Semantyka i weryfikacja programów/Ćwiczenia 3: Różnice pomiędzy wersjami
Nie podano opisu zmian |
m Zastępowanie tekstu – „,↵</math>” na „</math>,” |
||
(Nie pokazano 7 wersji utworzonych przez 3 użytkowników) | |||
Linia 1: | Linia 1: | ||
== Zawartość == | == Zawartość == | ||
Kończymy semantykę małych kroków i rozpoczynamy semantykę naturalną (duże kroki). | Kończymy semantykę małych kroków i rozpoczynamy semantykę naturalną (duże kroki). | ||
Uzupełnimy semantykę naturalną języka | Uzupełnimy semantykę naturalną języka TINY o semantykę naturalną wyrażeń boolowskich i arytmetycznych oraz semantykę błędów wykonania. | ||
wyrażeń boolowskich i arytmetycznych oraz semantykę błędów wykonania. | Wreszcie dodamy nową instrukcję pętli <math>\mathbf{loop}\ </math>,, pozwalającą na niestrukturalne przerwanie lub wznowienie iteracji (instrukcje <math>\mathbf{exit}</math> i <math>\mathbf{continue}</math>). | ||
Wreszcie dodamy nową instrukcję pętli <math>\mathbf{loop}\ | |||
niestrukturalne przerwanie lub wznowienie iteracji (instrukcje <math>\mathbf{exit}</math> i <math>\mathbf{continue}</math>). | |||
Linia 15: | Linia 12: | ||
{{cwiczenie|1|cw1| | {{cwiczenie|1|cw1| | ||
Zdefiniuj znaczenie wyrażeń boolowskich i arytmetycznych | Zdefiniuj znaczenie wyrażeń boolowskich i arytmetycznych w języku TINY w stylu dużych kroków (semantyka naturalna). | ||
w języku | |||
}} | }} | ||
<div class="mw-collapsible mw-made=collapsible mw-collapsed"><div class="mw-collapsible-content" style="display:none"> | <div class="mw-collapsible mw-made=collapsible mw-collapsed"> | ||
<span class="mw-collapsible-toogle mw-collapsible-toogle-default style="font-variant:small-caps">Rozwiązanie</span> | |||
<div class="mw-collapsible-content" style="display:none"> | |||
Przypomnijmy składnię wyrażeń boolowskich i arytmetycznych | Przypomnijmy składnię wyrażeń boolowskich i arytmetycznych języka TINY: | ||
<math> | <math> | ||
Linia 61: | Linia 57: | ||
e, s \longrightarrow n | e, s \longrightarrow n | ||
\quad \quad \quad | \quad \quad \quad | ||
b, s \longrightarrow l | b, s \longrightarrow l</math>, | ||
</math> | |||
gdzie <math>s \in \mathbf{State}</math>, <math>n \in</math> jest liczbą całkowitą, | gdzie <math>s \in \mathbf{State}</math>, <math>n \in</math> jest liczbą całkowitą, <math>n \in \mathbf{Num}</math>, a <math>l \in \mathbf{Bool} = \{ \mathbf{true}, \mathbf{false} \}</math>. | ||
<math>n \in \mathbf{Num}</math>, a <math>l \in \mathbf{Bool} = \{ \mathbf{true}, \mathbf{false} \}</math>. | Tranzycja taka oznacza, że wyrażenie <math>e</math> w stanie <math>s</math> wylicza się do wartości <math>n</math> oraz analogicznie, wyrażenie logiczne <math>b</math> w stanie <math>s</math> wylicza się do <math>l</math>. | ||
Tranzycja taka oznacza, że wyrażenie <math>e</math> w stanie <math>s</math> wylicza się do | |||
wartości <math>n</math> oraz analogicznie, wyrażenie logiczne <math>b</math> w | |||
stanie <math>s</math> wylicza się do <math>l</math>. | |||
Zatem zbiór konfiguracji dla semantyki całego języka Tiny to znów | Zatem zbiór konfiguracji dla semantyki całego języka Tiny to znów | ||
Linia 76: | Linia 68: | ||
