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1 Semântica de Linguagens de Programação Centro de Informática, UFPE Luis Carlos...
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Semântica de Linguagens de Programação
Centro de Informática, UFPE
Luis Carlos ([email protected])Hermano Moura ([email protected])
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Objetivo
Introduzir conceitos de semântica formal de linguagens
de programação
program simples =var x : int := 3
inx := x + 5
end.
=
Motivação: Qual o significado do seguinte programa?
?
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Motivação estudo de linguagens de programação
requer que possamos descrever linguagens de programação de forma precisa e de fácil compreensão
Utilização de descrições informais: Frases de significado duvidoso Geração de manuais imprecisos Não existe técnicas que auxiliem a
implementação (erros de codificação) Solução: Utilização de métodos formais
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Métodos Formais Técnica utilizada para desenvolvimento
de sistema Utiliza notações bem-definidas
Significado descrito matematicamente Evita a existência de ambigüidades Permite a utilização de técnicas de
verificação de erros e implementação automática
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Aplicações em Linguagens de Programação
Interface entre projetistas, implementadores e usuários
Projetista: Define precisamente a linguagem desejada Permite a identificação precoce de erros
Implementador: Possibilita a utilização de geradores (semi-)automáticos Dificulta o aparecimento de erros
Usuários: Produção de bons manuais da linguagem
projeto
compiladoresmanuais,livros
protótipos
especificaçãoformal
Ciclo de vida de LPbaseado em especificaçõesformais
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Introdução características principais de uma lp:
sintaxe semântica pragmática
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Sintaxe Define a forma e estrutura de uma
linguagem Símbolos, palavras, frases e sentenças
(estruturas) Principal formalismo:
Gramáticas Livres de Contexto e Expressões Regulares
Notação mais utilizada: BNF (Backus-Naur Form)
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Gramáticas Livres de Contexto Estrutura principal:
Comando <-- [[ “if” Expressão “then” Comando “else”
Comando ]] Significado:
Um Comando da linguagem definida pode ser formado pela palavra chave “if” seguida de uma Expressão da linguagem, da palavra chave “then”, de um Comando da linguagem, da palavra chave “else”, e de um outro Comando da linguagem.
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Sintaxe Concreta x Sintaxe Abstrata Sintaxe concreta: Descreve a estrutura da
linguagem com todos os detalhes. Considera elementos “estéticos” como comentários, palavras
reservadas, precedência de operadores, e outros “açucares sintáticos”.
Utilizado para construir reconhecedores para programas.
Sintaxe abstrata: Descreve apenas os elementos relevantes da linguagem de programação.
Ignora comentários e outros elementos que não contribuem para a semântica do programa
Utilizada para representar programas internamente no compilador
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Ferramentas de Implementação Disponíveis ferramentas que geram
implementações eficientes: lex+yacc, javacc, etc.
O desenvolvedor não utiliza linguagens de uso geral para implementação da linguagem. Mais detalhes: Disciplina de compiladores
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Introdução características principais de uma lp:
sintaxe semântica pragmática
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Semântica Objetivo:
Descrever o significados das estruturas do programa expressos na sua sintaxe
Tipos de semântica Semântica estática: Descreve as
características de uma programa válido Semântica dinâmica: Descreve os
resultados da execução do programa
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Formalismos Utilizados Ao contrário da sintaxe, não existe
ainda um formalismo aceito globalmente para descrever a semântica da linguagem
Exemplos de formalismos: Semântica Operacional Estrutural,
Máquinas de Estado Abstratas, Semântica Denotacional, Semântica de Ações, Montages, etc.
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Abordagens para Descrição Semântica A especificação semântica de uma
linguagem pode:1 - Definir um mapeamento entre a sintaxe
do programa e seu significado. Ex.: Semântica Denotacional, Semântica de Ações, Semântica Algébrica, etc.
2 - Definir uma máquina que executa programas da linguagem. Ex.: Semântica Natural, Máquinas de Estado Abstratas.
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Exemplo da 1a. Abordagem
Semântica de [[ Exp1 “+” Exp2 ]] =Semântica de Exp1Semântica de Exp2Sum
A semântica traduz o programa em operadores de uma linguagem com significado conhecido
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Exemplo 2a. Abordagem
if (execute(x)=c1 and execute(y)= c2) then
execute (x “+” y) = (c1+c2)
A semântica define como executar um programa diretamente, sem traduzi-lo para uma outra notação intermediária.
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Semântica De Ações
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Semântica De Ações Formalismo para definição de
linguagens de programação. Define um mapeamento da sintaxe do
programa para o seu significado. Significado de programa é dado
através da notação de ações.
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Notação de Ações Biblioteca que descreve os principais
conceitos encontrados em linguagens de programação que foram estudados nesse curso (valores, bindings, memória, etc.)
