Описание синтаксиса языков программирования

Материал из ПИЭ.Wiki

Перейти к: навигация, поиск

При описании известных языков программирования используются следующие нотации:

  • Форма Бэкуса-Наура (БНФ);
  • Синтаксические диаграммы;
  • Расширенная форма Бэкуса-Наура;
  • Описания синтаксиса языков семейства Си;
  • Описания синтаксиса языка Ада;
  • Определение синтаксиса Кобола и ПЛ/1.

Содержание

Форма Бэкуса-Наура (БНФ)

Форма Бэкуса-Наура (БНФ) была впервые применена при описании Алгола-60. БНФ совпадает по сути с нотацией КС-грамматик, отличаясь лишь обозначениями. Предусмотрены следующие метасимволы:

<> — служат для выделения нетерминалов — понятий языка.
| — «или». Разделяет альтернативные правые части правил.
— «есть по определению». Заменяет стрелку, используемую при записи продукций КС-грамматик.

Терминальные символы записываются как есть, никаких специальных способов их выделения не предусмотрено. Вот пример определений на БНФ, взятый из спецификации Алгола-60 — «Модифицированного сообщения»:

<простое арифметическое выражение> ::=
<терм>  1 Окак операции типа сложения> <терм> |
<простое арифметическое выражение>
<знак операции типа сложения> <терм>
<знак операции типа сложения> ::= + | -

Как видим, для выражения повторений используется рекурсия, причем повсеместно — левая. БНФ использована Н. Виртом при описании языка Паскаль. Хотя в нотацию были добавлены метаскобки {и}, обозначающие повторение, применены они лишь в отдельных случаях, в то время как, например, грамматика выражений леворекурсивна.

Синтаксические диаграммы

Синтаксическая диаграмма — это направленный граф с одним входным ребром и одним выходным ребром и помеченными вершинами. Синтаксическая диаграмма задаёт Формальный язык. Цепочка пометок при вершинах на любом пути от входного ребра к выходному — это цепочка языка, задаваемого синтаксической диаграммой. Поэтому можно считать, что синтаксическая диаграмма - это одна из форм порождающей грамматики автоматных языков. Синтаксические диаграммы и конечные автоматы имеют тесную связь: любой автоматный язык задаётся синтаксической диаграммой и обратно, по любой синтаксической диаграмме можно построить конечный автомат(в общем случае недетерминированный), распознающий тот же язык, который задаёт диаграмма.

Построив по синтаксической диаграмме соответствующий распознающий конечный автомат, можно затем реализовать этот автомат либо аппаратно, либо программно.

Таким образом, синтаксические диаграммы могут служить не только для порождения, но и для распознавания автоматных языков. Диаграммы стали популярны после выхода книги К. Йенсен и Н. Вирта «Паскаль». Они использованы в первой ее части — «Руководстве» — компактном учебнике языка. На рис. 3.1 показана одна из имеющихся там диаграмм. Файл:Syntaxdiagg.png

Расширенная форма Бэкуса-Наура

Как уже говорилось, отсутствие в нотации формальных грамматик (и БНФ) средств явного задания повторений создает ряд трудностей. Во-первых, определения оказываются сложными для понимания, недостаточно наглядными из-за обилия рекурсий. Во-вторых, возникают проблемы с тем, что грамматики, дающие подходя- щие семантические деревья, оказываются леворекурсивными. При описании Модулы-2 и Оберона Н. Вирт использовал расширенную Бэкуса-Наура форму (РБНФ). Главные модификации касаются введения скобок { и} для повторений, а [ и ] — для обозначения необязательного вхождения цепочек терминалов и нетерминалов в правые части правил. Соглашения относительно обозначений терминалов и нетерминалов также изменены, что не столь принципиально. В дальнейшем мы будем пользоваться именно РБНФ. Вот как она определяется в спецификации Оберона-2: Варианты разделяются знаком |. Квадратные скобки [ и ] означают необязательность записанного внутри них выражения, а фигурные скобки { и } означают его повторение (возможно, 0 раз). Нетерминальные символы начинаются с заглавной буквы (например, Оператор). Терминальные символы или начинаются малой буквой (например, идент), или записываются целиком заглавными буквами (например, begin), или заключаются в кавычки (например, ":="). К этому следует добавить, что в роли знака «есть по определению» в РБНФ используется «=», а каждое правило заканчивается точкой. Вот так может быть определен синтаксис идентификатора (имени) с помощью РБНФ:

Имя = Буква  { Буква  |  Цифра }.

