\':term:`estat`

- L'execució d'una :term:`expressió` no té cap efecte sobre l'estat

- La :term:`traça d'execució` és l'evolució de l'estat després de
  l’execució de cada sentència d’un programa

- Vegeu una traça d'execució a l\'`Online Python
  Tutor
  <https://pythontutor.com/render.html#code=a%20%3D%203%0Ab%20%3D%20-1%0A%0Ax%20%3D%200%0Ay%20%3D%20a*x%20%2B%20b%0A%0Ax%20%3D%201%0Ay%20%3D%20a*x%20%2B%20b%0A%0Ax%20%3D%20-1%0Ay%20%3D%20a*x%20%2B%20b&cumulative=false&curInstr=0&heapPrimitives=true&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=3&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false>`__.


Assignació múltiple
-------------------

- Sintaxi::

    variable 1, variable 2, variable 3... = expressió 1, expressió 2, expressió 3...

- Primer s\':term:`avaluen <avaluació>` totes les :term:`expressions
  <expressió>` i després s\':term:`assigna <assignació>` el resultat
  de cada una a la :term:`variable` que li correspon

- Exemple:

    >>> a, b = 5 - 2, 3e2
    >>> a
    3
    >>> b
    300.0

    >>> a, b = b, a        # intercanvi de dues variables
    >>> a
    300.0
    >>> b
    3


Comentaris
----------

- Els programes els executen els ordinadors, però els llegeixen els
  programadors.

- Els comentaris van adreçats als programadors i el seu a objectiu és
  facilitar la lectura dels programes

- Sintaxi ``#``

    >>> # exemple d'expressió
    >>> 3   # valor literal de tipus int
    3

- L\':term:`intèrpret` descarta el text des del coixinet fins al final
  de la línia


Errors de programació
---------------------

- Els `errors de programació
  <https://ca.wikipedia.org/wiki/Error_de_programari>`__
  (*bugs*) poden ser sintàctics, d'execució o semàntics

- Un :term:`error sintàctic` es produeix en analitzar la
  :term:`sentència` i impedeix executar-la

    >>> ? + 5
    SyntaxError: invalid syntax

    >>> 5 * 2)
    SyntaxError: unmatched ')'

- Un :term:`error d'execució` es produeix durant l'execució de la sentència

  - La divisió per zero no està definida

    >>> 1/0
    Traceback (most recent call last):
      File "<pyshell#4>", line 1, in <module>
        1/0
    ZeroDivisionError: division by zero

  - Les :term:`variables <variable>` que apareixen en una
    :term:`expressió` han d'estar definides

    >>> f
    Traceback (most recent call last):
      File "<pyshell#21>", line 1, in <module>
        f
    NameError: name 'f' is not defined
    >>> f = -1
    >>> f
    -1

- Un :term:`error semàntic` es produeix quan el resultat d'un programa
  no és l'esperat

  - Càlcul incorrecte del tant per cent d'estudiants aprovats sobre el
    total

    >>> aprovats = 5
    >>> total = 10
    >>> total/aprovats*100
    200.0

- :doc:`fi:laboratori/errors/index`
  
- `Correcció d'errors
  <https://ca.wikipedia.org/wiki/Depuraci%C3%B3_de_programes>`_
  (*debugging*)

- :doc:`Pautes per evitar cometre errors i corregir-los
  <howto:app_a>`.


Exercicis
---------

- :doc:`fi:temes/introduccio/Conversions/index`: 2 i 5.
- :doc:`fi:temes/introduccio/Física/index`: 3.
- :doc:`fi:temes/introduccio/Geometria/index`: 4, 5.
- :doc:`fi:temes/introduccio/Percentatge/index`