</math> | </math> | ||
a konfiguracje końcowe to <math>\mathbf{State}</math> tak jak poprzednio. | a konfiguracje końcowe to <math>\mathbf{State}</math> tak jak poprzednio. | ||
Tranzycje dla instrukcji pozostają zasadniczo bez zmian, z tym | Tranzycje dla instrukcji pozostają zasadniczo bez zmian, z tym że odwołania do funkcji semantycznych dla wyrażen zastępujemy przez odpowiednie tranzycje. | ||
że odwołania do funkcji semantycznych dla wyrażen zastępujemy | |||
przez odpowiednie tranzycje. | |||
Np. dla instrukcji pętli będziemy mieć następujące reguły: | Np. dla instrukcji pętli będziemy mieć następujące reguły: | ||
Linia 93: | Linia 83: | ||
Podobnie dla instrukcji warunkowej. | Podobnie dla instrukcji warunkowej. | ||
Teraz zajmiemy się tranzycjami dla wyrażeń. | Teraz zajmiemy się tranzycjami dla wyrażeń. | ||
Zacznijmy od | Zacznijmy od stałych arytmetycznych i boolowskich: | ||
<math> | <math> | ||
n, s \,\longrightarrow\, n | n, s \,\longrightarrow\, n | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
l, s \,\longrightarrow\, l | l, s \,\longrightarrow\, l</math> | ||
</math> | |||
Operatory arytmetyczne definiujemy następująco: | Operatory arytmetyczne definiujemy następująco: | ||
Linia 110: | Linia 99: | ||
</math> | </math> | ||
Czyli aby obliczyć sumę <math>e_1 + e_2</math> w stanie | Czyli aby obliczyć sumę <math>e_1 + e_2</math> w stanie <math>s</math>, trzeba najpierw obliczyć <math>e_1</math> i <math>e_2</math> w tym stanie, a następnie dodać obliczone wartości. | ||
<math>s</math>, trzeba najpierw obliczyć <math>e_1</math> i | Zauważmy, że nie specyfikujemy kolejności, w jakiej mają się obliczać obydwa podwyrażenia. | ||
<math>e_2</math> w tym stanie, a następnie dodać obliczone wartości. | I choć tutaj nie ma to żadnego znaczenia, w przyszłości będzie inaczej, gdy jezyk będzie umożliwiał efekty uboczne podczas obliczania wyrażeń. | ||
Zauważmy, że nie specyfikujemy kolejności, w jakiej mają się | |||
obliczać obydwa podwyrażenia. | |||
I choć tutaj nie ma to żadnego znaczenia, w przyszłości | |||
będzie inaczej, gdy jezyk będzie umożliwiał efekty uboczne | |||
podczas obliczania wyrażeń. | |||
Podobne reguły można napisać dla pozostałych operacji | Podobne reguły można napisać dla pozostałych operacji arytmetycznych, oraz dla spójników logicznych: | ||
<math> | <math> | ||
Linia 129: | Linia 112: | ||
</math> | </math> | ||
Oto inny wariant, | (strategia gorliwa). | ||
Reguły dla <math>\leq</math> są następujące: | |||
<math> | |||
\frac{e_1, s \,\longrightarrow\, n_1 \quad \quad e_2, s \,\longrightarrow\, n_2 \quad \quad n_1 \leq n_2} | |||
{e_1 \leq e_2, s \,\longrightarrow\, \mathbf{true}} | |||
\quad \quad | |||
\frac{e_1, s \,\longrightarrow\, n_1 \quad \quad e_2, s \,\longrightarrow\, n_2 \quad \quad n_1 > n_2} | |||
{e_1 \leq e_2, s \,\longrightarrow\, \mathbf{false}} | |||
</math> | |||
Oto inny wariant semantyki spójnika <math>\land</math>, tzw. strategia lewostronna (ponieważ rozpoczynamy od ''lewego'' koniunktu): | |||
<math> | <math> | ||
Linia 140: | Linia 134: | ||
</math> | </math> | ||
Inny wariant to | Inny wariant to strategia prawostronna (najpierw <math>b_2</math>, potem <math>b_1</math>). | ||