Являясь метаязыком, РБНФ должна быть пригодна для описания языков, имеющих практический интерес. В том числе с помощью РБНФ может быть определен и синтаксис самой РБНФ:

Синтаксис =  { Правило }.
Правило     = Имя "=" Выражение
Выражение = Вариант { "I" Вариант }.
Вариант      - Элемент { Элемент }.
Элемент     = Имя | Цепочка | "{" Выражение "}" |
"[" Выражение "]"  |   "{" Выражение "}".
Цепочка      = "'" { символ )  "'"   |   '"'{ символ } '"'.

В этих определениях не сделано различий между именами, обозначающими терминалы и нетерминалы, хотя сформулировать это на РБНФ было бы несложно. Различение имен вынесено за рамки синтаксиса и может быть специфицировано (и специфицируется) отдельно. Подобным же образом часто поступают при определении языков программирования.

Описания синтаксиса языков семейства Си

Си (англ. C) — стандартизированный процедурный язык программирования, разработанный в начале 1970-х годов сотрудниками Bell Labs Кеном Томпсоном и Денисом Ритчи как развитие языка Би. Си был создан для использования в операционной системе UNIX. С тех пор он был портирован на многие другие операционные системы и стал одним из самых используемых языков программирования. Си ценят за его эффективность; он является самым популярным языком для создания системного программного обеспечения. Его также часто используют для создания прикладных программ. Несмотря на то, что Си не разрабатывался для новичков, он активно используется для обучения программированию. В дальнейшем синтаксис языка Си стал основой для многих других языков. Для языка Си характерны лаконичность, современный набор конструкций управления потоком выполнения, структур данных и обширный набор операций.


В знаменитой книге Б. Кернигана и Д. Ритчи описание синтаксиса языка Си дано в нотации, которая эквивалентна БНФ, но использует другие соглашения об обозначениях терминалов и нетерминалов, альтернативных правых частей правил, необязательных конструкций. Нетерминалы записываются курсивом, терминалы — прямым шрифтом. Альтернативные части правил выписываются в столбик по одному в строке или помечаются словами «one of» (один из). Необязательные части сопровождаются подстрочным индексом «opt (от optional) — необязательный; «необ» — в некоторых русских пере- водах). Левая часть правила записывается отдельной строкой с отступом влево. Вот пример определений конструкций языка Си:

составной оператор
     {список описанийopt   список операторовopt   }
список операторов
     оператор
     оператор список операторов

Как видим, из-за отсутствия явного способа выражения повторений, определе- ния изобилуют рекурсией. Аналогичная нотация с минимальными изменениями использована для описа- ния синтаксиса языков-потомков Си: Си++, Ява, Си#. Вот выдержка из стандарта ЕСМА-334 на язык Си#:

block:
    {Statement-listopt}
 statement-list:
    statement
    statement-list statement

Специального названия эта нотация, судя по всему, не имеет. И представляется, как минимум, странной. Она неудобна не только для чтения, но и для обработки на компьютере. Ее использование при описании новых языков трудно объяснить чем-либо, кроме дурно понятой необходимости следовать традициям.

Особенности языка Си

  1. Имеет простую языковую базу, из которой вынесены в библиотеки многие существенные возможности, вроде математических функций или функций управления файлами;
  2. Имеет ориентацию на процедурное программирование, обеспечивающую удобство применения структурного стиля программирования;
  3. Имеет систему типов, предохраняющую от бессмысленных операций;
  4. Использование препроцессора для, например, определения макросов и включения файлов с исходным кодом;
  5. Имеет непосредственный доступ к памяти компьютера через использование указателей;
  6. Имеет минимальное число ключевых слов;
  7. Передача параметров в функцию по значению, а не по ссылке (при этом передача по ссылке выполняется с помощью указателей);
  8. Указатели на функции и статические переменные;
  9. Имеет области действия имён;
  10. Записи — определяемые пользователем собирательные типы данных (структуры), которыми можно манипулировать как одним целым;

Пример программы "Hello world " на Си

            main() {  printf("Hello, World!\n");  }
            #include <stdio.h>
            int main()
            {
               printf("Hello, World!\n");
               return 0;
            }

Описания синтаксиса языка Ада

Ада(Ada) — язык программирования, созданный в 1979—1980 годах в результате проекта, предпринятого Министерством обороны США с целью разработать единый язык программирования для встраиваемых систем (то есть систем управления автоматизированными комплексами, работающими в реальном времени). Имелись в виду, прежде всего, бортовые системы управления военными объектами (кораблями, самолётами, танками, ракетами, снарядами и т. п.). Перед разработчиками не стояло задачи создать универсальный язык, поэтому решения, принятые авторами Ады, нужно воспринимать в контексте особенностей выбранной предметной области. Язык назван в честь Ады Лавлэйс.Исследования, выполненные в начале и середине 1970-х годов, показали, что если Пентагон будет использовать единый язык программирования для решения всех своих задач вместо примерно 450 языков и их диалектов, то появится возможность получить огромную экономию средств (около 24 млрд долл. за период с 1983-го по 1999 год).Язык Ада основан на идеях структурного программирования и обеспечивает поддержку разработки сложных многомодульных программ, высокую степень машино-независимости и переносимости.При проектировании языка в первую очередь внимание акцентировалось на надежности и эффективности — язык создавался специально для разработки больших программных комплексов реального времени для встроенных систем, к которым предъявляются высокие требования надежности.

