Methoden zur Interpretation LISPähnlicher. Programmiersprachen. Seminarvortrag / 53 FH AACHEN FACHBEREICH 9 TOBIAS STUMM MATR.-NR.

Transkript

1 Methoden zur Interpretation LISPähnlicher Programmiersprachen Seminarvortrag FACHBEREICH 9 TOBIAS STUMM MATR.-NR

2 Inhalt Motivation Lisp > Definition > Scheme Interpreter > Definition > Prozesse Ausblick

3 Motivation

4 Motivation > Interpretation ist ein interessantes Konzept > Scheme als funktionale Programmiersprache > Entwicklung eines Interpreters als eingebettete Lösung für das Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft

5 Lisp

6 Lisp Was ist LISP? > Wurde erstmals 1958 spezifiziert > Steht für List Processing > Grunddatenstrukturen sind > Atome (Skalarwerte) > Listen > Zahlreiche Dialekte, daher wird Lisp oft als Sprachfamilie bezeichnet

7 Scheme

8 Lisp Scheme > Entwickelt von Guy Lewis Steele Jr. und Gerald J. Sussmann > Multiparadigmische Programmiersprache > Geringer Sprachumfang > Verschiedene Standards > Arbeit behandelt R5RS > Basiert auf Klammer-Präfix-Notation (display "Hello World!")

9 Semantik

10 Scheme Semantik > Variablen sind typenlos > Variablen referenzieren Objekte > Alle Daten werden in Objekten gekapselt > Objekte besitzen einen Datentyp > Objekte werden als Kopie übergeben > Objekte haben laut Standard eine unbegrenzte Lebenszeit > Sinnvoll? (+ 3 4) Unbegrenze Lebenszeit? > Scheme-Implementationen geben Speicher üblicherweise wieder frei

11 Scheme Semantik > Variablen haben einen lexikalischen Gültigkeitsbereich > Lexial scope > Variablen sind innerhalb einer Umgebung gebunden Variable A? Wert abrufen? Bezeichner A Evaluation Wert der Variable

12 Paare und Listen

13 Scheme Paare und Listen > Ein Paar ist eine Datenstruktur mit zwei Feldern (car. cdr) > Listen sind verkettete Paare (+ 1 2) (+. (1. (2. ())) > Die Leere Liste ist ein eigenes Objekt

14 Funktionsaufrufe

15 Scheme Funktionsaufrufe > Die Auswertung von Listen ist ein Funktionsaufruf > Listenelemente werden alle ausgewertet (+ 3 4) Interne Funktion Evaluieren zu sich selbst Funktionsaufruf > Das erste Element der Liste muss zu einer Funktion evaluieren > Funktionaufrufe könne beliebige Werte zurückgeben

16 Funktionen

17 Scheme Funktionen > Funktionen können durch Lambda-Ausdrücke erzeugt werden > Funktionen sind Objekte (lambda <Parameter> <Ausdrücke>) > Parameter können in drei Formen vorliegen > Liste von Variablen (a b c) > Eine einzige Variable a > Paar (a b. c)

18 Scheme Funktionen > Funktionen kann beliebig viele Ausdrücke beinhalten > Ergebnis des letzten Ausdrucks ist der Rückgabewert > Funktionen speichern die Umgebung in der sie erzeugt worden sind > Alle Bindungen bleiben referenzierbar

19 Definitionen

20 Scheme Definitionen > Binden Werte an Variablen in der aktuellen Umgebung (define <Variable> <Ausdruck>) > Der Ausdruck wird ausgewertet > Das Ergebnis wird an die Variable gebunden > define kann auch analog zu lambda verwendet werden (define (<Variable> <Parameter>) <Ausdruck>)

21 Scheme Definitionen (define (<Variable> <Parameter>) <Ausdruck>) > Die Parameter können zwei Formen haben > Einer oder mehr Parameter, mit oder ohne Rest (define (test a b. c) <Ausdruck>) (define test (lambda (a b. c) <Ausdruck>)) > Einen Parameter nach einem Punkt (define (test. a) <Ausdruck>) (define test (lambda a <Ausdruck>))

22 Bindungskonstrukte

23 Scheme Bindungskonstrukte > Binden eine Menge Variablen für eine Menge von Ausdrücken (<Bindungskonstrukt> <Bindungen> <Inhalt>) > <Bindungen> ist eine Liste von Bindungen der Form (<Variable> <Wert>) > Es existieren drei Konstrukte: > let: Keine Referenzierungen > let*: Referenzierungen nach links > letrec: Alle Referenzierungen möglich

24 Bedingungen

25 Scheme Bedingungen > Kontrollkonstrukt aus der imperativen Programmierung (if <Bedingung> <Konsequenz>) (if <Bedingung> <Konsequenz> <Alternative>) > Ablauf analog zu anderen Programmiersprachen

