Семантика в программировании

Семантика языков программирования

Представим построение денотационной семантики важнейших функций языка программирования SML .

Напомним, что история развития теории и практики семантического анализа языков программирования была рассмотрена во вступительной лекции.

Прежде всего, рассмотрим неформальную семантику языков программирования.

Для построения адекватной и удобной в использовании семантики необходимо, прежде всего, определить критерии, характеризующие «хороший» язык программирования .

Попытаемся сформулировать обобщенные требования, предъявляемые к описанию языков программирования.

Во-первых, необходимо потребовать от языка программирования соблюдения принципа полноты , т.е. оснастить его таким набором конструкций, который позволяет описать синтаксис (и семантику ) всех допустимых конструкций языка без пропусков существенных аспектов.

Во-вторых, язык программирования должен удовлетворять интуитивному требованию ясности , а именно, объективно обеспечивать удобочитаемость программ, а также легкость и результативность поиска ответов на вопросы, возникающие в процессе разработки программных проектов.

Немаловажной характеристикой языка программирования является естественность , под которой мы будем понимать интуитивную близость языка терминологии разработчика, а также использование унифицированных, стандартных, привычных обозначений.

Наконец, необходимо учитывать и такой важный параметр , как реализм , который понимается как учет естественных ограничений на среду реализации языка программирования, а именно, объем оперативной памяти , время реакции и целый ряд других существенных факторов.

После обсуждения концептуально важных требований к языкам программирования в целом перейдем к неформальному обсуждению семантического подхода, способного обеспечить реализацию этих требований.

Прежде всего, расширим представление о семантике языка программирования (или формальной теории) хотя и предварительным, но более конкретным определением этого понятия.

Семантикой будем называть интерпретацию (или, иначе, смысловое значение) абстрактного синтаксиса (а точнее, множества допустимых видов конструкций языка), представленное в терминах той или иной математически строгой формальной модели .

Оказывается, все многообразие возможных подходов к семантике можно в основном представить всего двумя типами семантик , а именно, семантиками, ориентированными на компиляцию , и семантиками, ориентированными на интерпретацию .

В дальнейшем под подходами к семантике, ориентированными на компиляцию , будем понимать такие подходы, в которых семантика представляет собой множество преобразований над синтаксической моделью в той или иной форме.

В отличие от предыдущего подхода, под подходами к семантике, ориентированными на интерпретацию , будем понимать такие подходы, в которых семантика представляет собой множество описанных на специально построенном метаязыке преобразований синтаксически правильных конструкций языка программирования.

Сразу отметим, что целям нашего курса в большей степени соответствует второй подход, как более универсальный в силу того обстоятельства, что в нем используется метатеория , т.е. формализация, моделирующая преобразования текста программ.

Выделим основные направления, существующие в рамках подхода к семантике, ориентированного на интерпретацию , и свяжем их с рассмотренными нами в ходе лекции направлениями исследований.

Оказывается, существует три основных вида семантик, ориентированных на интерпретацию .

Во-первых, необходимо упомянуть об операционных семантиках . Значение конструкций языка в таких семантиках выражается в терминах переходов той или иной абстрактной машины из одного состояния в другое. В качестве показательных примеров абстрактных машин можно привести, в частности, так называемую SECD-машину П. Лендина , а также категориальную абстрактную машину . Обе формализации будут рассмотрены подробнее в ходе дальнейших лекций.

Другим типом семантик, ориентированных на интерпретацию , являются так называемые пропозиционные семантики . В отличие от операционных семантик , значение конструкций языка в таких семантиках выражается в терминах множества формул, описывающих состояния объектов программы. В качестве примеров можно привести, в частности, аксиоматический метод Хоара и метод индуктивных утверждений Флойда.

Наконец, наиболее значимым для нас типом семантик, ориентированных на интерпретацию , являются денотационные семантики , в которых смысл конструкций языка представляется в терминах абстракции функций, оперирующих состояниями программы. В частности, данный подход иллюстрирует теория вычислений Д. Скотта , основанная на семантических доменах , которую мы и предлагаем вниманию читателя.

Напомним, что теория вычислений Д. Скотта была создана до появления большинства современных языков программирования, а именно в конце 60-х годов.

Существенно, что именно эта теория (в отличие от, скажем, классической логики и ряда других формальных систем) позволяет произвести адекватную (а именно, полную и непротиворечивую) формализацию семантики языков программирования.

