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Syntax von SoftwaresprachenOOPM, Ralf Lämmel Software Languages Team University of Koblenz-Landau

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Brueghel-tower-of-babel.jpg

(C) 2007-2018, Ralf Lämmel, Universität Koblenz-Landau

Quiz zur Motivation

Sind dies gültige Java-Fragmente?2*n + 12n + 1while true do { }int n = ;

Der Java-Compiler kann diese Frage beantworten.

Wie beantworten wir solche Fragen?... unter Verwendung einer Java-Implementation?... mit Papier und Bleistift?... mit einem eigenen Algorithmus?

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Wir brauchen eine geeignete

Syntaxdefinition!


Was ist Java “konzeptionell”?

Java ist eine Programmiersprache.

Programmiersprachen sind Softwaresprachen.

Wichtige Aspekte solcher Sprachen:

Syntax (siehe auch “Formale Sprache”)

Welche Zeichenketten gehören zur Sprache?

Welche Regeln konstruieren diese Zeichenketten?

Semantik:

Bedeutung der Ableitungsbäume gemäß Regeln

(Bedeutung der Zeichenketten)

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(C) 2007-2018, Ralf Lämmel, Universität Koblenz-Landau 4

The term "software language" refers to artificial languages used in software development including general-purpose programming languages, domain-specific languages, modeling and meta-modeling languages, data models, and ontologies. Examples include general purpose modeling languages such as UML, but also domain-specific modeling languages for business process modeling, such as BPMN, or embedded systems, such as Simulink or Modelica, and specialized XML-based and OWL-based languages and vocabularies. The term "software language" also comprises APIs and collections of design patterns that define a language implicitly.

http://planet-sl.org/sle2012 Zugriff: 23.1.2012

Was sind Softwaresprachen?


Verwendung von Grammatiken für die Syntaxdefinition

Beispiele für arithmetische Ausdrücken + 12 * n - 1

Wir brauchen Regeln für folgende syntaktische Kategorien: Ausdrücke OperatorenBezeichnerKonstanten

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Synonym: Produktion


Syntaxregeln

expression : ID | INT | expression op expression;

op : '+' | '-' | '*' | '/';

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ID steht für die Menge aller Bezeichner. INT steht für die Menge aller Folgen von Ziffern.

Verweiseauf Nichtterminale

Terminale

DefinierteNichtterminale

Zur Trennung von Alternativen


Syntaxregeln


op : '+' | '-' | '*' | '/';

ID : 'a' | ... | 'z';

INT : '0' | ... | '41';

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Wir geben später noch “bessere” Regeln an.


Backus Naur Form (BNF) (eine Form von Grammatiken)

Nichtterminal durch Menge von Alternativen definiertJede Alternative ist Sequenz von Symbolen

TerminaleNichtterminaleε ist die leere Sequenz.

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op : '+' | '-' | '*' | '/';


Begriffe

Grammatik: Menge von Syntaxregeln

Grammatikdialekte und -notationen

BNF: Backus Naur Form

EBNF: Extended BNF Grammatiksymbole

Terminal: Zeichenkette

Nichtterminal: Platzhalter für eine Menge von Zeichenketten

Startsymbol: Ausgezeichnetes Nichtterminal

Ableitungsbaum:

Abeitung einer Zeichenkette aus Grammatikregeln

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Ableitungsbaum für “n + 1”

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expression

expression expressionop

ID INT

n 1+

expression : expression op expression;

expression : ID; op : ‘+’; expression : INT;

ID : ‘n’; INT : ‘1’;

Anwendung von Alternativen

Eingabe


Ableitungsbäume

Baumstruktur folgt den Regeln/Alternativen.

Blätter: Terminale

Die Liste aller Blätter ergibt den Eingabestring.

Andere Knoten: Nichterminale

Wurzel: Startsymbol der EBNF

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Für einen gegebenen Nichtterminal-Knoten entsprechen die Folgeknoten immer genau den Symbolen aus einer

Alternative für das gegebenen Nichtterminal.

expression


ID INT

n 1

+


Mehrere Ableitungsbäume für 2*n+1

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expression

expressionop

+ INT

1

expression


* ID

n

INT

2

expression

expression op

*expression


+ INT

1

ID

n

*INT

2

expression : ID | INT | expression op expression;op : '+' | '-' | '*' | '/';


“Schichten” von Ausdrücken

factor: Nicht weiter zusammengesetzte Ausdrücke

term: Stärkere Bindung mit “*” und “/”

expression: Schwächere Bindung mit “+” und “-”

Mehrdeutigkeitsausschluss

Additionen können nicht Unterausdrücke von “*” sein.