26 Konstante Daten

27 Scheme Konstante Daten > Die Auswertung von Objekten kann verhindert werden (quote <Ausdruck>) <Ausdruck> > Zahlen, Strings und einzelne Zeichen evaluieren zu sich selbst > Mischform zwischen konstanten Daten und evaluierenden Daten > Quasiquote

28 Closures

29 Scheme Closures > Funktionen sind gleichzeitig Closures > kennen die Umgebung in der sie erzeugt wurden > Wiederherstellung und Erweiterung der Umgebung vor Evaluation (define (getlambda x) (lambda (y) (+ x y)))

30 Continuations

31 Scheme Continuations > Kontrollzustände eines Programms > Scheme kann zwischen verschiedenen Continuations welchseln > Unterbrechung der aktuellen Continuation > Ähnlich zu GOTO (call-with-current-continuation <Funktion>) > Funktion bekommt die aktuelle Continuation übergeben > Kann als Rücksprungfunktion verwendet werden

32 Scheme Continuations - Beispiel (define test "abc") (display (call-with-current-continuation (lambda (cont) (set! test cont)))) (test "Hello World!") > Ausgabe wird unterbrochen > Rücksprung wird in test gespeichert > Aufruf von test führt die Ausgabe fort > Beliebig wiederholbar

33 Endrekursion

34 Scheme Endrekursion > Ermöglicht rekursive Aufrufe iterativ auf begrenztem Speicher durchzuführen > Rekursion der Tiefe n braucht n+1 Stackframes > Funktionsaufrufe werden aneinandergehangen > Direkter Sprung in die Funktion > Rücksprungadressen müssen nicht gespeichert werden > Rekursionen werden iterativ umgesetzt

35 Makros

36 Scheme Makros > Ermöglichen das Hinzufügen neuer Syntaxelemente > Definition von Transformationen > Bindung der Transformationsregeln an ein Schlüsselwort > Makros sind hygienisch > Variablen außerhalb eines Makros können nicht referenziert werden

37 Scheme Makros - Beispiel (define i 5) (let-syntax ((while (syntax-rules () ( (while test body) (let loop() (when test body (loop))) )))) (while (> i 0) (begin (display i) (set! i (- i 1)))))

38 Interpreter

39 Interpreter Was sind Interpreter? > Werkzeug zur Ausführung von Programmcodes > Abstraktion von Code in eine interne Darstellungsform > Interne Darstellungsform kann ausgeführt werden > Es existieren Mischformen von Interpretern und Compilern > Bytecode > Just-In-Time-Kompilation

40 Interpreter Prozesse eines Interpreters Lexikalische Analyse Syntaktische Analyse Interpretation

41 Lexikalische Analyse

42 Interpreter Lexikalische Analyse > Programmcode wird in Sprachkomponenten aufgeteilt > Erkennung der Tokens durch Muster > Muster werden durch eine Grammatik festgelegt > Grammatik legt Regeln zur Zusammensetzung der Ausdrücke fest > Zwei Bestandteile: > Terminalen Symbole > Nicht-terminalen Symbole > Zusätzlich gibt es eine Menge von Startsymbolen

43 Interpreter Lexikalische Analyse - Beispiel (+ 5 (* 5 5)) ( + ( * 5 5 ) )

44 Syntaktische Analyse

45 Interpreter Syntaktische Analyse > Strukturiert Sequenzen von Tokens > Zusammenfassen von Tokens zu Nichtterminalsymbolen > Bei gültigen Ausdrücken: Erhalt eines Startsymbols > Entstehung einer Baumstruktur > Enthält die syntaktischen Elemente des Ausdrucks > Unter Umständen ineffizient durch Redundanz

46 Interpreter Syntaktische Analyse - Beispiel Ausdruck Funktionsaufruf Operator Ausdruck Variable Operand Ausdruck Literal Operand Ausdruck Funktionsaufruf Bezeichner Zahl Operator Operand Operand + 5 Ausdruck Ausdruck Ausdruck Variable Literal Literal Bezeichner Zahl Zahl *

47 Abstrakte Syntaxbäume

48 Interpreter Abstrakte Syntaxbäume > Modifikation des Syntaxbaums > Reduzierung der Redundanz > Kapselung von Informationen in den Knoten + Typ: Funktionsaufruf 5 Typ: Zahl * Typ: Funktionsaufruf 5 Typ: Zahl 5 Typ: Zahl

49 Interpretation

50 Interpreter Interpretation abstrakter Syntaxbäume > Operation in jedem Knoten gekapselt > Knoten muss Evaluation implementieren > Evaluation des Wurzelknotens > Interpretation > Ansatz für Bytecode

51 Ausblick

52 Ausblick > Entwicklung eines Interpreters für Scheme > Abstrakte Syntaxbäume sind ein leichter Ansatz für Interpreter > Optimierung

53 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Haben Sie noch Fragen?