Синтаксис, семантика и прагматика

Синтаксис

Синтаксис — самая простая и самая разработанная часть описания алгоритмического языка.

Грамматика определяется системой синтаксических правил (чаще всего в описаниях языков называемых просто правилами ). На уровне грамматики определяются понятия, последовательное раскрытие которых, называемое выводом, в конце концов дает их представление в виде последовательностей символов. Символы называются также терминальными понятиями, а все остальные понятия нетерминальными. Понятия бывают смысловые, т. е. языковые конструкции, для которых определено то или иное действие абстрактного вычислителя, и вспомогательные, нужные лишь для построения текста, но самостоятельного смысла не имеющие. Минимальные смысловые понятия соответствуют лексемам. Некоторые понятия вводятся лишь для того, чтобы сделать текст читаемым для человека. Минимальные из них (они подобны знакам пунктуации) естественно считать вспомогательными лексемами.

Но даже задача полного описания синтаксиса достаточно сложна и требует выделения подзадач.

Синтаксис принято разделять на две части:

• контекстно-свободную грамматику ( КС-грамматику ) языка;
• правила задания контекстных зависимостей (например, соответствия между описаниями и именами).

Понятие контекстно-свободной грамматики стало первым строгим понятием в описаниях практических алгоритмических языков. За понятием КС-грамматики при внешней его простоте стоит достаточно серьезная теория. Эта грамматика представляется во многих формах (синтаксические диаграммы, металингвистические формулы Бэкуса-Наура либо расширенные металингвистические формулы) и, как правило, сопровождает систематизированное изложение конкретного языка. Каждое такое конкретное представление КС-грамматики достаточно просто, и может быть изучено по любому учебнику программирования.

Содержательно можно охарактеризовать КС-грамматику языка как ту часть его синтаксиса, которая игнорирует вопросы, связанные с зависимостью интерпретации лексем от описаний имен в программе.

Контекстные зависимости сужают множество правильных программ. Например, правило "все идентификаторы должны иметь описания в программе" указывает на то, что программа с неописанными именами не принадлежит данному языку (хотя она и допустима с точки зрения контекстно-свободного синтаксиса ).

Неоднократные попытки формально описывать контекстные зависимости при определении языков показали, что эта задача гораздо более сложная, чем задание контекстно-свободного синтаксиса. Вдобавок ко всему, даже такие естественные правила, как только что представленное, при формальном описании становятся громоздкими и весьма трудными для понимания человека. По этой причине в руководствах редко прибегают к формализации описаний контекстных зависимостей (одним из немногих исключений является Алгол 68).

Пример 4.2.1. Требование о том, что каждое имя должно быть описано (в частности, в языках Pascal и C), конкретизируется в следующей форме.

• Для каждого имени должно быть описание, в котором оно встречается.
• Это описание должно стоять либо в данном, либо в охватывающем его блоке и предшествовать в тексте программы использованию данного имени.
• Два описания одного и того же имени в одном и том же блоке не считаются ошибкой лишь в том случае, если первое из них является предварительным упоминанием, а второе — полноценным описанием.
• Если есть несколько описаний одного и того же имени в разных блоках, действующим считается то из них, которое стоит в самом внутреннем блоке.
• Если действующее описание определяет имя как глобальное, то оно не должно противоречить никакому другому глобальному описанию того же имени, встречающемуся в других блоках программы.

Такая совокупность требований достаточна для того, чтобы человек мог проверить по тексту программы, как в данном месте понимается данное имя ^{3Поскольку синтаксис порою (особенно раньше) отождествлялся с контекстно-свободной его частью, в литературе иногда можно встретить термин "статическая семантика " для описания контекстных зависимостей. Вспоминая определение семантики, мы видим, что такой термин вводит в заблуждение.}.

В практических описаниях языков и в курсах программирования обычно довольствуются неформальным, но достаточно точным описанием контекстных зависимостей. Приведем пример такого описания.

Семантика

Мы определили семантику как соответствие между синтаксически правильными программами и действиями абстрактного исполнителя. Но остается вопрос, как задавать это соответствие. Семантика чаще всего определяется индукцией (рекурсией) по синтаксическим определениям.

Цель программиста - получить нужный ему эффект в результате исполнения программы на конкретном оборудовании. Но, составляя программу, он думает о программе как об абстрактной сущности и чаще всего совсем не хочет знать о регистрах, процессоре и других объектах конкретного оборудования. В соответствии с позицией программиста моделью вычислений языка программирования естественно считать то, какой абстрактный вычислитель задается описанием языка. Эта позиция подкрепляется также тем, что трансляция и исполнение может осуществляться на разных конкретных вычислителях. Следуя этой точке зрения, мы, говоря о модели программы, всегда имеем в виду ее образ в виде команд абстрактного, а не конкретного вычислителя.

Понятие модели вычислений языка естественно распространяется на случаи, когда используются библиотеки программ. Библиотеки, стандартизованные описанием языка, можно считать частью реализации языка независимо от того, как реализуются библиотечные средства: на самом языке или нет. Иными словами, библиотечные средства - дополнительные команды абстрактного вычислителя языка. Не зависящие от определения языка библиотеки можно рассматривать как расширения языка, т. е. как появление новых языков, включающих в себя исходный язык. И хотя таких расширений может быть много, рассмотрение модели вычислений для языка вместе с его библиотеками хорошо соответствует стилю мышления человека, конструирующего программу ^{4Даже возможная противоречивость библиотек друг другу соответствует стилю содержательного мышления (И.Н. Скопин).}.

Задаваемое семантикой соответствие между входными данными, программой и действиями, вообще говоря, определяется лишь полным текстом программы, включающим, в частности, все тексты используемых библиотечных модулей, но для понимания программы и работы над ней необходимо, чтобы синтаксически законченные фрагменты программы могли интерпретироваться автономно от окружающего их текста. Надо заметить, что современные системы практически никогда этому требованию не удовлетворяют. Слишком часто для понимания ошибки в программе нужно анализировать необъятные тексты библиотек.

Реализованный язык всегда является прагматическим компромиссом между абстрактной моделью вычислений и возможностями ее воплощения.