Bölüm 3. Sözdizimi(Syntax) ve Anlamsal(Semantics) Tanımlama ISBN 0-321-49362-1

Bölüm 3 Sözdizimi(Syntax) ve Anlamsal(Semantics) Tanımlama ISBN 0-321-49362-1

Bölüm 3 Konuları Giriş Sözdizim(Syntax) tanımlamanın genel problemi Sözdizim(Syntax) tanımlamada resmi metotlar Özellik Gramerleri Programların anlamlarını tanımlama: Dinamik Anlamlar(Dynamic Semantics) Wesley. All rights reserved. 1-2

Giriş Sözdizimi(Syntax): Deyimlerin, ifadelerin ve program birimlerinin biçimi ya da yapısı Anlamsal(Semantics): Deyimlerin, ifadelerin ve program birimlerinin anlamı Sözdizimi(Syntax) ve anlamsallar(semantics) bir dilin tanımını sağlarlar Bir dil tanımının kullanıcıları Diğer dil tasarımcıları Gerçekleştiriciler Programcılar (dilin kullanıcıları) Wesley. All rights reserved. 1-3

Sözdizim(Syntax) tanımlamanın genel problemi: Terminoloji(Terminology) Bir cümle(sentence) bir karakter dizisidir. Kullanılan karakterler bir alfabeden alınır. Bir dil(language) cümleler(sentences) kümesidir. Bir lexeme dilin en düşük seviyeli sözdizimsel birimidir(örn., *, sum, begin) Bir simge(token) lexeme ların kategorisidir(örn., tanıtıcı(identifier)) Wesley. All rights reserved. 1-4

Dillerin resmi tanımı Dil Tanıyıcıları(Recognizers) Bir tanıyıcı aygıt dilden bir karakter dizisi okur ve bu karakter dizisinin bu dile ait olup olmadığına karar verir. Örnek: bir derleyicinin söz dizimanalizcisi Bölüm 4 de ayrıntılandırılacaktır. Dil Üreticileri(Generators) Bir dile ait cümle üreten aygıtlart Belirli bir cümlenin söz diziminin doğru olup olamdığı o dili üreten üretici incelenerek tespit edilebilir. Wesley. All rights reserved. 1-5

Söz Diziminin Tanımında Kullanılan Resmi Metotlar Backus-Naur Form and Serbest- İçerik Gramerleri(Context-Free Grammars) Programlama dillerinin söz dizimlerini tanımlamada kullanılan en yaygın metottur. Genişletilmiş BNF(Extended BNF) BNF nin okunabilirliğini ve yazılabilirliğini arttırır. Gramerler ve Dil Tanıyıcıları Wesley. All rights reserved. 1-6

BNF ve Serbest-İçerik Gramlerleri(Context- Free Grammars) Serbest İçerik Gramerleri Noam Chomsky tarafından 1950 lerin ortasında geliştirildir Dil üreticileri doğal dillerin söz dizimlerini tanımlama anlamına gelir Serbest-İçerik dilleri adlanılan bir diller sınıfını tanımlar. Wesley. All rights reserved. 1-7

Backus-Naur Form (BNF) Backus-Naur Form (1959) John Backus tarafından Algol 58 i tanımlamak için keşfedildi. BNF serbest içerik gramerlerinin(context-free grammars) eşleniğidir. BNF bir metalanguage dir be başka bir dil anımlar BNF de, soyutlamalar söz dizimsel yapıların sınıflarını temsil etmek için kullanılır. Söz disimsel değişkenler gibi davranırlar (sonolmayan semboller:nonterminal symbols adlanırlar.) Wesley. All rights reserved. 1-8

BNF Temelleri Son Olmayan semboller(non-terminals): BNF soyutlamaları(abstractions) Son semboller(terminals): lexeme lar ve token lar Gramer: bir kurallar koleksiyonudur. Örnek BNF kuralları: <ident_list> identifier identifier, <ident_list> <if_stmt> if <logic_expr> then <stmt> Wesley. All rights reserved. 1-9

BNF Kurallar Bir kuralda sol taraf(lhs-left hand side) ve sağ taraf(rhs-right hand side) vardır ve son olan(terminal) ve son olmayan (nonterminal) sembollerden oluşur. Bir gramer sonlu boş olmayan kurallar kümesidir. Bir soyutlamanın(abstraction) (ve ya son olmayan sembol) birden fazla sağ tarafı olabilir. <stmt> <single_stmt> begin <stmt_list> end Wesley. All rights reserved. 1-10