Теория вычислений Д. Скотта основана на фундаментальном понятии домена , который будем пока неформально понимать как некоторый аналог множества , впрочем, в отличие от традиционных множеств , адекватно формализующий рекурсивно (т.е. на основе самоприменения) определенные функции и множества .

Сформулируем последовательность изложения теории вычислений Д. Скотта .

Для построения теории вычислений необходимо, во-первых, перечислить так называемые стандартные, или, точнее, наиболее часто используемые в рамках данной формализации, домены .

После перечисления стандартных доменов необходимо определить так называемые конечные домены , или, точнее, домены , элементы которых можно перечислить явным образом.

Наконец, после перечисления доменов перейдем к определению конструкторов доменов , под которыми понимаются операции построения новых доменов на основе имеющихся. Иначе говоря, определим способы комбинирования доменов .

Семантика (программирование)

Сема́нтика в программировании — дисциплина, изучающая формализации значений конструкций языков программирования посредством построения их формальных математических моделей. В качестве инструментов построения таких моделей могут использоваться различные средства, например, математическая логика, λ-исчисление, теория множеств, теория категорий, теория моделей, универсальная алгебра. Формализация семантики языка программирования может использоваться как для описания языка, определения свойств языка, так и для целей формальной верификации программ на этом языке программирования.

Подходы

Операционная семантика (англ. operational semantics ) используется для синтаксических понятий языка. В ней функции рассматриваются как текстуальные правильно построенные определения, обеспечивающие применение к аргументу, а не как функции в математическом понимании этого термина.
Существует классификация различных видов операционной семантики:
Интерпретационная семантика — описание операционной семантики конструкций в терминах языков программирования низкого уровня (язык ассемблера, машинный код). Этот способ позволяет выявлять медленно выполняемые участки программы, и зачастую используется в соответствующих фрагментах систем программирования в целях оптимизации кода программ.
Трансляционная семантика — описание операционной семантики конструкций в терминах языков программирования высокого уровня. С помощью этого способа можно изучать язык, схожий с уже известным программисту.
Трансформационная семантика — описание операционной семантики конструкций языка в терминах этого же языка. Трансформационная семантика является основой метапрограммирования.

Читать еще: Задача нелинейного программирования онлайн

См. также

Литература

Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Семантика (программирование)» в других словарях:

Семантика вычислений — Семантика вычислений это определение процесса вычисления в виде последовательности правил перезаписи, которое вместе с представлением о сходимости впервые были использованы в контексте исчисления. Сходимость важна также в системах… … Википедия

Семантика (значения) — Семантика (от др. греч. σημαντικός обозначающий): В Викисловаре есть статья « … Википедия

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ — математическая дисциплина, изучающая математич. абстракции программ, трактуемых как объекты, выраженные на формальном языке, обладающие определенной информационной и логич. структурой и подлежащие исполнению на автоматич. устройствах. П. т.… … Математическая энциклопедия

Нейро-лингвистическое программирование — Нейролингвистическое программирование (НЛП) (англ. Neuro linguistic programming) (также встречается вариант «нейро лингвистическое программирование») комплекс моделей, техник и операционных принципов (контекстуально зависимых убеждений),… … Википедия

Доказательное программирование — использовавшаяся в 1980 х годах в академических кругах технология разработки программ для ЭВМ с доказательствами правильности доказательствами отсутствия ошибок в программах (понимая, в рамках данной теории, ошибки как несоответствия между… … Википедия

Нейролингвистическое программирование — Запрос «НЛП» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Не следует путать с нейролингвистикой. Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки … Википедия

Общая семантика — Для термина «Семантика» см. другие значения. Общая семантика (англ. General Semantics, фр. sémantique от греч. σημαντικός обозначающий) эмпирическая дисциплина, представляющая собой систематическую методологию по… … Википедия

Присваивание (программирование) — Содержание 1 Определение присваивания 1.1 Алгоритм работы оператора присваивания … Википедия

Присвоение (программирование) — Содержание 1 Определение присваивания 1.1 Алгоритм работы оператора присваивания … Википедия

Нейролингвистическое программирование: Библиография — Одна из статей на тему Нейролингвистическое программирование (НЛП) Основные статьи НЛП · Принципы · НЛП психотерапия · История Новый код · НЛП и наука · Библиография · Словарь Принципы и методы Моделирование · Метамодель · Милтон модель Позиции… … Википедия

Синтаксис и семантика языка программирования

Любой язык, в том числе и язык программирования, подчиняется ряду правил. Их принято разделять на правила, определяющие синтаксис языка, и правила, определяющие его семантику.

