Синтаксис, семантика и прагматика

Данная лекция вводит в проблему точного определения языка программирования^{1Язык программирования и алгоритмический язык почти всегда являются синонимами. В данном пособии они синонимичны.} лишь настолько, насколько это необходимо для понимания последующего анализа языков и стилей. Эта проблема многогранна, и более подробное ее рассмотрение дается в другом курсе.

Различные стороны определения языка

Для создания, проверки и преобразования программ, построения систем программирования, а также для многих других нужд нам необходимо если не определение, то хотя бы описание алгоритмического языка. При этом требуются точные описания как текстов, так и их интерпретации. Рассмотрим существующие варианты.

1. Сама программа-транслятор считается описанием языка. Тут сразу точно описаны и тексты (правильная программа — та, на которой транслятор не выдает ошибки), и их интерпретация (интерпретация программы — то, как исполняется ее текст после перевода транслятором).

   Именно так пытались поступать на заре программирования, когда, скажем, легендарный язык FORTRAN создавался одновременно с первым транслятором с данного языка.
2. Определением языка считается формальная лингвистическая система (грамматика). Впервые этот подход был последовательно применен в Алголе. Встречавшиеся вам при изучении языков синтаксические диаграммы являются непосредственными потомками того, что было сделано в Алголе.
3. Определением языка считается соответствие между структурными единицами текста и правилами интерпретации. Этот вариант был полностью реализован при определении языка Алгол 68.

Первый вариант — совершенно неудовлетворительный путь, поскольку всякое изменение в программе-трансляторе может полностью изменить смысл некоторых конструкций языка со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Второй вариант соответствует взгляду на язык как на множество правильно построенных последовательностей символов. Если последовательность символов принадлежит языку, то она считается синтаксически правильной. Для программы это означает, что транслятор на ней не выдает ошибки. Но синтаксическая правильность не гарантирует даже осмысленности программы. Таким образом, здесь определяется лишь одна сторона языка.

Третий вариант работает только вместе со вторым, поскольку структурные единицы должны соединиться в синтаксически правильную систему. Он раскрывает еще одну сторону языка.

Таким образом, мы видим, что каждый язык имеет три стороны: синтаксис (второй вариант), семантика (третий вариант), прагматика (первый вариант).

Синтаксис алгоритмического языка — совокупность правил, позволяющая:

1. формально проверить текст программы (выделив множество синтаксически правильных программ);
2. разбить эти программы на составляющие конструкции и в конце концов на лексемы.

Семантика алгоритмического языка — соответствие между синтаксически правильными программами и действиями абстрактного исполнителя, позволяющее определить, какие последовательности действий абстрактного исполнителя будут правильны в случае, если мы имеем данную программу и данное ее внешнее окружение.

Под внешним окружением понимаются характеристики машины, на которой исполняется программа (точность представления данных, объем памяти, другие программы, которые можно использовать при выполнении данной, и т. д.), и потоки входных данных, поступающие в программу в ходе ее исполнения.

Прагматика алгоритмического языка — то, что связывает программу с ее конкретной реализацией. При этом, в частности, происходит следующее.

1. Все определения становятся явными (изгоняются такие понятия, как "не определено", "определяется реализацией" и т. п.) ^{2Нельзя абсолютизировать это требование. Совместные вычисления могут производиться в неизвестном программисту порядке. Более того, автору известен случай, когда прагматика (системы Common Lisp) четко отмечает, что в некотором случае нельзя пользоваться конкретным линейным порядком, который система порождает, пополняя заданный пользователем частичный порядок зависимостей, поскольку алгоритм упорядочивания может быть в любой момент и без предупреждения заменен. На самом деле такая прагматика часто полностью соответствует содержательному смыслу создаваемых программ: если два действия независимы, нельзя предполагать, что одно из них происходит раньше другого (хотя обычно программист вынужден это предполагать ввиду идиотизма "современных" систем). Если бы такие прагматические замечания встречались почаще!}.
2. Появляются дополнительные конструкции, описатели и др., обусловленные реализацией. Они обязательно учитывают:
   • особенности вычислительной машины и среды вычислений;
   • особенности принятой схемы реализации языка;
   • обеспечение эффективности вычислений;
   • ориентацию на специфику пользователей.

Прагматика иногда предписывается стандартом языка, иногда нет. Это зависит от того, для каких целей предназначены язык и его реализация.

Описание языка требует точного задания синтаксиса и семантики. На практике, однако, чем точнее и чем лучше для построения транслятора описан язык, тем, как правило, такое описание более громоздко и менее понятно для обычного человека, и поэтому точные описания существуют не для всех реальных языков программирования. Даже если они имеются, то в виде стандартов, к которым обращаются лишь в крайних случаях.