Tanımlama Listeleri Söz dizimsel listeler yineleme(recursion) kullanılarak tanımlanır. <ident_list> ident ident, <ident_list> Bir türetme(derivation) kuralların tekrarlı bir şekilde uygulanmasıdır.bir başlangıç sembolünden başlanır ve tüm elemanları son olan sembol(terminal)den oluşan bir cümle de biter. Wesley. All rights reserved. 1-11

Bir örnek gramer <program> <stmts> <stmts> <stmt> <stmt> ; <stmts> <stmt> <var> = <expr> <var> a b c d <expr> <term> + <term> <term> - <term> <term> <var> const Wesley. All rights reserved. 1-12

Bir örnek türetme <program> => <stmts> => <stmt> => <var> = <expr> => a =<expr> => a = <term> + <term> => a = <var> + <term> => a = b + <term> => a = b + const Wesley. All rights reserved. 1-13

Türetme Türetmelerde sembollerin her dizisi bir cümlesel biçimdedir. Bir cümle sadece son olan sembollerden oluşan bir cümlesel biçimdir(sentential form). En sol türetme(leftmost derivation) her cümlesel biçimde en soldaki son olamayan terimin açıldığı türetmedir. Bir türetme en sol ya da en sağ(right most) olabilir. Wesley. All rights reserved. 1-14

Ayrıştırma Ağacı(Parse Tree) Bir türetmenin hiyerarşik temsilidir. <program> <stmts> <stmt> <var> = <expr> a <term>+ <term> <var> const Wesley. All rights reserved. 1-15 b

Gramerlerin belirsizliği(ambiguity) Bir gramerdeki bir cümlesel biçim iki veya daha fazla ayrıştırma ağacı(parse tree) oluşturuyorsa bu gramer belirsiz(ambiguous) adlanır. Wesley. All rights reserved. 1-16

Bir belirsiz deyim(expression) grameri <expr> <expr> <op> <expr> const <op> / - <expr> <expr> <expr> <op> <expr> <expr> <op> <expr> <expr> <op> <expr> <expr> <op> <expr> const - const / const const - const / const Wesley. All rights reserved. 1-17

Bir belirsiz deyim(expression) grameri Eğer ayrıştırma ağacında işleçlerin(operators) öncelik seviyeleri gösterilirse belirsizlik olmaz. <expr> <expr> - <term> <term> <term> <term> / const const <expr> <expr> - <term> <term> <term> / const const const Wesley. All rights reserved. 1-18

İşleçlerin Birleşikliği(Associativity of Operators) İşleç birleşikliğide bir gramerde gösterilebilir. <expr> -> <expr> + <expr> const (ambiguous) <expr> -> <expr> + const const (unambiguous) <expr> <expr> + const <expr> + const Copyright 2007 const Addison- Wesley. All rights reserved. 1-19

Genişletilmiş BNF(Extended BNF) Seçimli olan parçalar [ ] içinde tanımlanır. <proc_call> -> ident [(<expr_list>)] Sağ tarafın(rhs) alernatif seçenekli kısımları parantez içinde dikey çubuklar ile ayrılarak gösterilir. <term> <term> (+ -) const (0 ya da daha fazla) tekrarlamalar { } içinde yazılır. <ident> letter {letter digit} Wesley. All rights reserved. 1-20

BNF and EBNF BNF <expr> <expr> + <term> <expr> - <term> <term> <term> <term> * <factor> <term> / <factor> <factor> EBNF <expr> <term> {(+ -) <term>} <term> <factor> {(* /) <factor>} Wesley. All rights reserved. 1-21

Özellik Gramerleri(Attribute Grammars) Serbest içerik gramerleri programlama dillerinin tüm söz dizimini tanımlamazlar Serbest içerikli gramerlere ayrıştırma ağaçları ile birlikte bazı anlamsal bilgiler içeren eklentiler katılır. Özellik gramerlerinin birinci değeri Statik anlamsal belirtimler(static semantics specification) Derleyici tasarımı (static semantics checking) Wesley. All rights reserved. 1-22

Özellik Gramerleri : Tanımlama(Definition) Bir özellik grameri aşağıdaki eklentilere sahip bir serbest içerik G = (S, N, T, P) grameridir. Her x gramer kuralı için bir A(x) özellik değerleri kümesi vardır. Her kural fonksiyonlar kümesine sahiptir. Bu fonksiyonlar kuraldaki son olmayan semboller için belirli özellikler tanımlar Her kural (boş olabilir) özelliklerin tutarlılığını kontrol eden yüklemseller(predicates) kümesine sahiptir. Wesley. All rights reserved. 1-23