Синтаксис языка — совокупность правил, определяющих допустимые конструкции (слова, предложения) языка, его форму.

Семантика языка — совокупность правил, определяющих смысл синтаксически корректных конструкций языка, его содержание.

Языки программирования относятся к группе формальных языков, для которых в отличие от естественных языков однозначно определены синтаксис и семантика. Описание синтаксиса языка включает определение алфавита и правил построения различных конструкций языка из символов алфавита и более простых конструкций. Для этого обычно используют форму Бэкуса-Наура (БНФ) или синтаксические диаграммы. Описание конструкции в БНФ состоит из символов алфавита языка, названий более простых конструкций и двух специальных знаков:

· «::=»— читается как «может быть заменено на»,

· «|» — читается как «или».

При этом символы алфавита языка, которые часто называют терминальными символами или терминалами, записывают в неизменном виде. Названия конструкций языка (нетерминальные символы или нетерминалы), определяемых через некоторые другие символы, при записи заключают в угловые скобки (« »).

Пример БНФ

Правила построения конструкции , записанные в

БНФ, могут выглядеть следующим образом:

::= 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9

Для отображения того, что конструкция может включать неограниченное количество цифр, использовано правило с левосторонней рекурсией. Многократное применение этого правила позволяет построить целое число с любым количеством цифр.

Синтаксические диаграммы отображают правила построения конструкций в более наглядной форме. На такой диаграмме символы алфавита изображают блоками в овальных рамках, названия конструкций – в прямоугольных, а правила построения конструкций — в виде линий со стрелками на концах. При этом, если линия входит в блок, то в описываемую конструкцию должен входить соответствующий символ. Разветвление линии означает, что при построении конструкции возможны варианты. На рис. 2.1 представлена синтаксическая диаграмма, иллюстрирующая первые два правила описания конструкции . Из диаграммы видно, что целое число может быть записано со знаком или без и включать произвольное количество цифр.

Для описания синтаксических конструкций своего языка Н. Вирт использовал именно синтаксические диаграммы, поэтому в тех случаях, когда словесное описание синтаксиса конструкции длинно и нечетко, мы будем использовать синтаксические диаграммы.

Алфавит языка программирования Borland Pascal 7.0 включает:

1. строчные, прописные буквы латинского алфавита (a..z, A..Z) и знак подчеркивания ( _ ), который также во многих случаях считается буквой (строчные и прописные буквы не различаются);

3. специальные знаки, состоящие из одного и двух символов:

4. служебные слова (эти сочетания считаются единым целым и их нельзя использовать в программе в другом качестве): (примеры)

Из символов алфавита в соответствии с правилами синтаксиса строят различные конструкции. Простейшей из них является конструкция .

Эта конструкция используется во многих более сложных конструкциях для обозначения имен программных объектов (полей данных, процедур, функций и т. п.).

Читать еще: Используемые средства программирования

В Borland Pascal идентификатор представляет собой последовательность букв латинского алфавита (включая символ подчеркивания) и цифр, которая обязательно начинается с буквы.

Синтаксическая диаграмма идентификатора приведена на рис. 2.2. Остальные конструкции будут рассмотрены в последующих разделах. Семантику языка программирования закладывают в его компилятор. Таким образом, синтаксически корректная программа, написанная на языке программирования, после преобразования ее в последовательность машинных команд обеспечит выполнение компьютером требуемых операций.

Структура программы

Программа на Borland Pascal состоит из трех частей: заголовка, раздела описаний и раздела операторов.

Заголовок программы не является обязательным, он состоит из служебного слова program и идентификатора — имени программы.
Раздел описаний содержит описания всех используемых программой ресурсов (полей данных, подпрограмм и т.д.).
Раздел операторов заключается в, так называемые, операторные скобки begin . end и заканчивается точкой. Между операторными скобками записывают управляющие операторы программы, которые разделяют специальным знаком – точкой с запятой «;». Если точка с запятой стоит перед end, то считается, что после точки с запятой стоит «пустой» оператор.
В тексте программы возможны комментарии, которые помещают в фигурные скобки.

Пример программа, которая реализует алгоритм Евклида для определения наибольшего общего делителя двух натуральных чисел.