najpierw <math>b_2</math>, potem <math>b_1</math>). | Wreszcie rozważmy kombinację obydwu semantyk (strategia ''równoległa'' lub ''leniwa''): | ||
Wreszcie rozważmy kombinację obydwu semantyk ( | |||
<math> | <math> | ||
Linia 152: | Linia 145: | ||
</math> | </math> | ||
Czyli jeśli którekolwiek z podwyrażeń daje wynik <math>\mathbf{false}</math>, | Czyli jeśli którekolwiek z podwyrażeń daje wynik <math>\mathbf{false}</math>, to taki wynik zyskuje całe wyrażenie. | ||
to taki wynik zyskuje całe wyrażenie. | |||
Dodatkowo potrzebujemy jeszcze reguły: | Dodatkowo potrzebujemy jeszcze reguły: | ||
Linia 162: | Linia 154: | ||
</math> | </math> | ||
'''Pytanie:''' czy w naszym prostym języku wszystkie cztery strategie obliczania spójnika <math>\land</math> są równoważne? | |||
są równoważne | |||
Reguły dla | Reguły dla negacji oraz dla instrukcji przypisania pozostawiamy jako proste ćwiczenie. | ||
negacji oraz dla instrukcji przypisania pozostawiamy jako proste | |||
ćwiczenie. | |||
</div></div> | </div></div> | ||
Linia 182: | Linia 172: | ||
i rozszerz semantykę z poprzedniego zadania. | i rozszerz semantykę z poprzedniego zadania. | ||
Dzielenie przez zero jest | Dzielenie przez zero jest błędem i kończy natychmiast wykonanie programu. | ||
programu. | Oprócz stanu wynikiem programu powinna byc informacja o błędzie, jeśli błąd wystąpił. | ||
Oprócz stanu wynikiem programu powinna byc informacja o błędzie, | |||
jeśli błąd wystąpił. | |||
}} | }} | ||
<div class="mw-collapsible mw-made=collapsible mw-collapsed"> | |||
<span class="mw-collapsible-toogle mw-collapsible-toogle-default style="font-variant:small-caps">Rozwiązanie</span> | |||
<div class="mw-collapsible mw-made=collapsible mw-collapsed"><div class="mw-collapsible-content" style="display:none"> | <div class="mw-collapsible-content" style="display:none"> | ||
Dopóki nie wystąpi błąd dzielenia przez zero, semantyka programu | Dopóki nie wystąpi błąd dzielenia przez zero, semantyka programu | ||
powinna być identyczna jak w poprzednim zadaniu. Zatem pozostawiamy | powinna być identyczna jak w poprzednim zadaniu. Zatem pozostawiamy wszystkie reguły z poprzedniego zadania. | ||
wszystkie reguły z poprzedniego zadania. | |||
Dodatkowo potrzebujemy reguł, które opiszą | Dodatkowo potrzebujemy reguł, które opiszą | ||
Linia 202: | Linia 189: | ||
Zaczynamy od pierwszego punktu. | Zaczynamy od pierwszego punktu. | ||
W tym celu dodajemy do konfiguracji jedną konfigurację końcową | W tym celu dodajemy do konfiguracji jedną konfigurację końcową <math>\mathtt{Blad}</math>. | ||
<math>\mathtt{Blad}</math>. | Reguła opisująca powstanie błędu może wyglądać np. tak (duże i małe kroki): | ||
Reguła opisująca powstanie błędu może wyglądać np. tak | |||
(duże i małe kroki): | |||
<math> | <math> | ||
Linia 211: | Linia 196: | ||
{e_1 / e_2, s \,\longrightarrow\, \mathtt{Blad}} | {e_1 / e_2, s \,\longrightarrow\, \mathtt{Blad}} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
e_1 / 0, s \,\Longrightarrow | e_1 / 0, s \,\Longrightarrow, \mathtt{Blad}</math> | ||
</math> | |||