Özellik Gramerleri : Tanımlama(Definition) X 0 X 1... X n bir kural olsun S(X 0 ) = f(a(x 1 ),..., A(X n )) biçimindeki fonsiyonlar sentezlenmiş özellikleri (synthesized attributes) tanımlar. I(X j ) = f(a(x 0 ),..., A(X n )), for i <= j <= n, biçimindeki fonksiyonlar kalıtılmış özellikleri(inherited attributes) tanımlar. Başlangıçta, yapraklarda içsel özellikler (intrinsic attributes) bulunur. Wesley. All rights reserved. 1-24

Özellik Gramerleri: Bir örnek Sözdizimi(Syntax) <assign> -> <var> = <expr> <expr> -> <var> + <var> <var> <var> A B C actual_type: <var> ve <expr> için sentezlenir expected_type: <expr> için kalıtılır. Wesley. All rights reserved. 1-25

Özellik Gramerleri (devam) Sözdizim kuralı(syntax rule): <expr> <var>[1] + <var>[2] Anlamsal Kurallar(Semantic rules): <expr>.actual_type <var>[1].actual_type Yüklemsel(Predicate): <var>[1].actual_type == <var>[2].actual_type <expr>.expected_type == <expr>.actual_type Sözdizim kuralı(syntax rule): <var> id Anlamsal Kural(Semantic rule): <var>.actual_type lookup (<var>.string) Wesley. All rights reserved. 1-26

Özellik Gramerleri (devam) Özellik değerleri nasıl hesaplanır? Eğer tüm özellikler kalıtılmışsa, ağaç yukarıdan aşağıya sırada(top-down order) dekore edilebilmelidir. Eğer tüm özellikler sentezlenmişse, ağaç aşağıdan yukarıya sırada(bottom-up order) dekore edilebilmelidir. Birçok durumda, her iki çeşit özellik de kullanılır, ve yukarıdan aşağıya ; aşağıdan yukarıya dekorasyon kullanılır. Wesley. All rights reserved. 1-27

Özellik Gramerleri (devam) <expr>.expected_type inherited from parent <var>[1].actual_type lookup (A) <var>[2].actual_type lookup (B) <var>[1].actual_type =? <var>[2].actual_type <expr>.actual_type <var>[1].actual_type <expr>.actual_type =? <expr>.expected_type Wesley. All rights reserved. 1-28

Anlamsallar(Semantics) Anlamsalları tanımlamakiçin geçiş çapta kabul edilen tek bir notasyon yoktur. İşlemsel Anlamlar(Operational Semantics) Bir programın ifadelerini bir makinede çalıştırarak anlamlarını tanımlar; ya simüle eder ya da gerçekten çaıştırır. Makinenin durumundaki(bellek-memory, yazmaçlarregisters) değişiklik ifadenin anlamını tanımlar. Wesley. All rights reserved. 1-29

İşlemsel Anlamlar(Operational Semantics) Bir yüksek seviye dil için işlemsel anlamarı kullanmak için bir sanal makineye ihtiyaç vardır. Bir donanımsal saf yorumlayacı çok pahalı olacaktır. Bir yazılımsal saf yorumlayıcının da bazı problemleri vardır Belirli bilgisayarın detaylı karakteristikleri eylemleri anlamayı zorlaştıracaktır. Bu tip bir anlamsal tanımlama makine-bağımlı olacaktır. Wesley. All rights reserved. 1-30

İşlemsel Anlamlar(Operational Semantics) Daha iyi bir alternatif: Tam bir bilgisayar simulasyonu süreç: Bir dönüştürücü oluştur( kaynak kodu idealleştirilmiş bilgisayar için makine koduna dönüştür) İdealleştirilmiş bilgisayar için bir simulatör oluştur. İşlemsel anlamların değerlendirilmesi: Resmi olmayan şekilde kullanılacaksa iyidir(dil ek kitabı gibi) Resmi kullanılırsa oldukça karmaşık(örn., VDL), PL/I nın anlamsallarını tanımlamak içişn kullanılmıştır. Wesley. All rights reserved. 1-31

Aksiyomatik Anlamlar(Axiomatic Semantics) biçimsel mantık temellidir. Orijinal amaç: biçimsel program doğrulama Aksiyonlar veya girişim(inference) kuralları dildeki her ifade için tanımlanır(bu deyimlerden başka deyimlere dönüştürmeye izin verir) Deyimler iddialar(assertions) olarak adlandırılır. Wesley. All rights reserved. 1-32

Aksiyomatik Anlamlar(Axiomatic Semantics) Bir ifadeden önceki iddia (a precondition) değişkenler arasındaki ilişkileri ve kısıtları tanımlar Bir ifadeden sonraki iddia postcondition dır. En zayıf ön koşul (weakest precondition) en az kısıtlayıcı önkoşuldur ve bu koşul post condition ı garanti eder. Wesley. All rights reserved. 1-33

Aksiyomsal Anlamsal Biçimler(Axiomatic Semantics Form) Pre-, post form: {P} statement {Q} Bir örnek a = b + 1 {a > 1} Bir mümkün önkoşul(precondition): {b > 10} En zayıf önkoşul: {b > 0} Wesley. All rights reserved. 1-34

Program kanıt süreci(program Proof Process) Tüm program için önkoşul istenilen sonuçtur. Programın ilk ifadesine doğru geriye doğru çalışılır. Eğer ilk ifadenin önündeki ön koşul program belirtimi ile aynıysa, program doğrudur. Wesley. All rights reserved. 1-35

Aksiyomsal Anlamsal: Aksiyomlar(Axioms) Atama ifadeleri için bir aksiyom (x = E): {Q x->e } x = E {Q} Sonuç Kuralı(The Rule of Consequence): {P} S{Q}, P' P, Q {P'}S{Q'} Q' Wesley. All rights reserved. 1-36

Aksiyomsal Anlamsal: Aksiyomlar(Axioms) Arka arka gelen ifadeler için girişim kuralı(interference rule) {P1} S1 {P2} {P2} S2 {P3} {P1} S1{P2},{P2} S2{P3} {P1}S1; S2{P3} Wesley. All rights reserved. 1-37

Aksiyomsal Anlamsal: Aksiyomlar(Axioms) Amntıksal öndenetimli döngü için bir girişim kuralı {P} while B do S end {Q} (I and B) S{I} {I} while B do S{I and (not B)} burada I döngü değişmezidir(loop invariant) (tümevarım hipotezi) Wesley. All rights reserved. 1-38

Aksiyomsal Anlamsal: Aksiyomlar(Axioms) Döngü değişkeninin karakteristikleri: I aşağıdaki koşulları sağlamalıdır: P => I -- ilk başta döngü değişmezi doğru olmalıdır. {I} B {I} -- Mantıksalın hesaplanması I yı değiştirmemelidir. {I and B} S {I} -- I döngü gövdesinin çalıştırılmasıyla değiştirilmez (I and (not B)) => Q -- Eğer I doğruysa ve B yanlış ise, anlamındadır Döngüğ sonlanır. Wesley. All rights reserved. 1-39

Döngü Değişmezi(Loop Invariant) I döngü değişkeni döngü postcondition nın zayıflatılmış versiyonudur.ve ayrıca bir ön koşuldur. I döngü başlamadan öncede doğru olacak şekilde yeteri kadar zayıf olmalıdır, fakat döngü sonlanma şartı ile birleştirildiğinde post condition ı doğrulayacak kadar da kuvvetli olmalıdır. Wesley. All rights reserved. 1-40

Aksiyomsal Anlamsal ların hesaplanması Dildeki tüm ifadeler için aksiyonlar ve girişim kuralları tanımlamak zordur. Doğruluk kontrolü için iyi bir araçtır ve programlardan sonuç çıkarmada kullanılır.kafat dil kullanıcılarıo ve derleyici tasarımcıları için iyi değildir. Bir programlama dilinin anlamını anlamadaki kullanılışlığı dil kullanıcıları ve derleyici tasarımcıları için iyi değildir. Wesley. All rights reserved. 1-41

Gösterimsel Anlamsallar (Denotational Semantics) Özyinelemeli fonksiyon temellidir. En soyut anlamsal tanımlama metodudur. Scott and Strachey (1970) tarafından geliştirilmiştir. Wesley. All rights reserved. 1-42

Gösterimsel Anlamsallar Bir dil için gösterimsel anlamsalların üretilmesi sürecinde her dil varlığı için bir matematiksel nesne tanımlanır. Dilin varlıklarının uygun gelen matematiksel nesne örneklerine eşleyen bir fonksiyon tanımlanır. Dil yapılarının anlamı sadece program değişkenlerinin değerleri ile tanımlanır. Wesley. All rights reserved. 1-43