Write (‘Введите два натуральных числа:’);

if a>b then a:=a-b <если a>b, тогда a:=a-b>

Writeln(‘Hauбoльшuй общий делитель равен ’,a);

Программа названа «example». Раздел описаний в данном случае включает только описание переменных (см. параграф 2.3). Раздел операторов содержит операторы ввода исходных данных, вычислений и вывода результатов. Начнем рассмотрение особенностей программирования на языке Borland Pascal с проблемы описания данных.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Семантика — язык — программирование

Семантика языка программирования — это смысл, который закладывается в каждую конструкцию языка. Семантический анализ — это проверка смысловой правильности конструкции. Например, если в выражении используется переменная, то она должна быть определена ранее по тексту программы, а из этого определения может быть получен ее тип. Исходя из типа переменной, можно говорит о допустимости операции с данной переменной. [1]

Изучение семантики языка программирования в своей основе связано с приписыванием значений компонентам программ. В общем случае значение каждой такой компоненты определяется как ее контекстом в данной программе, так и некоторым фиксированным способом ее означивания с помощью этой программы. Этот вопрос предполагает, что имеется соответствие, частично определяемое множеством процедур Р, между предикатными символами и некоторыми другими объектами, являющимися их значениями. Что же можно использовать в качестве таких объектов. Для вычислительной семантики очевидным выбором являются эффективно вычислимые отношения. Они разработали три различных вида семантики, в каждом из которых в качестве денотата предикатного символа определяется некоторое вычислимое отношение, и установили соотношения между ними. Если рассматривать опровержение как вычисление и заметить, что для порождения этих вычислений имеются такие системы вывода, как резолюция, то термин операционная семантика становится оправданным. Это определение операционной семантики аналогично традиционному способу задания семантик обычных языков программирования — а именно, посредством определения механизма исполнения ( как правило, на некоторой абстрактной машине) и объяснения затем значения программы, исходя из того, что вычисляется в результате применения к программе данного механизма. [2]

Синтаксис и семантика языка программирования должны соответствовать прикладной области. Отсутствие такого соответствия в универсальных языках требует дополнительных программных действий. [3]

Синтаксис и семантика языка программирования хранятся в такой системе в виде аксиом на языке исчисления предикатов. Система построения доказательств определяет выделенные пути в исследуемой программе и затем использует саму программу, утверждения и аксиомы для генерации условий верификации. Затем она использует правила вывода исчисления предикатов в сочетании с дедуктивными и эвристическими принципами рассуждения, пытаясь доказать каждое условие верификации. [4]

Способ описания семантики языков программирования посредством задания для каждой элементарной конструкции языка предусловий и аксиом, определяющих соответственно условия, необходимые для се применения, и условия, которые становятся истинными после ее применения. [5]

Формальным определением семантики языка программирования является языковой процессор. Языковой процессор — это программа или техническое устройство, выполняющие трансляцию или интерпретацию. [6]

Попытка единообразного систематического изложения семантики языков программирования вызвала немало трудностей, в частности терминологического характера. [7]

Единого общепринятого формального метода описания семантики языков программирования на сегодняшний день не существует. Описание языка обычно состоит из формального описания синтаксиса и неформального описания семантики языка. [8]

В доказательстве правильности программ и аксиоматической семантике языков программирования — логическое выражение, которое должно быть истинно после выполнения некоторого действия, если перед выполнением этого действия было истинно соответствующее предусловие. [9]

И наконец, должна быть определена семантика языка программирования . Семантика языка программирования — это набор правил, по которым исполнитель выполняет программы на этом языке. Пользуясь семантикой языка, можно однозначно определить результат выполнения программы с заданными входными данными. Более подробно с синтаксисом и семантикой мы будем знакомиться на примере конкретных языков программирования. [11]

Чтобы сформулировать условия верификации, необходимо аксиоматическое описание семантики языка программирования . Гипотетический язык, на котором написана изображенная на рис. 17.2 программа, сводится к операторам двух типов ( присваивание и принятие решения), так что нужно описать, как должны изменяться утверждения при рассмотрении этих операторов. Эти аксиомы должны отвечать на такой вопрос: если некоторое утверждение истинно после оператора программы, какое утверждение должно быть истинным перед оператором. Другими словами, вы отменяете присваивание, заменяя в утверждении все вхождения переменной, указанной слева от знака присваивания, выражением справа. [14]

Читать еще: Решение задач нелинейного программирования онлайн

Основные области, охватываемые теорией программирования, связаны с семантикой языков программирования ( S. [15]

Понятие семантики в информатике

Понятие семантики в информатике — это формализация значений структур программных языков через их формальные математические модели.

Введение

Термин семантика происходит из языка Древней Греции, где sēmantikos означало «значительный». В современный обиход его ввёл французский учёный Мишель Бреаль.

