Teoria e Implementao de Linguagens Computacionais IF 688

Teoria e Implementação de Linguagens Computacionais – IF 688 • Professor: André Santos • Home page do curso: http: //www. cin. ufpe. br/~if 688 • Newsgroup do curso: news: //news. cin. ufpe. br/if 688

Motivação • Conhecimento das estruturas e algoritmos usados na implementação de linguagens: noções importantes sobre uso de memória, eficiência, etc. • Aplicabilidade freqüente na solução de problemas que exigem alguma forma de tradução entre linguagens ou notações. • Implementação de linguagens para um domínio específico.

Motivação • A disciplina de implementação de linguagens faz uso de um grande número de conceitos estudados em outras disciplinas do curso: • Introdução à Programação, Algoritmos e Estruturas de Dados, Infraestrutura de software, Infraestrutura de Hardware, Paradigmas de LP, Informática Teórica, …

Introdução 1. Linguagens de programação de alto nível x Linguagens de programação de baixo nível 2. Processadores de linguagens 3. Especificação da sintaxe e semântica de linguagens de programação

Níveis de Linguagens de Programação • Linguagens de programação são uma notação formal para expressar algoritmos • Além de poder expressar e analisar algoritmos, programadores precisam de meios para editar, traduzir e interpretar os programas em um computador: precisam de Processadores de Linguagens de Programação

Linguagem de Máquina • Computadores entendem código de máquina ou linguagem de máquina: seqüência de instruções primitivas expressas por uma seqüência de bits, que é interpretada para executar uma determinada operação (primitiva): carregar dados, somar registradores, desvios condicionais e incondicionais, etc.

Linguagem de Máquina • Originalmente se escrevia diretamente em linguagem de máquina: 0000 0001 0010 • Problemas: dificuldade em ler, escrever, editar; controle explícito dos endereços de memória para dados e para o próprio programa; • Limite: alguns milhares de instruções

Linguagem de Montagem • Notação simbólica para facilitar a escrita, leitura e edição: LOAD x ADD R 1 R 2 JUMPZ h • Tradução para linguagem de máquina: montagem do programa • Assembly language • Uso de um programa montador (assembler) • Instruções ainda muito próximas da linguagem de máquina (relação de 1 para 1)

Linguagens de Programação de alto nível • Maior nível de abstração: let s = (a+b+c)/2 in sqrt (s*(s-a)*(s-b)*(s-c)) • Ao invés de: LOAD R 1 a; ADD R 1 b; ADD R 1 c; DIV R 1 #2; LOAD R 2 R 1; LOAD R 3 R 1; SUB R 3 a; MULT R 2 R 3; LOAD R 3 R 1; SUB R 3 b; MULT R 2 R 3; LOAD R 3 R 1; SUB R 3 c; MULT R 2 R 3; LOAD R 0 R 2; CALL sqrt;

Linguagens de alto nível devem suportar os seguintes conceitos: • uso de expressões, usando notação semelhante à matemática; • tipos de dados primitivos e compostos; • estruturas de controle como if-then-else, while, for etc. ; • declarações de variáveis, tipos, funções, procedimentos etc. ; • abstração: o que é feito x como é feito; • encapsulamento (ou abstração de dados): classes, pacotes, módulos (orientação a objetos).

Processadores de Linguagens de Programação • Sistemas que manipulam programas expressos em alguma linguagem de programação: editores, tradutores, compiladores, interpretadores. • Ferramentas de software (Unix) x processadores integrados (IDEs: Integrated Development Environments) • Exemplo: JDK x JBuilder

Especificação de Linguagens de Programação • Projetista (designer): projeta linguagens de programação; • Implementador: implementa uma linguagem; • Programador: é usuário da linguagem. • Todos devem ter o mesmo entendimento da linguagem: ter como referência a especificação da linguagem

Especificação de Linguagens de Programação • Sintaxe: define a forma do programa: palavras reservadas, organização das frases; • Restrições contextuais (semântica estática): regras de escopo e regras de tipo; • Semântica: significado do programa. Podemos ver o significado do programa como uma função mapeando a entrada no resultado (denotacional); ou baseado no seu comportamento (operacional);

Especificação de Linguagens de Programação • Especificação informal: texto em linguagem natural (inglês ou outra). Riscos: especificação imprecisa, incompleta ou ambígua. • Especificação formal: consistente, completa, não ambígua. Porém mais difícil de escrever e difícil de ser entendida por pessoas que não conhecem a notação utilizada.

Especificação de Linguagens de Programação • Na prática: – especificação formal da sintaxe – Especificação informal das restrições contextuais e da semântica

Sintaxe • É especificada usando gramáticas livres de contexto (BNF – Backus-Naur Form): – Conjunto finito de símbolos terminais: ‘>=’, ‘while’, ‘; ’. – Conjunto finito de símbolos não-terminais: Programa, Comando, Expressão, Declaração. – Um Símbolo inicial (um dos não-terminais): Programa – Conjunto finito de regras de produção.