Особенности

Ада — это структурный, модульный, объектно-ориентированный язык программирования, содержащий высокоуровневые средства программирования параллельных процессов. Синтаксис Ады унаследован от языков типа Algol или Паскаль, но расширен, а также сделан более строгим и логичным. Ада — язык со строгой типизацией, в нём исключена работа с объектами, не имеющими типов, а автоматические преобразования типов сведены к абсолютному минимуму.

Осбенности синтаксиса

  1. Программы модульные, механизм контроля импорта-экспорта описаний между модулями включает две разные директивы: одну для подключения другого модуля (with), другую — для импорта его описаний (use). Также существует возможность переименовать модуль при импорте (rename) — этот вариант позволяет использовать для обозначения пакета более удобные программисту идентификаторы.
  2. Пакеты (один из типов модулей) могут содержать заголовок и личную часть — то, что содержится в ней, не экспортируется и другим модулям недоступно.
  3. Поддерживается механизм обобщённых (настраиваемых) модулей: пакетов, процедур и функций, позволяющих описывать обобщённые алгоритмы обработки данных без указания конкретного типа.
  4. Развитая система типов, как встроенных, так и порождаемых программистом. Есть множество способов создания новых типов, язык поддерживает два разных понятия: «подтип» и «производный тип». Переменные типа и подтипа совместимы, переменные типа и его производного типа — нет.
  5. Развитые средства обращения к процедурам и функциям: поддерживаются входные и выходные параметры, передача фактических параметров в произвольном порядке с указанием имён формальных, параметры со значениями по умолчанию.
  6. Поддерживается переопределение процедур, функций и операторов — создание нескольких вариантов процедуры, функции или оператора с одним и тем же именем, но различными сигнатурами (типами и количеством параметров).
  7. Встроенные в язык конструкции поддержки параллельного программирования: поддерживаются понятия «задача» (параллельно выполняемый фрагмент программы), «вход задачи» (средство синхронизации и коммуникации параллельно выполняющихся задач), поддерживается механизм «рандеву» (протокол взаимодействия параллельно выполняемых задач через вход одной из них), имеется оператор выбора SELECT для организации условного межпотокового взаимодействия (выбора параллельной задачи, с которой следует взаимодействовать, в зависимости от готовности к рандеву и некоторых других условий).

Контекстно-свободные грамматики языков Aда-83 и Ада-95 определены с помощью варианта БНФ, в который добавлены обозначения повторений и необязательных частей. Названия нетерминалов записываются обычным шрифтом с использованием знака подчеркивания, если название составное, а зарезервированные слова — жирным шрифтом. Поскольку ни квадратные, ни фигурные скобки в Аде не используются, как не используется и знак «|» (все это метасимволы), никакого специального обозначения для терминалов не предусмотрено. Определение синтаксиса оператора if, взятое из стандарта Ада-95, выглядит так:

if_statement ::=
  if condition then
      sequence_of_statements
  {elsif condition then
      sequence_of_statements}
[else
      sequence_of_statements]
end if;

Интересная и полезная особенность: синтаксические правила структурных конструкций представлены в виде, соответствующем их рекомендованному форматированию в программах (разделение на строки, отступы).

Для удовлетворения требованиям надёжности язык построен таким образом, чтобы как можно большее количество ошибок обнаруживалось на этапе компиляции. Кроме того, одним из требований при разработке языка была максимально лёгкая читаемость текстов программ, даже в ущерб лёгкости написания. Результатом такого подхода стал несколько «тяжеловесный» синтаксис и множество ограничений, отсутствующих в наиболее распространённых промышленных языках (С и C++) и часто воспринимаемых профессиональными программистами как избыточные, например, та же строгая типизация. Это привело к формированию представления об Аде как о сложном, малопонятном и неудобном в использовании языке.

