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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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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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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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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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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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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”.

53

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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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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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 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

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Baixe os Seguintes Arquivos http://www.cin.ufpe.br/~rat/download/abaco-beta230.zip http://www.cin.ufpe.br/~if686/laboratorio.prj

Descompacte o arquivo Zip em um diretório de trabalho. Execute o arquivo abaco2.30.jar.

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