Gösterimsel Anlamsallar -İşlemsel Anlamsallarda İşlemsel anlamsallarda,durum değişiklikleri kodlarla tanımlanır Gösterimsel anlamsallarda, durum değişiklikleri katı matematiksel fonksiyonlar ile tanımlanır. Wesley. All rights reserved. 1-44

Gösterimsel Anlamsallar: Program Durumu Bir programın durumu mevcut durumdaki tüm değişkenlerinin değerleridir. s = {<i 1, v 1 >, <i 2, v 2 >,, <i n, v n >} VARMAP bir fonksiyon olsun, bir değişken ismi ve durum verildiğinde değişkenin mevcut durumdaki değerini versin. VARMAP(i j, s) = v j Wesley. All rights reserved. 1-45

Ondalık Sayılar <dec_num> 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 <dec_num> (0 1 2 3 4 5 6 7 8 9) M dec ('0') = 0, M dec ('1') = 1,, M dec ('9') = 9 M dec (<dec_num> '0') = 10 * M dec (<dec_num>) M dec (<dec_num> '1 ) = 10 * M dec (<dec_num>) + 1 M dec (<dec_num> '9') = 10 * M dec (<dec_num>) + 9 Wesley. All rights reserved. 1-46

Deyimler(Expressions) Deyimleri Z {error} üzerine eşler Deyimlerin ondalık sayılar, değişkenler, ya da ikili deyimler olduğunu varsayıyoruz. Wesley. All rights reserved. 1-47

3.5 Anlamsallar M e (<expr>, s) = case <expr> of <dec_num> => M dec (<dec_num>, s) <var> => if VARMAP(<var>, s) == undef then error else VARMAP(<var>, s) <binary_expr> => if (M e (<binary_expr>.<left_expr>, s) == undef OR M e (<binary_expr>.<right_expr>, s) = undef) then error else if (<binary_expr>.<operator> == + then M e (<binary_expr>.<left_expr>, s) + M e (<binary_expr>.<right_expr>, s) else M e (<binary_expr>.<left_expr>, s) * M e (<binary_expr>.<right_expr>, s) iki işlenene(operand) ve bir işleçe(operator) sahip deyim yazılmıştır. Wesley. All rights reserved. 1-48

Atama İfadeleri(Assignment Statements) Durum kümesini başka durum kümesine eşler Ma(x := E, s) = if Me(E, s) == error then error else s = {<i 1,v 1 >,<i 2,v 2 >,...,<i n,v n >}, where for j = 1, 2,..., n, v j = VARMAP(i j, s) if i j <> x = Me(E, s) if i j == x Wesley. All rights reserved. 1-49

Mantıksal Önkoşullu döngüler Durum kümesini durum kümesine eşler M l (while B do L, s) = if M b (B, s) == undef then error else if M b (B, s) == false then s else if M sl (L, s) == error then error else M l (while B do L, M sl (L, s)) Wesley. All rights reserved. 1-50

Döngü Anlamı(Loop Meaning) Döngünün anlamı; program değişkenlerinin, döngü içindeki ifadeler belirlenen sayıda işlendikten sonraki değerleridir. Öz olarak, döngü iterasyondan özyinelemeye dönüştürülür, burada özyinelemi kontrol başka bir özyinelemli durum eşleme fonksiyonu ile tanımlanır. özyineleme(recursion), iterasyona göre matematiksel olarak daha kolay tanımlanır. Wesley. All rights reserved. 1-51

Gösterimsel anlamsalların hesaplanması Programların doğruluk kanıtında kullanılabilir Programlar hakkında özenli düşünebilmemizi sağlar. Dil tasarımına yardımcı olabilir. Derleyici üretim sistemelrine yardımcı olabilir. Dil kullanıcıları tarafından, karmaşıklığı olduğu için, az kullanılır. Wesley. All rights reserved. 1-52

Özet BNF ve serbest içerik gramerleri(contextfree grammars) eş meta dillerdir. Programlama dillerinin söz dizimini tanımlamada kullanılırlar. Bir özellik grameri(attribute grammar) hem sözdizimi hemde anlamsal tanımlama yapabilir. Anlamsal tanımlamada üç temel yöntem vardır. İşlemsel(Operation),aksiyomatik( axiomatic), gösterimsel(denotational) Wesley. All rights reserved. 1-53