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高级语言及其语法描述1

'高级语言及其语法描述1'
第2章 高级语言及其语法描述? 2.1 程序语言的定义及特性? 2.2 形式语言基础? 2.3 文法的直观理解? 2.4 文法和语言的定义? 2.5 文法的类型? 2.6 语法树与二义性? 2.7 有关文法的限制2.1 程序语言的定义及特性 显然,用高级语言编程比用低级语言来得方便,但要解决两个问题:(1).计算机怎样懂得高级语言程序,这就需要一个翻译程序实现从源程序到目 标程序的转换。(2).用什么方法来精确定义高级语言,即怎样精确描述高级语言。 要构造一个编译程序,应深刻理解被编译的源语言的结构(即词法和语法)及其含义(即语义),同时要弄清源语言的语法规则和语义规则是采用什么理论或什么方法来描述的。 1 程序语言的定义 语法 语义 语用 当我们表述一种语言时,无非是说明这种语言的句子,如果语言只含有穷多个句子,则只需列出句子的有穷集就行了,但对于含有无穷句子的语言来讲,存在着如何给出它的有穷表示的问题。 以自然语言为例,人们无法列出全部句子,但是人们可以给出一些规则,用这些规则来说明(或者定义)句子的组成结构,比如汉语句子可以是由主语后随谓语而成,构成谓语的是动词和直接宾语。 任何语言均可看作一个集合。这个集合中的每个元素都是在一定符号集 (字母表)上的一个符号串。 对于自然语言来说,它们是定义在某个字母表上的句子的集合。 对于程序语言来说,它们也是定义在某个字母表上的句子的集合。这里 的句子,就是一个源程序。 通常,源程序是由关键字、标识符、常数、运算符以及一些界限符组成。 这些语法成分统称为单词或单词符号。 单词符号是语言中具有独立意义的最基本单位。语言的单词符号是由词法 规则所确定的,即词法规则规定了单词符号的形成规则。“我是大学生”。是汉语的一个句子 用语法来描述: 〈句子〉∷ =〈主语〉〈谓语〉 〈主语〉∷ =〈代词〉|〈名词〉 〈代词〉∷ =我|你|他 〈名词〉∷ =王明|大学生|工人|英语 〈谓语〉∷ =〈动词〉〈直接宾语〉 〈动词〉∷ =是|学习 〈直接宾语〉∷ =〈代词〉|〈名词〉 有了一组规则以后,按照如下方式用它们导出句子:开始去找∷ =左 端的带有〈句子〉的规则并把它由∷ =右端的符号串代替,这个动作表示 成: 〈句子〉 ? 〈主语〉〈谓语〉,然后在得到的串〈主语〉〈谓 语〉中,选取〈主语〉或〈谓语〉,再用相应规则的∷ =右端代替之。比 如,选取了〈主语〉,并采用规则〈主语〉∷ =〈代词〉, 那么得到:〈主语〉〈谓语〉 ? 〈代词〉〈谓语〉, 重复做下去, 句子:“我是大学生”的全部动作过程是:〈句子〉 ? 〈主语〉〈谓语〉 ? 〈代词〉〈谓语〉 ?我〈谓语〉 ?我〈动词〉〈直接宾语〉 ? 我是〈直接宾语〉 ?我是〈名词〉 ?我是大学生 “我是大学生”的构成符合上述规则,而“我大学生是”不符合上述 规则,我们说它不是句子。这些规则成为我们判别句子结构合法与否的 依据,换句话说,这些规则看成是一种元语言,用它描述汉语。这里仅 仅涉及汉语句子的结构描述。其中一种描述元语言称为文法。语言概述 语言是由句子组成的集合,是由一组符号所构成的集合。 汉语——所有符合汉语语法的句子的全体 英语——所有符合英语语法的句子的全体 程序设计语言——所有该语言的程序的全体 每个句子构成的规律 研究语言 每个句子的含义 每个句子和使用者的关系 研究程序设计语言 每个程序构成的规律 每个程序的含义 每个程序和使用者的关系 语言研究的三个方面 语法 Syntax 语义 Semantics 语用 Pragmatics语法 —— 表示构成语言句子的各个记号之间的组合规律。语义 —— 表示各个记号的特定含义。即是一组规则,使用它 可以定义语言的意义。(各个记号和记号所表示的对象之间 的关系)语用 ——表示在各个记号所出现的行为中,它们的来源、使用 和影响。 语言的实例若在语法上是正确的,其相关联的意义可以从两个观点来看, 其一是该句子的创立者所想要表示的意义,另一是接收者所检验到的意义。 这两个意义并非总是一样的,前者称为语言的语义,后者是其语用意义。 幽默、双关语和谜语就是利用这两方面意义间的差异。 如果不考虑语义和语用,即只从语法这一侧面来看语言,这种意义下的语言称作形式语言。形式语言抽象地定义为一个数学系统。“形式”是指这样的事实:语言的所有规则只以符号串能出现的方式来陈述。形式语言理论是对符号串集合的表示法、结构及其特性的研究。