Herstellung der Eindeutigkeit



Das Parsing-Problem (Das Problem der syntaktischen Analyse)

Eingaben:

Grammatik G

Zeichenkette w

Ausgabe:

ja/nein: Ist w Element der durch G generierten Sprache?

Im “Ja” Fall: Ableitungsbaum

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Es gibt viele solche Algorithmen.Siehe auch “Parsergenerator”, “Compilerbau”.


EBNF: Extended BNF

Zusätzliche Symbolformen der EBNF Gruppierung von Symbolen ( ... ) Optionale Strukturen “?” (Postfix) Wiederholte Strukturen (0,1,... mal) “*” (Postfix) Wiederholte Strukturen (1,... mal) “+” (Postfix)

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Diese Ausdruckskraft ist redundant.Verwende extra Nichtterminale.


Verkürzung der eindeutigen Syntax

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expression : term (( '+' | '-' ) term)*; term : factor (( '*' | '/') factor)*; factor : ID | INT;

EBNF:Wiederholung von

Strukturen

EBNF:Gruppierung von

Symbolen



Mehr Ausdrucksformen

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expression : ID | INT | '(' expression ') | expression op expression ; op : '+' | '-' | '*' | '/' | '==' | '!=' | '<' | '>' | '<=' | '>=' ;


Eindeutige Grammatik für neue Formen

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cexpression : aexpression rop aexpression;

rop : '==' | '!=' | '<' | '>' | '<=' | '>=';

aexpression : term (( '+' | '-' ) term)*;

term : factor (( '*' | '/') factor)*;

factor : ID | INT | '(' aexpression ')';

“comparison”expression

“arithmetic”expression

Klammern in der definierten Sprache.

EBNF:Wiederholung von

Strukturen

Klammern in der EBNF


Syntax von Softwaresprachen im verallgemeinerten Sinne

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Sprachform Grammatikform

Menge von Zeichenketten BNF, EBNF, ...

Menge von BäumenBaumgrammatiken, XML

Schemata, Signaturen algebraischer Spezifikationen

Menge von Graphen Graphgrammatiken, Objektmodelle


Structo -- Beispielprogrammiersprache

Programme = AnweisungsblöckeEin einziger Datentyp: int.Variablendeklarationen (ohne Initialisierung).Anweisungsformen

ZuweisungIF-AnweisungWHILE-AnweisungRead/Write-Anweisung für I/O

Ausdrücke wie zuvor

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{int n;read n;int r;r = 1;while (n > 0) {

r = r * n; n = n - 1;

}write r;

}


(Fast) eindeutige EBNF für Structo

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program : statements; statements : statement | '{' statement* '}'; statement : 'int' ID ';' | 'read' ID ';' | 'write' aexpression ';' | ID '=' aexpression ';' | 'if' cexpression statements ('else' statements)? | 'while' cexpression statements ;

Ausdrücke wie zuvor.

Knobelaufgabe:Warum ist die

Grammatik nicht ganz eindeutig?


Die Nichtterminale ID und INT

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ID : ('a'..'z'|'A'..'Z') ('a'..'z'|'A'..'Z'|'0'..'9')* ;

INT : ('0'..'9')+ ;

Alle Zeichen zwischen ‘a’

und ‘z’


Was steht zwischen Bezeichnern, Zahlenkonstanten, Schlüsselwörtern und anderen Spezialsymbolen?

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Konvention

Leerzeichen

Tabulatoren

Zeilenumbrüche

Dies kann auch in der Grammatik formalisiert werden.

Ebenso können Kommentare formalisiert werden.


EBNF als Modellierungssprache

EBNF modelliert Sprachen (Syntax von Sprachen).

EBNF kann zu BNF reduziert werden.

(E)BNF ist streng mathematisch formalisiert.

(E)BNF ist “ausführbar”.

(E)BNF definiert Struktur der Ableitungsbäume.

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Illustration: Ein Ausschnitt aus der Java-Syntax

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Es wird wieder ein leicht verschiedener Grammatikdialekt benutzt.