Mini-Triangle: Terminais • begin in if ( / const let ; ) < do then : + > else var : = = end while ~ *

Mini-Triangle: Não-terminais • Program single-Command primary-Expression Declaration Single-Declaration Type-denoter Integer-Literal Command Expression V-name Operator Identifier

Mini-Triangle: Produções • Program : : = single-Command | Command ; single-Command

Mini-Triangle: Produções • single-Command : : = V-name : = Expression | Identifier ( Expression ) | if Expression then single-Command else single-Command | while Expression do single-command | let Declaration in single-Command | begin Command end

Mini-Triangle: Produções • Expression : : = primary-Expression | Expression Operator primary-Expression : : = Integer-Literal | V-name | Operator primary-Expression | ( Expression ) V-name : : = Identifier Declaration : : = single-Declaration | Declaration ; single-Declaration

Mini-Triangle: Produções • Single-Declaration : : = const Indentifier ~ Expression | var Identifier : Type-denoter : : = Identifier Operator : : = + | - | * | / | < | > | = | Identifier : : = Letter | Identifier Digit Integer-Literal : : = Digit | Integer-Literal Digit

Árvore Sintática • Cada gramática livre de contexto G gera uma linguagem (seqüência de símbolos terminais). • Uma árvore sintática de G é uma árvore com labels ordenada em que: as folhas são símbolos terminais; os nós são símbolos não-terminais. • Uma frase de G é uma seqüência de símbolos terminais de uma árvore sintática. • Uma sentença de G é uma S-frase de G, onde S é o símbolo inicial.

Sintaxe • Sintaxe concreta: – Define a estrutura das frases, a ordem em que sub-frases devem ser escritas, e os símbolos terminais que as delimitam; – Define como escrever programas sintaticamente bem formados; – Não é utilizada para a descrição semântica do programa;

Árvores Sintáticas: Exemplos • d + 10 * n • while b do begin n : = 0; b : = false end • let var y: Integer in y : = y + 1

Sintaxe Abstrata • Usada como referência na descrição semântica do programa • Não gera frases, mas se baseia na estrutura das frases do programa • Gera árvores sintáticas abstratas (Abstract Syntax Trees – ASTs) • Nas ASTs cada nó representa uma produção, com uma sub-árvore para cada subfrase

Mini-Triangle: Sintaxe Abstrata: Não-terminais • Program single-Command primary-Expression Declaration Single-Declaration Type-denoter Integer-Literal Command Expression V-name Operator Identifier

Mini-Triangle: Sintaxe Abstrata: Produções • Program : : = Command Program Command : : = V-name : = Expression Assignment | Identifier ( Expression ) Call | Command ; Command Sequential | if Expression If. Command then Command else Command | while Expression While. Command do Command | let Declaration Let. Command in Command

Mini-Triangle: Sintaxe Abstrata: Produções • Expression : : = Integer-Literal Integer. Expression | V-name Vname. Expression | Operator Expression Unary. Expression | Expression Operator Expresion Binary. Expression V-name : : = Identifier Simple. Vname Declaration : : = const Indentifier ~ Expression | var Identifier : Type-denoter | Declaration ; Declaration Type-denoter : : = Identifier Simple. Type. Denoter

Árvores Sintáticas Abstratas: Exemplos • d + 10 * n • while b do begin n : = 0; b : = false end • let var y: Integer in y : = y + 1

Restrições Contextuais • Necessárias para expressar situações em que a possibilidade de a frase ser bem formada ou não, depende do seu contexto. • Regras de escopo: ocorrência de ligação (declaração) x ocorrência de uso • Exemplos: declaração de variáveis, let

Ligação estática x Ligação dinâmica • Estática = em tempo de compilação, sem rodar o programa; • Dinâmica: só rodando o programa.

Ligação estática • let const m ~ 2; var n : Integer; func f (i : Integer) : Integer ~ i * m in begin …; n : = f (n); …; end

Ligação dinâmica • let const m ~ 2; var n : Integer; func f (i : Integer) : Integer ~ i * m in begin …; n : = let m ~ 3 in f (n); …; end

Regras de Tipos • Normalmente, valores são classificados em tipos. • Cada operação na linguagem tem uma regra de tipos, que define os tipos esperados para os operandos e o tipo do resultado (se existir). • Qualquer operação utilizando um valor com tipo de errado gera um erro de tipos.

Classificação de Linguagens em Relação a Tipos • Estaticamente tipada: todos os erros de tipos podem ser detectados estaticamente, sem executar o programa. • Dinamicamente tipada, se (alguns) erros de tipos só podem ser detectados durante a execução do programa.

Regras de tipos: exemplo • Regra de tipos para o operador ‘>’: se os dois operandos são do tipo int, então o resultado é do tipo bool; • Regra de tipos para ‘while E do C’: E deve ser do tipo bool;

Em linguagens dinamicamente tipadas • Uma variável pode assumir diversos valores, de tipos diferentes, durante a execução do programa;

Em linguagens estaticamente tipadas • Toda expressão bem-formada E tem um tipo único T, que pode ser inferido (descoberto) sem avaliar E; • Quando E for avaliada, ela vai gerar um valor do tipo T.

Semântica da Linguagem Ver especificação informal, no livro, para: • Atribuição; • Chamada de funções; • Comando sequencial; • If; • While; • Let;