Под семантикой понимается наука, изучающая смысловое значение слов (семантика лексики) и предложений, то есть семантические текстовые структуры и фразы.

Семантика сродни таким дисциплинам, как семиология, основы логики и другие. Комплект терминов, который имеет общий фактор семантики, является семантическим полем. Семантика, как наука, занимается изучением лингвистических и философских смыслов языков, в том числе языков программирования. Она взаимосвязана со словами, фразами, символикой и всем тем, что они обозначают. Задачами трактовки языкового смысла обычно относились к сферам психологии, а не лингвистики. Но именно лингвистика занимается изучением трактовки различной символики и знаков, применяемых в разных общественных сферах при конкретных условиях и контексте. В письменности такие параметры как пунктуация, абзацы и общая структура, обладают семантическим содержанием. Формализованное представление анализа семантики тесно взаимосвязано с некоторыми другими научными сферами, такими как лексикология, синтаксис, прагматика, этимология и тому подобными.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Понятие семантики в информатике

Семантические основы программных и других языков считаются одной из важнейших задач и сферой деятельности информатики. Информатика сформировала разные методы, описывающие с формальной стороны языки программирования, которые базируются на математической логике. Под семантикой в программировании понимается направление, которое изучает формальные значения структурных построений языков программирования при помощи выстраивания их формализованных математических моделей. Инструментом создания этих моделей служат математическая логика и другие разделы математики. Формальное описание семантики языка программирования возможно применять как для создания инструкций по применению языка, его свойствах, так и для формальной проверки правильности написания программ на данном программном языке. Под семантикой языка понимается смысл, который несут слова этого языка. Применительно к программированию это изначальный смысловой посыл операторов, базовых языковых конструкций и тому подобное. Например:

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Рисунок 1. Пример. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

С логической точки зрения эти программные коды выполняют одинаковые действия и итоги их работы аналогичны. Но одновременно следует отметить, что по семантике это пара различных циклов. И ещё пример тегов:

Рисунок 2. Пример. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Их запись смотрится абсолютно схожей, а по семантике значение первого тега — это письмо курсивом, а второй означает логическое выделение.

Операционная семантика применяется для синтаксических терминов языка. Она изучает текстовую правильность определения функций, которые обеспечивают применение к аргументу, а не в математической трактовке понимания термина функции. Можно выделить следующие типы операционной семантики:

Семантика аксиоматическая. Семантику всех синтаксических языковых построений возможно представить как некоторый комплект аксиом или законов вывода, который применяется, чтобы вывести итоги работы таких построений. Для понимания смысла написанной программы, эти законы вывода и аксиомы нужно применять точно так, как при попытках доказать стандартные математические теоремы. Если предположить, что параметры входных переменных связаны определёнными ограничениями, то аксиомы и законы вывода, возможно использовать, чтобы получить ограничения на величины других переменных после окончания действия программного оператора. После выполнения программы, можно получить доказательства правильности итоговых результатов и того, что они входят в диапазон заявленных ограничений на них по отношению к входным данным. Другими словами, подтверждено, что выходные параметры являются значениями требуемой функции, которые определены исходя из значений входных параметров.

Семантика денотации. Она находит соответствие между выражениями в программе и действительными математическими объектами. Это означает, что выражения являются обозначением математических объектов. Очень важные, можно сказать пионерские итоги формирования денотационных семантик сделаны в публикациях Д. Скотта и К. Страчей в начале семидесятых годов прошлого века. Скотт впервые выстроил модель λ-исчисления, которая основана на представлениях об общем отчасти упорядоченном множестве. Чтобы реализовать такую модель, он применил функции, которые являются непрерывными на этом множестве.

Семантика интерпретаций. Это выражение операционной семантики конструкций в обозначениях языков программирования низкого уровня (вплоть до машинных кодов). Эта методика даёт возможность определять фрагменты программы, которые исполняются замедленно, и часто применяются в требуемых участках программных систем, чтобы оптимизировать программный код.

Семантика трансляций. Это выражение операционной семантики конструкций в обозначениях программных языков высокого уровня. Эта методика позволяет осуществлять изучение языка, на основании уже известных программисту и похожих языков.

Семантика трансформации. Это выражение операционной семантики языковых конструкций в обозначениях самого этого языка. Этот тип семантики выступает главной составляющей метапрограммирования.

Сегодняшние исследования в области семантики направлены главным образом на выстраивание систем, позволяющих доказать корректность и оптимальность работы создаваемых программных продуктов.

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь