Einführung in die Programmierung EBNF. Thomas R. Gross. Department Informatik ETH Zürich

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1 Einführung in die Programmierung EBNF Thomas R. Gross Department Informatik ETH Zürich

2 Übersicht Es gibt vier elementare Ausdrucksmöglichkeiten in EBNF Sie lernen EBNF Beschreibungen zu lesen und verstehen Sie lernen zu entscheiden ob ein Symbol legal ist (für eine EBNF Beschreibung) Sie können entscheiden ob zwei EBNF Beschreibungen äquivalent sind Sie lernen EBNF Beschreibungen zu erstellen Sie lernen den Unterschied zwischen Syntax und Semantik 2

3 EBNF Regeln und Beschreibungen EBNF Beschreibung: eine Menge EBNF Regeln Menge: Reihenfolge unwichtig EBNF Regel LHS RHS LHS RHS Ein Wort (kursiv, kleingeschrieben) der Name der EBNF Regel Die Beschreibung für den Namen (d.h., der LHS) 3

4 Right hand side Die Beschreibung für den Namen (d.h., der LHS) Kann enthalten Namen (anderer EBNF Beschreibungen) Buchstaben ( stellen den Buchstaben da, d.h. wir erwarten diesen Buchstaben und keinen anderen) Kombinationen der vier Kontrolelemente ( control forms ) (auf der nächsten Seite) 5

5 EBNF Vier Elemente ( control forms ) die Sie in Java wiederfinden werden Aufreihung ( sequence ) Entscheidung oder Auswahl ( decision ) Wiederholung ( repetition ) Rekursion ( recursion ) Beliebige Kombinationen in einer RHS 6

6 Control forms (zum Kombinieren) Aufreihung Von links nach rechts gelesen Reihenfolge istwichtig Aufreihung Beispiel initialen T R G 8

7 Control forms (zum Kombinieren) Auswahl Eine Menge von Alternativen Reihenfolge unwichtig Durch (gesprochen senkrechter Strich) ( stroke ) getrennt Alternativen folgen den EBNF Regeln Auswahl Beispiel ta_initial ta1 ta2 ta1 Michael Faes ta2 Remi Meier 10

8 12

9 14

10 Control forms (zum Kombinieren) Wiederholung Der zu wiederholende Ausdruck steht zwischen { und } (geschweifte Klammer) ( curly braces ) Kann 0, 1, wiederholt werden Immer daran denken: 0 Wiederholungen heisst fehlt! Hinweis Option = 0 oder 1mal wiederholt 16

11 (i1) 18

12 Control forms (zum Kombinieren) Aufreihung Auswahl (Entscheidung) Option, Wiederholung 20

13 EBNF Beispiel (i1) 21

14 Was bestimmt diese EBNF Beschreibung? Einfache (ganze) Zahlen Umgangssprachlich Eine digit ist definiert als einer der Buchstaben 0 9 Eine integer ist definiert als eine Folge von 3 Elementen Ein optionales Vorzeichen (wenn es vorhanden ist, dann muss es eine der Alternativen + oder sein) Eine digit Eine Wiederholung von 0 oder mehr digits wobei jede digit eine der Alternativen der digit Regel ist (und die Alternativen unabhängig gewählt werden) 22

15 EBNF Beschreibungen Reihenfolge der Regeln unwichtig EBNF Description integer (i2) integer [ + - ] digit { digit } digit oder auch EBNF Description x (i3) x [ + - ] y { y } y Konvention: von einfach nach komplex, relevante Namen Name der letzten Regel ist der Name der Beschreibung 25

16 Symbole und EBNF Beschreibungen Wie können wir eine EBNF Beschreibung wie ein Schiedsrichter interpretieren? Gegeben eine EBNF Beschreibung und ein Symbol Symbol: eine Folge von Buchstaben Schiedsrichter entscheidet ob das Symbol legal ist oder nicht (für diese EBNF Beschreibung) Symbol legal gemäss einer Regel: alle Buchstaben des Symbols stimmen mit den Elementen der Regel überein 26

17 Beispiele (für digit): 6 digit; 86 nicht digit Beispiele (für initial t r g): rg nicht initial; tr nicht initial; trgk nicht initial Genaue Uebereinstimmung: legal Buchstaben im Symbol Elemente der Regel Es darf kein Buchstabe im Symbol übrig bleiben Es darf kein (nicht-optionales) Element übrig bleiben Nur dann sprechen wir von Uebereinstimmung Sonst: Symbol nicht legal, illegal 28

18 Informelle Beweise Wollen zeigen dass 9 mit integer übereinstimmt Start: 1. Element (optionales Vorzeichen) Option nichtgewählt nächster Buchstabe des Symbols muss mit Buchstabe übereinstimmen Buchstabe durch digit Regel bestimmt Wähle 9 auf der RHS von digit Keine oder mehr Wiederholungen Keine 9 ist legal Jeder Buchstabe von 9 stimmte mit Elementen der integer Regel überein 29

19 31

20 32

21 Mehr Beispiele A

22 Tabellen Formaler als Umgangssprache Kompakter 1. Zeile: Name der EBNF Regel, mit der das Symbol übereinstimmen soll Letzte Zeile: Symbol 35

23 Tabellen Jede Zeile wird aus der Vorgängerzeile durch eine dieser Regeln abgeleitet: 1. Ersetze einen Namen (LHS) durch die entsprechende Definition (RHS) 2. Wahl eineralternative 3. Entscheidung ob ein optionales Element dabei ist oder nicht 4. BestimmungderZahl derwiederholungen Manchmal werden 1&2 in einem Schritt gemacht 36

24 38

25 Ableitungsbäume Graphische Darstellung eines Beweises durch eine Tabelle Oben: Name der EBNF Regel, mit der das Symbol übereinstimmen soll Unten: Symbol Kanten zeigen welche Regeln es uns erlauben von einer Zeile zur nächsten (in der Tabelle) zu gehen 41

26 43

27 Schnellübung Welche dieser Symbole sind legal gemäss der integer Beschreibung (i1)? IX two 8. a $ Zeichnen Sie einen Ableitungsbau für 28 Vergleichen Sie Ihre Lösung mit der Ihrer/Ihres Nachbarin/Nachbarn 47

28 49

29 Ableitungsbaum für 28 integer [ + - ] digit { digit } Eine Option die nicht genommen wurde Ableitungsbaum Versuch für A15 integer 2 digit 8 [ + - ] digit { digit } Es geht nicht weiter. A ist nicht legale digit 51

30 Sonderzeichen Diese acht Zeichen (Buchstaben ) haben eine besondere Bedeutung in EBNF Beschreibungen: {, }, [, ],, (, ), Was machen wir wenn wir ein { in einem Symbol wollen? z.b. um eine Menge zu beschreiben Antwort: Zeichen in Rahmen { Alternativen (in Textbüchern): In Anführungszeichen, z.b. ( Dann ist auch ein Sonderzeichen 52

31 Sonderzeichen Diese acht Zeichen (Buchstaben ) haben eine besondere Bedeutung in EBNF Beschreibungen: {, }, [, ],, (, ), Was machen wir wenn wir ein { in einem Symbol wollen? z.b. um eine Menge zu beschreiben Antwort: Zeichen in Rahmen { Alternativen (in Textbüchern): In Anführungszeichen, z.b. ( Dann ist auch ein Sonderzeichen Um ein in einem Symbol zu bekommen: 53

32 Aequivalente EBNF Beschreibungen Aequivalent: gleichwertig (sind immer gleich in einem Kontext) äquivalent Aequivalent bzgl. Kaufkraft, nicht aber vor einem Automaten der keine Noten nimmt 55

33 Aequivalente EBNF Beschreibungen Aequivalent: gleichwertig (sind immer gleich in einem Kontext) EBNF Beschreibungen erkennen die selben legalen und illegalen Symbole Jedes mögliche Symbol wird von beiden Beschreibungen als legal (oder illegal) erkannt 56

34 Weitere EBNF Beschreibung für integer (i4) 58

35 Noch eine andere Beschreibung Aequivalent zu früherer Beschreibung? Symbol legal gemäss 1. Beschreibung: legal gemäss dieser Beschreibung Gilt auch die Umkehrung? 61

36 Noch eine andere Beschreibung Symbol legal gemäss 1. Beschreibung: legal gemäss dieser Beschreibung Gilt auch die Umkehrung? Nein: + ist jetzt legal Nein: leeres Symbol jetzt einelegale integer 63

37 65

38 Zurück zu integer Welche dieser EBNF Beschreibungen ist äquivalent zur (früheren) Beschreibung (i1)? A (i5) B (i6) Beide (A und B) 68

39 Syntax und Semantik Syntax: Form Semantik ( semantics ): Bedeutung ( meaning ) Syntax legt nur die Form fest. Alle lesenden Schiffe riechen gelb. 70

40 Syntax und Semantik EBNF beschreibt nur die Syntax Für Programmiersprachen, 2 wichtige Semantik Fragen: 1. Können unterschiedliche Symbole die selbe Bedeutung haben? 2. Kann einsymbol verschiedene Bedeutungen haben? 71

41 Illustration Symbole die wir untersuchen: Namen Herr Wirth Professor Wirth Niklaus Wirth können sich auf selbe Person beziehen Symbol das wir untersuchen: Ausdruck nächste Vorlesung Die nächste Vorlesung fällt aus , heute : keine Vorlesung am Dienstag , heute: keine Vorlesung am Montag 72

42 Semantik von integer Bedeutung einerzahl: ihr Wert 1, +1-0, +0, 0 Sollen 0012 und 12 die selbe Bedeutung haben? Mathematik: ja PIN code: nein 73

43 76

44 79

45 Diskussion integer_list Regel ähnlich vielen Regeln für Java Beispiele { } { 1 } { 2, -5, 18 } Kann durch Tabelle (oder Ableitungsbaum) gezeigt werden 82

46 Diskussion { 2, -5, 18 } Lemma: 2 ist eine integer Lemma: -5 ist eine integer Lemma: 18 ist eine integer 83

47 Tabelle Regel integer_set Anfang jeder Tabelle { [ integer_list ] } Ersetzen von integer_set durch RHS (1) { integer_list } Option eingeschlossen (3) { integer {, integer } } Ersetzen von integer_list durch RHS (1) { integer, integer, integer } 2 Wiederholungen (4) { 2, integer, integer } Lemma { 2, -5, integer } { 2, -5, 18 } 84

48 Bedeutung von Mengen Wann sind zwei Mengen äquivalent? MehrfachNennungen sind nicht wichtig {1, 2, 3, 3, 2, 2, 2 } äquivalent zu {1, 2, 3} Reihenfolge nichtwichtig { 1, 2, 3 } äquivalent zu { 3, 2, 1 } Kanonische (in Uebereinstimmung mit Regel) Darstellung: geordnet, von kleinster [links] nach grösster Zahl [rechts] Die kanonische Darstellung kann nicht durch EBNF Regeln erzwungen werden 88

49 EBNF Beschreibungen Erstellen Sie eine EBNF Beschreibung sodass Zahlen nicht mit einer Null anfangen (also 007 ist illegal, 7 ist legal). 89

50 zero 0 nonzero digit zero nonzero integer [ + - ] nonzero { digit } 90

51 EBNF Beschreibungen Erstellen Sie eine EBNF Beschreibung für die Züge der SBB [wie wir sie vielleicht wollen] Züge bestehen aus Lokomotiven (L), Speisewagen (S), Fahrrad&Gepäckwagen (F), Grossraumwagen (G), Steuerwagen(Z) Folgende Bedingungen müssen erfüllt sein: 91

52 Steuerwagen 92

53 1. Eine oder mehrere Lokomotiven führenden Zug an Anfang des Zuges ist links 2. Den Schluss bildet einsteuerwagen 3. Fahrrad&Gepäckwagen werden immer paarweise eingesetzt, also FF, FFFF, 4. Es können nicht mehr als vier Grossraumwagen in einer Reihe (direkt hintereinander) im Zug sein 5. Nach jeder Gruppe von Grossraumwagen muss ein Speisewagen gekoppelt sein. 93

54 Beispiele (legaler und illegaler Züge) LZ -- legal, kürzester Zug LLLFFZ -- legal (aber kein Platz für Passagiere) LGGSFFGSFFFFZ legal, Zug mit allen Wagentypen LLFF illegal, Zug ohne Steuerwagen LGGGGFFZ illegal, kein Speisewagen nach Gruppe Grossraumwagen LGGSFFFZ illegal, ungerade Anzahl Fahrrad&Gepäckwagen LGGGGGSZ illegal, > 4 Grossraumwagen hintereinander 94

55 Graphische Darstellung von EBNF Regeln Syntax Graph: graphische Darstellung Macht es leichter zu erkennen, welche Zeichen in einem Symbol (in welcher Reihenfolge) auftreten müssen A B C D als Graph: [ A ] als Graph: { A } als Graph: 95