Teoria e Implementação de Linguagens Computacionais – IF688 Professor: André Santos Home page do curso: http://www.cin.ufpe.br/~if688

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.

Integração com outras disciplinas 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 Linguagens de programação: alto nível × baixo nível Processadores de linguagens 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 0011 0010 Problemas: dificuldade em ler, escrever, editar; controle explícito dos endereços de memória para dados e para o próprio programa; Limite para entendimento/gerenciamento dos programas: alguns milhares de instruções

Linguagem de Montagem Notação simbólica para facilitar a escrita, leitura e edição: LOAD x ADD R1 R2 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)

Linguagem de Montagem LOAD R1 a; ADD R1 b; ADD R1 c; DIV R1 #2; LOAD R2 R1; LOAD R3 R1; SUB R3 a; MULT R2 R3; LOAD R3 R1; SUB R3 b; MULT R2 R3; LOAD R3 R1; SUB R3 c; MULT R2 R3; LOAD R0 R2; CALL sqrt;

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))

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 Eclipse

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. Aula 2

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

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

Mini-Triangle: Produções Program ::= single-Command Command ::= 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 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 Type-denoter ::= Identifier Operator ::= + | - | * | / | < | > | = | \ Identifier ::= Letter | 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

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 Command single-Command Expression primary-Expression V-name Declaration Operator Single-Declaration Identifier Type-denoter Integer-Literal

Mini-Triangle: Sintaxe Abstrata: Produções Program ::= Command Program Command ::= V-name := Expression AssignmentCommand | Identifier ( Expression ) CallCommand | Command ; Command SequentialCommand | if Expression IfCommand then Command else Command | while Expression WhileCommand do Command | let Declaration LetCommand in Command

Mini-Triangle: Sintaxe Abstrata: Produções Expression ::= Integer-Literal IntegerExpression | V-name VnameExpression | Operator Expression UnaryExpression | Expression Operator Expresion BinaryExpression V-name ::= Identifier SimpleVname Declaration ::= const Indentifier ~ Expression | var Identifier : Type-denoter | Declaration ; Declaration Type-denoter ::= Identifier SimpleTypeDenoter

Árvores Sintáticas Abstratas: Exemplos d + 10 * n while b do begin n := 0; b := false end

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) × 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. Exemplo: chamadas de métodos em Java

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;