VU Software Paradigmen / SS 2008

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1 VU Software Paradigmen / SS 2008 Stephan Gspandl Institut für Softwaretechnologie sgspandl@ist.tugraz.at Institute for Software Technology

2 Lehrziele Vermittlung von einführenden Kenntnissen des Compilerbaus (Analyse der Programmsyntax) und der Ausführungskonzepte von Programmiersprachen (Semantik). Schreiben und Verstehen von einfachen Compiler Verstehen von Sprachsemantiken und deren Unterschiede Institute for Software Technology 2

3 Inhalt Organisatorisches Aufbau der LVA Benotung Ziele und Inhalt Institute for Software Technology 3

4 Organisatorisches VU (3 Wochenstunden) Vorlesungsteil (2 Wochenstunden) Jeweils Dienstag, 9:30-11:00, HS I12 Prüfungstermin: Nachklausur: Ende September 2009 Übungsteil (1 Wochenstunde) LV mit immanenten Prüfungscharakter Institute for Software Technology 4

5 Termine DI, :00-13:30 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :30-11:00 HS I12 / s.t. DI, :00-11:00 Prüfung Institute for Software Technology 5

6 Übung Übungsgruppen (siehe TUGonline) Übungsaufgaben (5 Abgabewochen): Abgabe verschoben auf: Benotet werden: Anzahl der gelösten Beispiele Präsentation der Lösungen Programmierbeispiel 2 Abgabetermine (27.4. und 8.6., 12 Uhr, per ) Institute for Software Technology 6

7 Tutoriumstermine Voraussichtlich: Montag, Uhr und Uhr Dienstag, Uhr und Uhr Mittwoch, 8-9 Uhr, 9-10 Uhr Mittwoch, Uhr und Uhr Freitag, 9-10 Uhr und Uhr Wo? IST-Seminarraum und CityTower Institute for Software Technology 7

8 Programmierbeispiel Es sind Parser und Interpreter für arithmetische Ausdrücke über den Datentyp der Kommazahlen zu schreiben. Syntax: S ::= begin E ; E end ε E ::= id := A begin E ; E end if P then E else E fi A ::= ( R op R ) R P ::= ( R rop R ) R ::= id num := ist der Assignmentoperator. In- und Output des Programms sind aus diesem Grund Variablenenvironments. Nehmen Sie weiters an, dass es die Built-in Funktionen +, - (op) sowie die Prädikate <, = (rop) geben soll. Identifier (id) enthalten nur Kleinbuchstaben, während Zahlen (num) als Folge von Ziffern dargestellt werden. Führende Nullen sind nicht gestattet. Zahlen dürfen einen Dezimalpunkt enthalten. Gültige Zahlen wären: 1, 2, 0.3, 1.5, ,. Institute for Software Technology 8

9 Programmierbeispiel Die Aufgabe soll in 2 Teilen gelöst werden: 1. Schreiben Sie einen LL(1)-Parser in Java, der die gegebene Sprache parsen kann. Sie können für diesen Teil der Aufgabe einen Parser-Generator verwenden. Der Parser soll eine Fehlermeldung ausgeben, wenn ein Programm syntaktisch nicht richtig ist. (Abgabetermin: 27. April) 2. Schreiben Sie einen Interpreter für die gegebene Sprache, die Programme entsprechend verarbeiten kann. Dieser Interpreter soll Programme der Sprache einlesen und ein Ergebnis des Ausdrucks berechnen. Definieren Sie zuerst für diesen Zweck eine formale Semantik und prüfen Sie ob Ihr Interpreter diese einhält. (Abgabetermin: 8. Juni) Die Abgabe der Lösung erfolgt spätestens am letzten Tag der Abgabe per an Ihre Tutorin bzw. Ihren Tutor. Institute for Software Technology 9

10 Benotung Noten setzt sich zusammen aus: Anzahl der gelösten Aufgaben und deren Bewertung (20 %) Programmierbeispiel (20 %) Schriftliche Prüfung am 23.6., x Uhr, HS x (60 %) Positive Note bei >50 % Institute for Software Technology 10

11 START Anmeldung UE-Teilnahme Endklausur Positiv JA Positives Zeugnis NEIN JA Nachtermin Endklausur Positiv Abmeldung NEIN JA Kein Zeugnis Negatives Zeugnis Institute for Software Technology 11

12 Bei Fragen.. Vor der VU Sprechstunde Mo Uhr nach Vereinbarung [ sgspandl@ist.tugraz.at ] [ Telephon: DW 5475 ] Institute for Software Technology 12

13 Unterlagen Lehrveranstaltungsverlauf unter Folien Skriptum Übungsangaben SWP TUG tu-graz.lv.swp Buchempfehlungen Institute for Software Technology 13

14 Ziele der LVA Sprachdefinition Syntax Semantik von Programmiersprachen Konzepte von Programmiersprachen Auswertung von Programmen Struktur von Programmen Entscheidungsprobleme Institute for Software Technology 14

15 Grober Ablauf (I) Syntax BNF Sprachhierarchie Prinzipien Institute for Software Technology 15

16 Grober Ablauf (II) Semantik Funktionale Sprachen Imperative Sprachen Logikorientierte Sprachen OO Sprachen Institute for Software Technology 16

17 Grober Ablauf (III) Entscheidungsprobleme Halteproblem Äquivalenzproblem Institute for Software Technology 17

18 Grober Ablauf (IV) Prog.sprachenkonzepte Modules Libraries Components Aspects,... Institute for Software Technology 18

19 Institute for Software Technology Überblick

20 Klassifikation von Sprachen Syntaktische Kriterien / Grammatik Wie wird ein Programm strukturiert? Ist die Sprache einfach zu lernen? Unterstützt eine Sprache, die Programmierung großer SW-Systeme?... Semantische Kriterien Auswertung von Programmen Institute for Software Technology 20