是程序设计语言语法分析研究的基础。2 高级语言的分类? 强制式语言 (Imperative Language) / 过程式语言 FORTRAN , C, Pascal? 应用式语言(Applicative Language) / 函数式语言 LISP? 基于规则的语言(Rule-based Language) Prolog? 面向对象语言(Object-oriented Language) 2.2 形式语言基础 一、字母表和符号串 字母表:符号的非空有限集合 例:?={a,b,c} 符号:字母表中的元素 例: a,b,c 符号串:符号的有穷序列 例:a, aa, ac, abc,.. 空符号串:无任何符号的符号串(ε) 符号串的形式定义 有字母表?,定义: (1)ε是?上的符号串; (2)若x是?上的符号串,且a? ?,则ax或xa是?上的符号串; (3)y是?上的符号串,iff(当且仅当)y可由(1)和(2)产生。 符号串集合:由符号串构成的集合。二、符号串和符号串集合的运算 1.符号串相等:若x、y是集合上的两个符号串,则x=yiff(当且仅当)组成x的每一个符号和组成y的每一个符号依次相等。 2.符号串的长度:x为符号串,其长度|x|等于组成该符 号串的符号个数。 例: x=STV , |x|=3 3.符号串的联接:若x、y是定义在Σ是上的符号串,且x=XY,y=YX,则x和y的联接 xy=XYYX也是Σ上的符号串。 注意:一般xy≠yx,而εx=xε 4. 符号串集合的乘积运算:令A、B为符号串集合,定义 AB={ xy |x∈A,y∈B}例 : A = { a , b } , B = { c , d } , A B = ? {ac,ad,bc,bd} 因为εx=xε=x,所以{ε}A={ε}A=A 5. 符号串集合的幂运算:有符号串集合A,定义A0 ={ε}, A1=A, A2=AA, A3=AAA,…… …… An=An-1A=AAn-1 ,n>06.符号串集合的闭包运算:设A是符号串集合,定义 A+= A1 ∪ A2 ∪ A3 ∪……∪ An ∪…… 称为集合A的正闭包。 A*= A0 ∪A+ 称为集合A的闭包。例:A={x,y} + A =?{x,y, xx,xy,yx,yy , xxx,xxy,xyx,xyy, ……} A1 A2 A3 A*= ?{ε, x,y, xx,xy,yx,yy , xxx,xxy,xyx,xyy, ……} A0 A1 A2 A3 为什么对符号、符号串、符号串集合以及它们的运算感兴趣?若A为某语言的基本字符集 A={a,b,……z,0,1,……,9, +,-,×,_/, ( , ), =……}B为单词集 B ={begin, end, if, then,else,for,……,<标识符>,<常量>,……} 则B ? A* 。语言的句子是定义在B上的符号串。若令C为句子集合,则C ? B * , 程序? C2.3 文法的直观理解 1.什么是文法:文法是对语言结构的定义与描述。即从形式上用于描述和规定语言结构的称为“文法”(或称为“语法”)。 例:有一句子:“我是大学生” 。这是一个在语法、 语义上都正确定句子,该句子的结构(称为语法结构)是由 它的语法决定的 。在本例中它为“主谓结构”。 如何定义句子的合法性? ?有穷语言 ?无穷语言 2.语法规则:我们通过建立一组规则(产生式),来描述句子的语法结构。规定用“::=”表示“由……组成”。 <句子>::=<主语><谓语> <主语>::=<代词>|<名词> <代词> ::=你|我|他 <名词>::= 王民|大学生|工人|英语 <谓语>::=<动词><直接宾语> <动词>::=是|学习 <直接宾语>::=<代词>|<名词>3. 由产生式推导句子:有了一组产生式之后,可以按照一定的方式用它们去推导或产生句子。 推导方法:从一个要识别的符号开始推导,即用相应产生式的右部来替代产生式的左部,每次仅用一条产生式去进行推导。 <句子> => <主语><谓语> <主语><谓语> => <代词><谓语> …… …… 这种推导一直进行下去,直到所有带< >的符号都由终结符号 替代为止。 推导方法:从一个要识别的符号 <句子>::=<主语><谓语> 开始推导,即用相应产生式的 <主语>::=<代词>|<名词> 右部来替代产生式的左部,每 <代词> ::=你|我|他 次仅用一条产生式去进行推导。 <名词>::= 王民|大学生|工人|英语 <谓语>::=<动词><直接宾语><句子> => <主语><谓语> <动词>::=是|学习 => < 代词><谓语> <直接宾语>::=<代词>|<名词> => 我<谓语> =>我<动词><直接宾语> =>我是<直接宾语> =>我是<名词> =>我是大学生例:有一英语句子:The big elephant ate the peanut.<句子>::=<主语><谓语><主语>::=<冠词><形容词><名词><冠词> ::=the<形容词>::=big<名词>::=elephant<谓语>::=<动词><宾语><动词>::=ate<宾语>::=<冠词><名词><名词> ::=peanut <句子>::=<主语><谓语> <主语>::=<冠词><形容词><名词> <冠词> ::=the<句子> => <主语><谓语> <形容词>::=big => <冠词><形容词><名词><谓语> <名词>::=elephant | peanut <谓语>::=<动词><宾语> => the <形容词><名词><谓语> <动词>::=ate => the big <名词> <谓语> <宾语>::=<冠词><名词> => the big elephant <谓语> => the big elephant <动词><宾语> => the big elephant ate <宾语> => the big elephant ate <冠词><名词> => the big elephant ate the <名词> => the big elephant ate the peanut 上述推导可写成<句子> =+> the big elephant ate the peanut 说明: (1) 有若干语法成分同时存在时,我们总是从最左的语法成 分进行推导,这称之为最左推导,类似的有最右推导(一般推 导)。 (2) 从一组产生式可推出不同的句子,如以上产生式还可推 出“大象吃象”、“大花生吃象”、“大花生吃花生”等句子, 它们 在语法上都正确,但在语义上都不正确。 所谓文法是在形式上对句子结构的定义与描述,而未涉及语义问题。 4.语法树:我们用语法树来描述一个句子的语法结构。语法成分(在形式 <句子>语言中又称“非终 单词符号(在形结符”) 式语言中又称 <主语> <谓语> “终结符号”) <冠词> <形容词> <名词> <动词> <宾语> <冠词> <名词> The big elephant ate the peanut2.4 文法和语言的形式定义 V=VN∪VT 称为文法的字汇表 2.4.1文法的定义 定义1: 文法G=(VN,VT,P,Z) VN :非终结符号集 产生式:U ::? x ∈ ∈ * VT :终结符号集 U VN, x V P:产生式或规则的集合 Z:开始符号(识别符号) Z∈VN 其中: A.产生式:产生式是一个有序对(U, x), 通常写为: U ::? x 或U ? x; | U| = 1 |x| ? 0 B.非终结符号:出现在产生式的左部,且能推出符号或符号串的 那些符号。其全体构成非终结符号集,记为 。 VN C.终结符号:不出现在产生式的左部,且不能推出符号或符号串 的那些符号。其全体构成终结符号集,记为 。 VT 例:无符号整数的文法: G[<无符号整数>]=(VN,VT,P,E) VN={<无符号整数>,<数字串>, <数字>} VT = {0,1,2,3,……9} P = {<无符号整数> → <数字串> ; <数字串> → <数字串> <数字> ; <数字串> → <数字> ; <数字> →0; <数字> →1; ………… <数字> →9; } Z = <无符号整数>; 几点说明:产生式左边符号构成集合VN,且 Z ∈VN有些产生式具有相同的左部,可以合在一起 文法的BNF表示 例、<无符号整数> → <数字串> ; <数字串> → <数字串> <数字> | <数字> ; <数字> →0 | 1 | 2 | 3 | …… | 9给定一个 文法,实际只需给出产生式集合,并指定识别符号 例、 G[<无符号整数>] <无符号整数> → <数字串> ; <数字串> → <数字串> <数字> | <数字> ; <数字> →0 | 1 | 2 | 3 | …… | 92.4.2 推导与归约 定义2: 直接推导:文法G:v=x Uy,w=xuy, * 其中x、y ∈V ,U∈VN, u ∈V*, 若U ::? u∈P,则v ?w。 若x=y=ε,有U ::? u,则U ? u 换句话说,x和y是符号串,若使用一次产生式可以从x变换出y,则称x直接推导出y(或者说y是x的直接推导),记为x? y。