Пример программы "Hellow world" на Аде

       with Ada.Text_IO; 

          procedure Hello is
             use Ada.Text_IO;
       begin
          Put_Line("Hello, world!");
       end Hello;

Определение синтаксиса Кобола и ПЛ/1

Кобол (COBOL, COmmon Business Oriented Language), язык программирования третьего поколения (первая версия в 1959), предназначенный, в первую очередь, для разработки бизнес-приложений.Разработчиком первого единого стандарта Кобола являлась Грейс Хоппер (бабушка Кобола). К 1997 году активно использовалось около 240 миллиардов строк кода на Коболе. Около 90 % финансовых транзакций в мире обрабатывается кодом на Коболе, и 75 % коммерческой обработки данных написано на Коболе. Общая стоимость используемого в настоящее время коболовского кода оценивается в 2 триллиона долларов США. До сих пор ежегодно пишутся миллиарды новых строк кода на Коболе.

Своеобразная система обозначений, являющаяся примером ранних нотаций, была применена при описании языков Кобол и ПЛ/1. Вот пример — определение формата глагола MOVE в Коболе:

Файл:Cobol.png

Служебные слова подчеркнуты, квадратные скобки обозначают необязательные части конструкции, а фигурные — выбор из нескольких альтернатив, которые записываются в столбик. Повторение, как можно видеть, обозначено многоточием. Такого же типа формулы использовались при определении языков управления базами данных.

Особенности языка Кобол

  1. Грамоздкость, многословность
  2. Хооршие, современные средства для работы со структурами данных и файлами, что обеспечило ему долгую жизнь в бизнес-приложениях(по крайней мере, в США).
  3. Обеспечивает наглядную и достаточно компактную запись алгоритмов в форме, независимой от конкретных машин, предназначенных для решения задач.
  4. Содержит большое колличество команд,которые представляют собой сложные комплексы типовых подпрограмм, обеспечивающих решение планово-экономических задач.

Пример программы "Hello world " на Коболе

     IDENTIFICATION DIVISION.
          PROGRAM-ID. HELLO-WORLD.
       *
        ENVIRONMENT DIVISION.
       *
        DATA DIVISION.
       *
        PROCEDURE DIVISION.
        PARA-1.
          DISPLAY "Hello, world.".
       *
            EXIT PROGRAM.

ПЛ/1-(PL/I, Programming Language I — «Язык программирования номер один») — разработанный в 1964 году язык программирования, созданный для научных, инженерных и бизнес-ориентированных вычислений. Он содержит такой широкий набор синтаксических конструкций и встроенных функций, что, вероятно, не существует ни одного компилятора, поддерживающего все возможности языка ПЛ/1. ПЛ/1 поддерживает рекурсию и структурное программирование, и его основная область применения — обработка данных

Основные свойства ПЛ/1

  1. Свободный синтаксис
  2. Ключевые слова и идентификаторы нечувствительны к регистру
  3. По умолчанию (в классических мэйнфреймовских версиях — всегда) передача параметров по ссылке
  4. Поддержка сложных структур с объединениями (в терминологии языка Паскаль — записи с вариантами)
  5. Чрезвычайно развитая система встроенных типов данных, при этом возможность неявных преобразований между большинством из них
  6. Несколько видов динамического выделения памяти
  7. Очень обобщенные операторы со многими вариантами синтаксиса
  8. Строго определённая семантика управляющих конструкций
  9. Операции с массивами
  10. Развитый механизм исключительных состояний
  11. Поддержка на уровне языка мультизадачности и асинхронного ввода-вывода
  12. Поддержка на уровне языка сложных методов доступа для ввода-вывода
  13. Очень развитый препроцессор, фактически сам являющийся подмножеством ПЛ/1

Пример программы "Hello world" на ПЛ/1

         Test: procedure options(main);
               declare My_String char(20) varying initialize('Hello, world!');
           put skip list(My_String);
         end Test;

Алфавит языка

Первоначальный алфавит ПЛ/1 включал 60 символов:

$ @ # A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 = + - * / ( ) , . ' % ; : ¬ & | > < _ ? пробел

Была предусмотрена возможность работы и с более ограниченным 48-символьным алфавитом, в который не входили:

@ # ; : ¬ & | > < _ ? —

Вместо отсутствующих символов использовались дополнительные ключевые слова. В современных версиях языка разрешено использовать также строчные латинские буквы (ключевые слова можно писать и заглавными, и строчными буквами). Вместо символа ¬ (отрицание), отсутствующего в переносимом наборе символов, используют ~.

Литература

  1. Свердлов С.З. Языки программирования и методы трансляции: Учебное пособие. - СПб.: Питер, 2007. - 638 с.: ил. ISBN 978-5-469-00378-6

См. также

Метаязык

Просмотры
Инструменты

Besucherzahler russian mail order brides
счетчик посещений
Rambler's Top100
Лингафонные кабинеты  Интерактивные доски  Интерактивная приставка Mimio Teach