21 Semantik? Bedeutung (der Konstrukte) einer Sprache Die Bank von Peter. Sitzbank Geldinstitut Institute for Software Technology 21

22 Bedeutung von Programmen fun test (x,y) = if x=0 then 0 else y + test(x-1,y); Was berechnet das obige SML- Programm? Institute for Software Technology 22

23 Vergleich mit math. Definition x * y = y + (( x 0 if 1)* ( x y) = 0) otherwise (Induktive) Definition der Multiplikation test implementiert die Multiplikation! Institute for Software Technology 23

24 Logik-orientierte Programme Prädikate vater(x,y)... X ist der Vater von Y Regeln can_fly(x) :- bird(x). Anfragen can_fly(papagei). Institute for Software Technology 24

25 Prolog-Programmbeispiel Formalisieren Sie mit Hilfe von vater das Prädikat grossvater(x,y), das wahr ist, wenn X der Großvater von Y ist. Institute for Software Technology 25

26 Prolog-Programmbeispiel Formalisieren Sie mit Hilfe von vater das Prädikat grossvater(x,y), das wahr ist, wenn X der Großvater von Y ist. X ist der Großvater von Y wenn X der Vater von Z ist und Z der Vater von Y. Institute for Software Technology 26

27 Prolog-Programmbeispiel grossvater(x,y) :- vater(x,z), vater(z,y). X ist der Großvater von Y wenn X der Vater von Z ist und Z der Vater von Y. Institute for Software Technology 27

28 Anfragen vater(franz,karl). vater(karl,otto). grossvater(franz,otto)? Anfrage grossvater(franz,otto) muß Ja (True/Yes) liefern. Institute for Software Technology 28

29 Semantik von Imperativen Sprachen? void change(int x,y) { } int z = x; x = y; y = z; Definition über die Interpretation der einzelnen Statements. Die Statements führen dabei zu Zustandsänderung des Programms. Institute for Software Technology 29

30 Semantik von Imperativen Sprachen? void change(int x,y) { } int z = x; x = y; y = z; Was passiert hier bei Auswertung der einzelnen Statements? Institute for Software Technology 30

31 Semantikfunktion Interpretation eines Statements s [[s]]: env env Environment: env: VAR D env(x) D wobei x eine Variable ist und D der Wertebereich (Domain) von x ist. Institute for Software Technology 31

32 Beispiel [[x = e]] (Θ) = Θ mit Θ (y) = Θ(y) für alle y x Θ (x) = [[e]] (Θ) [[x]] (Θ) = Θ(x) für x VAR {Θ(x)=1, Θ(y)=2} z = x; {Θ(x)=1, Θ(y)=2, Θ(z)=1} x = y; {Θ(x)=2, Θ(y)=2, Θ(z)=1} y = z; {Θ(x)=2, Θ(y)=1, Θ(z)=1} Institute for Software Technology 32

33 Entscheidungsprobleme Gegeben: Frage Antwort: Ja oder Nein Halteproblem: Gibt es ein Programm, daß für beliebige Programme entscheiden kann, ob diese für alle Eingaben halten? Äquivalenzproblem: Gibt es ein Programm, daß die Äquivalenz zweier beliebiger Programme feststellen kann? Institute for Software Technology 33

34 Programmiersprachen / Wieso? Problemstellung Verteilung Teilprobleme Teillösungen Institute for Software Technology 34

35 Erstellung großer Software Problemstellung für Einzelne zu groß Teamarbeit Aufteilung in Teile, die getrennt gelöst werden können Zusammenführen der Einzellösungen zur Lösung des Gesamtproblems Unterstützung in der Programmiersprache? Institute for Software Technology 35

36 Funktionale Sichtweise Beispiel: Interpreter für eine Sprache Programm = Sequenz von Befehlen Maschine hat Speicher und führt ein Programm aus. Befehle verändern den Inhalt des Speichers. Institute for Software Technology 36

37 Beispiel - Blocksichtweise Programm LD 1 2 LD 2 3 ADD 1 2 LD x y.. Lädt y in Speicher x ADD x y.. Addiert den Wert von x und y. Das Resultat steht in x. Speicher 1: 0 Maschine 2: 0 3: 0 Adresse 4: 0 Wert Institute for Software Technology 37

38 Beispiel Funktionale Sicht ExecuteProg IN: Programm, Speicher OUT: Speicher ExecuteStmnt IN: Statement, Speicher OUT: Speicher GetMem IN: Adresse,Speicher OUT: Value SetMem IN: Value,Adresse,Speicher OUT: Speicher Institute for Software Technology 38

39 Beispiel SML Programm fun executeprog (p,m) = if empty(p) then m else executeprog(rest(p), executestmnt(first(p),m)); fun executestmnt (s,m) = if loadstmnt(s) then executeload(s,m) else if addstmnt(s) then executeadd(s,m) else errorhandling();... Institute for Software Technology 39

40 Beispiel SML (cont.) Statement... 3-tupel (Name,Arg1,Arg2) Memory.. Liste von 2 Tupel (Addr,Val) fun loadstmnt (s,a,v) = (s== LD ); fun executeload ((s,a,v),m) = setmem (v,a,m); fun setmem (v,a,m) = if empty(m) then m else if #1(first(m))=a then (a,v)::rest(m) else first(m)::(setmem(v,a,rest(m))); Institute for Software Technology 40

41 Beispiel - Zusammenfassung Funktion kann in Teilfunktionen aufgeteilt werden Getrennte Korrektheitsüberprüfung Verständliche Programme Problemlösung wird vereinfacht Einfachere Fehlersuche Re-Use Institute for Software Technology 41