例如:G[N]: N → ND | D D → 0| 1| 2| 3| 4| 5| 6| 7| 8| 9 ==> N = (1 = ) > ND ( 2 ) NDD = ( 3= ) > ND9 = ( 4 = ) > N09 = ( 5 = ) > D09 = ( 6 =) > 109 当符号串已没有非终结符号时,推导就必须终止。因为终结符不可能出现在产生式左部,所以将在产生式左部出现的符号称为非终结符号。 定义3: +推导:x和y是符号串,若使用若干次产生式可以从x变换 + 出y,则称x推导出y(或者说y是x的推导),记为x? y。 或者说:若有直接推导序列: + x=U0==>U1==>U2==>……==>Un=y,则 x==>y 。 例: ==> N = (1 = ) > ND ( 2 ) NDD = ( 3= ) > ND9 = ( 4 = ) > N09 = ( 5 = ) > D09 = ( 6 =) > 109 + 则: N==>109 定义4: *推导:x和y是符号串,若使用0次或若干次产生式可以从x变换出y,则称x*推导出y(或者说y是x的*推导),记为x?* y。 * * 则: N==>109 N==>N 定义5: 最右推导:若符号串α中有两个以上的非终结符时,对推导的 每一步坚持把α中的最右非终结符进行替换,称为最右推导。 最左推导:若符号串α中有两个以上的非终结符时,对推导的 每一步坚持把α中的最左非终结符进行替换,称为最左推导。 直观意义:规范推导=最右推导 定义6: 推导的逆过程称之为归约。例:x ==>y,可称为x直接推导出y,也可称为y直接归约出x。 + x ==>y ,可称为x推导出y,也可称为y归约出x。2.4.3 语言的形式定义 定义6:文法G[Z] (1)句型:x是句型 ? Z ?* x,且x∈V*; + (2)句子:x是句子 ? Z ? x, 且x∈VT*; + (3)语言:L(G[Z])={x| Z ? x, x∈VT* }; 文法G[Z]所产生的 所有句子的集合 例:{abna|n≥1},构造其文法 G1[Z]: Z→aBa, B→b|bB G2[Z]: Z→aBa, B→b|Bb定义7. G和G'是两个不同的文法,若 L(G) = L(G') , 则G和G’为等价文法。编译感兴趣的问题是:? 给定终极符x, 文法G, 求x ? L(G) ? G y x 算法1 x ? L(G) ? 算法2 停机 n 出错处理2.4.4 递归文法 1.递归产生式:产生式右部有与左部相同的符号 对于 U → xUy 若x=ε,即U → Uy,左递归; 若y=ε,即U → xU,右递归; 2.递归文法:文法G,存在U ∈VN if U=+=>…U…, 则G为递归文法; if U=+=>U…, 则G为左递归文法; if U=+=>…U, 则G为右递归文法; 会造成死循环(后面将详细论述)3. 左递归文法的缺点:不能用自顶向下的方法来进行语法分析4. 递归文法的优点:可用有穷条产生式,定义无穷语言 例:对于前面给出的无符号整数的文法是有递归文法,用13条产生式就可以定义出所有的无符号整数。若不用递归文法,那将要用多少条产生式呢? !2.5 文法分类 形式语言:用文法和自动机所描述的没有语义的语言。 + 语言定义: L(G[Z])={x| Z==>x , x∈VT*, } 文法定义:乔姆斯基将所有文法都定义为一个四元组: G=(VN,VT,P,Z) VN:非终结符号集 VT:终结符号集 P:产生式或规则的集合 Z:开始符号(识别符号) Z∈VN 文法和语言分类:0型、1型、2型、3型 这几类文法的差别在于对产生式施加不同的限制。定义8:0型文法: P: u → v 其中u∈V+,v∈V* 0型文法称为短语结构文法。产生式的左部和右部都可以是符号串,一个短语可以产生另一个短语。 0型语言:L0 这种语言可以用图灵机(Turing)接受.定义9: 1型文法: P: xUy → xuy 其中 U∈VN, x、y、u∈V* 称为上下文敏感或上下文有关。也即只有在x、y这样的上下文中才能把U改写为u 1型语言:L1 这种语言可以由一种线性界限自动机接受.定义10:2型文法: P: U → u 其中 U∈VN, u∈V* 称为上下文无关文法。也即把U改写为u时,不必考虑上下文。 注意:2型文法与BNF表示相等价。 2型语言:L1 这种语言可以由下推自动机接受.定义11: 3型文法:(左线性) (右线性) P: U → T P: U → T 或 U → wT 或 U → Tw 其中 U、w∈VN 其中 U、w∈VN T∈VT T∈VT 3型文法称为正则文法。