Statement: Block assert Expression [ : Expression] ; if ParExpression Statement [else Statement] for ( ForControl ) Statement while ParExpression Statement do Statement while ParExpression ; try Block ( Catches | [Catches] finally Block ) switch ParExpression { SwitchBlockStatementGroups } synchronized ParExpression Block return [Expression] ; throw Expression ; break [Identifier] continue [Identifier] ;

StatementExpression ; Identifier : Statement


Illustration: Ein Ausschnitt aus der Cobol-Syntax

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procedure-division

___________________________________________________________________________________________________________ | || >>__PROCEDURE__DIVISION_______________________________._________________________________________________> || | <____________ | || |__USING____data-name__|__| || >_______________________________________________________________________________________________________> || | <__________________________________________________ | || |__DECLARATIVES__.____section-header__.__use-statement__.__paragraphs__|__END__DECLARATIVES__.__| || >___sections___________________________________________________________________________________________>< ||___________________________________________________________________________________________________________|

_____________________________________________________________ | || >>__PROCEDURE__DIVISION_______________________________.___> || | <____________ | || |__USING____data-name__|__| || >___paragraphs___________________________________________>< ||_____________________________________________________________|

Es wird wieder eine visuelle Grammatiknotation verwendet.


Programmatische Darstellung von Ableitungsbäumen

Repräsentation

Objektmodell

Konstruktoren einer algebraischer Spezifikation

— beides abgeleitet direkt aus der Grammatik!

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Wir können Terminale unrepräsentiert lassen, wenn sie keine Bedeutung innehaben.

Man benutzt auch den Begriff der “Abstrakten Syntax”.


Zur Erinnerung: die EBNF von Structo

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program : statements; statements : statement | '{' statement* '}'; statement : 'int' ID ';' | 'read' ID ';' | 'write' expression ';' | ID '=' expression ';' | 'if' expression statements ('else' statements)? | 'while' expression statements ; expression : ID | INT | '(' expression ') | expression op expression; op : '+' | '-' | '*' | '/' | '==' | '!=' | '<' | '>' | '<=' | '<=';


EBNF für die “wesentliche” (abstrakte) Struktur der Ableitungsbäume von Structo

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[main] program : statement*; [intdec] statement : ID; [read] statement : ID: [write] statement : expression; [assign] statement : ID expression; [if] statement : expression statement* statement*; [while] statement : expression statement*; expression : ID | INT | expression op expression; op : '+' | '-' | '*' | '/' | '==' | '!=' | '<' | '>' | '<=' | '<=';

Regelbezeichnungen(als Referenzierungshilfe)

Knobelaufgabe:Welche Abweichungen gegenüber

der EBNF nehmen Sie wahr?

Ein Objektmodell für Structo


Korrespondenz zwischen Objektmodellen und Grammatiken

Es gibt eine abstrakte Klasse für jedes Nichtterminal.

Es gibt eine konkrete Klasse für jede Alternative.

Die konkrete Klasse spezialisiert die Klasse für das Nichtterminal.

Komposition verweist auf die Klassen aus den Alternativen.

Kardinalitäten werden aus */+/? abgeleitet.

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Konstruktoren einer algebraischen Spezifikation für Strukto

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program : → statement

skip : → statement sequence : statement × statement → statement declare : ID → statement read : ID → statement write : expression → statement assign : ID × expression → statement if : expression × statement → statement while : expression × statement → statement

id : ID → expression int : INT → expression binary : op × expression × expression → expression

plus : → op minus : → op times : → op ...

Knobelaufgabe:Welche Abweichungen gegenüber der EBNF nehmen Sie wahr?


Korrespondenz zwischen algebraischen Spezifikationen und Grammatiken

Die Sorten korrespondieren zu den Nichtterminalen.

program, statement, expression, ...

Die Konstruktoren korrespondieren zu den Regeln.

Regel: [write] statement : expression;

Konstruktor: write: expression → statement

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Zusammenfassung

(Formale) Sprachen sind Mengen von Zeichenketten.

Grammatiken modellieren Sprachen.

EBNF ist ein Notation für Grammatiken.

Grammatiken sind mathematische Gebilde.

Grammatiken korrespondieren zu Objektmodellen.

… und zu

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