Durante essa aula e a próxima estudaremos os operadores que implementam cada conceito estudado.
Operadores que manipulam os mesmos conceitos são agrupados em facetas.
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Definição de Ações Uma ação é uma entidade que pode ser
executada. Quando uma ação é executada ela pode:
Terminar com sucesso Terminar com um erro Gerar uma exceção (escape) Não-terminar (executar para sempre)
Durante a execução de uma ação ela produz e consome vários tipos de informação: (transientes, bindings, memória, etc.)
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Semântica de Ações - Faceta Básica
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Definição A faceta básica define operadores que
não manipulam nenhum tipo de informação apenas controlam o fluxo do programa
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Principais Operadores complete -- Executa com sucesso sem
produzir nenhuma informação. fail -- Produz uma falha na execução da
ação a and then b -- Executa as ações a e b
sequêncialmente a or b -- Executa uma das ações e se
esta falhar a outra ação será executada.
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Principais Operadores (cont.) unfolding a -- executa a ação a. unfold -- Desvia o fluxo da execução
para a última ação unfolding executada.
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Exemplos de Ações:
| complete |completeand then or| complete | fail
| complete unfoldingand then | | complete| fail | and then
| | unfold
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Exemplo de Descrições Comandos vazio Sintaxe:
Comando --> [[ “;” ]] Semântica:
execute _ :: Comando --> action. execute [[ “;” ]] = complete.
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Exemplo de Descrições Sequência de Comandos: Sintaxe:
Comando --> [[ Comando Comando ]] Semântica:
execute _ :: Comando --> action. execute [[ c1 c2 ]] =
| execute c1
and then| execute c2.
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Semântica de Ações - Faceta Funcional
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Definição A faceta funcional define ações que
manipulam valores temporários (transitórios) produzidos pela execução de um programa.
Utilização principal: Modelagem da avaliação de expressões em um programa.
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Principais Operadores Funcionais give e -- produz o valor resultante da
avaliação da expressão e. x then y -- Executa as ações x e y
seqüencialmente, os valores transitórios produzidos por x serão repassados para a ação y.
the given t # n -- Expressão (produtor) que recupera o n-ésimo valor passado para essa ação e verifica se este é do tipo t.
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Exemplos de Ações
give 10
| give 20then| give sum(2,the given integer#1)
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Exemplos de Ações(cont.)
| | give 1| and then| | give 2then| give product(the given integer#1, | the given integer # 2)
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Exemplo de Descrição Linguagens de Expressões
1 + 2 4 5 * 2
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Exemplo de descrição Constantes Numéricas. Sintaxe:
Expressão <-- [[ Integer ]]. Semântica:
avalie _ :: Expressão --> action.avalie [[ x : Integer ]] = give valuation of
x.
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Exemplo de descrição Soma de Expressões. Sintaxe:
Expressão <-- [[ Expressão “+” Expressão ]]. Semântica:
avalie _ :: Expressão --> action.avalie [[ x “+” y ]] = |avalie x and then avalie y then | give sum(the given integer#1, the given
integer#2).
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Utilização Qual a semântica de: 1 + 2
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Utilização Qual a semântica de “1 + 2” ?1o Passo: Analise Sintática:
1 + 2 ==> [[ [[ “1” ]] “+” [[ “2” ]] ]]
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Utilização Qual a semântica de “1 + 2” ?2o Passo: Executar Função Semântica:
avalie [[ [[ “1” ]] “+” [[ “2” ]] ]]
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Utilização Qual a semântica de “1 + 2” ?2o Passo: Executar Função Semântica:
| | avalie [[ “1” ]]
| and then | | avalie [[ “2” ]]
then| give sum| (the given integer#1, the given integer # 2)
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Utilização Qual a semântica de “1 + 2” ?2o Passo: Executar Função Semântica:
| | give valuation of “1”
| and then | | give valuation of “2”
then| give sum| (the given integer#1, the given integer # 2)
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Utilização Qual a semântica de “1 + 2” ?2o Passo: Executar Função Semântica:
| | give 1
| and then | | give 2
then| give sum| (the given integer#1, the given integer # 2)
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Semântica de Ações: Faceta Declarativa
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Definição A faceta declarativa define ações que
controlam os bindings de um programa (mapeamento de identificadores e seus significados)
Utilização em LP: Modelagem de Declarações em um programa.