它是对2型文法进行进一步限制。 3型语言:L3 又称正则语言、正则集合 这种语言可以由有穷自动机接受.根据上述讨论, L0 ∪ L1 ∪ L2 ∪ L30型文法可以产生L0、L1、L2、L3,但2型文法只能产生L2,不能产生L1。 Z 语法树与二义性文法2.6 U V 2.6.1 推导与语法树 a b c d (1)语法树:句子结构的图示表示法,它是一种有向图,由 结点和有向边组成。 结点:符号 根结点:识别符号 中间结点:非终结符 叶结点:终结符或非终结符 有向边:表示结点间的派生关系。( 2 ) 句型的推导及语法树的生成(自顶向下) 给定G[Z],句型w: 可建立推导序列,Z=*=>w 可建立语法树,以Z为树根结点,每步推导生成语法树 的一枝,最终可生成句型的语法树。 注意一个重要事实:文法所能产生的句子,可以 用不同的推导原则(使用产生式顺序不同)将其 推导出来。语法树的生成规律不同,但最终生成的语 法树形状完全相同。某些文法有此性质,而某些文法 不具此性质。一般推导: <无符号整数> (1) <数字串> (2) <数字串> <数字> (3) (4) <数字> 0 (5) 1( 3 ) 子树与简单子树 子树:语法树中的某个结点(子树的根)连同它向下 派生的部分所组成。 简单子树:只有单层分枝的子树称为简单子树。( 4 ) 树与推导 句型推导过程? 句型语法树的生长过程 1 由推导构造语法树 从识别符号开始,自左向右建立推导序列。 由根结点开始,自上而下建立语法树。例:无符号整数的文法: G[<无符号整数>]=(VN,VT,P,E) VN={<无符号整数>,<数字串>, <数字>} VT = {0,1,2,3,……9} P = {<无符号整数> → <数字串> ; <数字串> → <数字串> <数字> ; <数字串> → <数字> ; <数字> →0; <数字> →1; ………… <数字> →9; } Z = <无符号整数>; 例:G[<无符号整数>] 句型10 [<无符号整数>] <无符号整数> ==> <数字串> ==> <数字串> <数字> <数字串> 规范推导 ==> <数字串> 0<数字串> <数字> ==> <数字> 0 ==> 10 <数字> 0 1 2 由语法树构造推导 自上而下地修剪子树的末端结点,直至把整棵树剪掉 (留根),每剪一次对应一次归约。 从句型开始,自右向左地逐步进行归约,建立推导序列。定义 对句型中最左简单短语(句柄)进行的归约称为 规范归约。 规范归约与规范推导互为逆过程 <无符号整数> [<无符号整数>] ==> <数字串> 数字串 数字 <数字串> ==> < > < > ==> <数字串> 0<数字串> <数字> ==> <数字> 0 <数字> 0 ==> 10 1定义 通过规范推导或规范归约所得到的句型称为规范句型。 在上例中,<数字><数字> 就不是规范句型,因为: <无符号整数>==><数字串> ==><数字串><数字> ==><数字><数字> 不是规范推导2.6.2 文法的二义性 定义 若对于一个文法的某一句子存在两棵不同的语法树,则该文法是二义性文法,否则是无二义性文法。 换而言之,无二义性文法的句子只有一棵语法树,尽管推 导过程可以不同。 下面举一个二义性文法的例子: G[E]: E:= E+E | E*E | (E) | i VN ={E} VT ={ +, * , ( , ) , i } 对于句子S=i+i * i ∈ L(G[E] ),存在不同的规范推导:(1) E==>E+E==>E+E*E ==>E+E*i ==>E+i*i ==> i+i * i(2) E==> E*E ==> E*i ==> E+E*i ==> E+i*i ==> i+i * i 这两种不同的推导对应了两种不同的语法树 E E E + E E * E i E * E E + E i i i i i 定义 若一个文法的某句子存在两个不同的规范推导,则该文法是二义性的,否则是无二义性的。 以上是自顶向下来看文法的二义性,我们还可以自 底向上来看文法的二义性。上例中,规范句型E+E*i 是 由i+i * i通过两步规范规约得到的,但对于同一个句型 E+E* i,它有两个不同的句柄(对应上述两棵不同的语 法树):i 和 E+E。因此语法的二义性意味着句型的句 柄不唯一。 E E E + E E * E
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