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Principais Operadores Declarativos bind n to b -- Associa o identificador “n” ao
significado “b”. a hence b -- Executa as ações “a” e “b”
seqüencialmente, os bindings produzidos pela ação “a” serão repassados para a ação “b”
the t bound to n -- Produtor que recupera o valor associado ao identificador “n” e testa se ele é do tipo “t”
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Exemplos de Ações
bind “x” to 10
| | bind “x” to 20| and then| | bind “y” to 1hence| give sum(the value bound to “x”, | the value bound to “y”)
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Outros Operadores Declarativos furthermore a -- Executa a ação “a” e produz a
união entre os bindings recebidos pela ação os produzidos por “a”.
x moreover y -- Executa as ações “x” e “y” sendo que os bindings produzidos por “y” tem prioridade aos bindings produzidos por “x”.
x before y -- Executa a ação “x”, os bindings produzidos pela ação “x” são adicionados aos recebidos pela ação combinada e fornecidos para a ação “y”.
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Exemplos:| bind “x” to 1 | bind “x” to 2moreover before| bind “x” to 2 | bind “y” to the
| integer bound to “x”
| bind “x” to 1hence| furthermore bind “y” to 2
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Exemplo de Descrição Linguagens com declarações:
let x = 1 in x + 2 let x = 1 in let y = 3 in x * y + 1
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Exemplo de descrição Declaração de Constantes. Sintaxe:
Expressão <--[[ “let” Identifier “=“ Expressão “in” Expressão ]].
Semântica:avalie _ :: Expressão --> action.elabore [[ “let” i “=“ x “in” y ]] = | furthermore | | avalie x then bind token of i to the given value hence | avalie y.
52
Exemplo de descrição Expressões de Constantes. Sintaxe:
Expressão<--[[ Identifier ]]. Semântica:
avalie _ :: Expressão --> action.avalie [[i : Identifier]] = give the value bound “i”.
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Semântica de Ações:Faceta Imperativa
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Definição A faceta imperativa define ações que
manipulam a memória do programa Utilizada principalmente na
declaração de variáveis
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Principais Ações allocate a cell -- reserva uma posição de
memória livre e retorna o valor alocado como valor transitório
deallocate c -- libera a posição de memória “c”
store x in c -- armazena o valor “x” na célula de memória “c”.
the t stored in c -- Expressão que recupera o valor armazenado na posição de memória c.
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Exemplos de Ações
| allocate a cellthen| | store 10 in the given cell| and then| | store 20 in the given cell| and then| | give the integer stored in the given cell.
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Exemplo de Descrição Linguagem com declarações e
variáveis e comandos imperativos:int x;int y;x = 1;y = x + 1;
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Exemplo de Descrição Declaração de Variáveis Sintaxe:
Declaração <-- [[ “int” Identifier ]] . Semântica:
elabore _ :: Declaração --> action. elabore [[ “int” i ]] =
| allocate a cellthen| bind token of i to the given cell.
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Exemplo de Descrição Comando de Atribuição Sintaxe:
Comando <-- [[ Identifier “=” Expressão]] . Semântica:
execute _ :: comando --> action. execute [[ c “=” e ]] =
| avalie ethen| store the given value in the cell bound to token to c.
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Exemplo de Descrição Comandos com declarações locais de
variáveis Sintaxe:
Comando <-- [[ Declaração Comando ]] . Semântica:
execute _ :: Comando --> action. execute [[ d:Declaração c:Comando ]] =
| furthermore elaborate dhence| execute c.
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Exemplo de Descrição Comando While Sintaxe:
Comando <-- [[ “while” Expressão “do” Commando “endwhile” ]] Semântica:
execute [[ “while” e “do” c “endwhile” ]] = unfolding| | avalie e| then| | | check the given value is true and then | | | execute c and then unfold| | or| | | check the given value is false.
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Notação de Ações:Faceta Reflexiva
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Descrição A Faceta Reflexiva define operadores
capazes de encapsular ações na forma de abstrações.
Utilizada principalmente na modelagem de procedimentos e funções.
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Principais Operadores abstraction of a -- Expressão que retorna uma
abstração que incorpora a computação definida por “a” enact e -- Avalia a expressão “e” e se ela retornar uma
abstração executa-a. Caso contrário gera uma mensagem de erro.
closure a -- modifica a abstração “a” de forma a incorporar os bindings correntes durante a avaliação de “a”.
application of a to v -- define uma abstração semelhante a abstração “a” mas que quando for executada receberá “v” como valores transitórios.
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Exemplos| give abstraction of | | bind “a” to 5| | give 10 | hencethen | | give closure abstraction of | enact the given abstraction. | | | give the integer bound to
“a”then
| give abstraction of | enact the given abstraction| | give the given integerthen| enact application the given| abstraction to 5
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Exemplos de Descrição Declaração de Procedimentos Sintaxe:
Declaração <-- [[ “proc” Identifier “is” Commando “end” ]].
Semântica: elabore [[ “proc” i “is” c “end” ]] =
bind token of i to closure abstraction of| execute c.
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Exemplos de Descrição Chamada a procedimento Sintaxe:
Comando <-- [[ Identifier “()” ]] . Semântica:
execute [[ i “()” ]] =enact the abstraction bound to i.
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Pratica
69
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