Pomijamy tutaj reguły dla przypadku, gdy <math>e_2</math> | Pomijamy tutaj reguły dla przypadku, gdy <math>e_2</math> oblicza się do wartości różnej od zera. | ||
oblicza się do wartości różnej od zera. | Ponadto dla czytelności przyjęliśmy, że wynikiem tranzycji jest wyłącznie informacja o błędzie, a stan jest zapominany. | ||
Ponadto dla czytelności przyjęliśmy, że wynikiem tranzycji jest | Bez trudu możnaby wszystkie reguły (zarówno te powyżej jak i te poniżej) zmodyfikować tak, by wraz z informacją o błędzie zwracany był też stan, w którym błąd się pojawił. | ||
wyłącznie informacja o błędzie, a stan jest zapominany. | Np. ostatnia reguła wyglądałaby następująco: | ||
Bez trudu możnaby wszystkie reguły (zarówno te powyżej jak i te | |||
poniżej) zmodyfikować tak, by wraz z | |||
informacją o błędzie zwracany był też stan, w którym błąd się | |||
pojawił. Np. ostatnia reguła wyglądałaby następująco: | |||
<math> | <math> | ||
Linia 227: | Linia 207: | ||
{e_1 / e_2, s \,\longrightarrow\, \mathtt{Blad}, s} | {e_1 / e_2, s \,\longrightarrow\, \mathtt{Blad}, s} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
e_1 / 0, s \,\Longrightarrow | e_1 / 0, s \,\Longrightarrow, \mathtt{Blad}, s | ||
</math> | </math> | ||
i zamiast pojedyńczej konfiguracji końcowej <math>\mathtt{Blad}</math> potrzebowalibyśmy | i zamiast pojedyńczej konfiguracji końcowej <math>\mathtt{Blad}</math> potrzebowalibyśmy oczywiście całego zbioru <math>\{ \mathtt{Blad} \} \times \mathbf{State}</math>. | ||
oczywiście całego zbioru <math>\{ \mathtt{Blad} \} \times \mathbf{State}</math>. | |||
Przejdźmy teraz do drugiego punktu. Potrzebujemy dodatkowych reguł, | Przejdźmy teraz do drugiego punktu. Potrzebujemy dodatkowych reguł, które zagwarantują, że błąd, raz pojawiwszy się, propaguje się przez wszystkie konstrukcje składniowe, a normalne obliczenie wyrażenia jest wstrzymame. | ||
które zagwarantują, że błąd, raz pojawiwszy się, propaguje się przez | |||
wszystkie konstrukcje składniowe, a normalne obliczenie wyrażenia | |||
jest wstrzymame. | |||
<math> | <math> | ||
Linia 287: | Linia 263: | ||
</math> | </math> | ||
Zwróćmy szczególnie uwagę na ostatnią regułę dla pętli <math>\mathbf{while}\ | Zwróćmy szczególnie uwagę na ostatnią regułę dla pętli <math>\mathbf{while}\ </math>,: wyraża ona przypadek, gdy błąd został wygenerowany nie w pierwszym obiegu pętli, ale w którymś z kolejnych. | ||
wyraża ona przypadek, gdy błąd został wygenerowany | Musieliśmy rozważyc również ten przypadek, ponieważ wybraliśmy podejście dużych kroków; w podejściu małych kroków nie byłoby to zapewne konieczne. | ||
nie w pierwszym obiegu pętli, ale w którymś z kolejnych. | |||
Musieliśmy rozważyc również ten przypadek, ponieważ wybraliśmy | |||
podejście dużych kroków; w podejściu małych kroków nie byłoby | |||
to zapewne konieczne. | |||
</div></div> | </div></div> | ||
{{cwiczenie|3|cw3| | {{cwiczenie|3|cw3| | ||
Rozszerzmy język | Rozszerzmy język TINY o następującą instrukcję pętli: | ||
<math> | <math> | ||
Linia 310: | Linia 282: | ||
<math>\mathbf{loop}\, I</math> to instrukcja pętli, <math>I</math> stanowi instrukcję wewnętrzną. | <math>\mathbf{loop}\, I</math> to instrukcja pętli, <math>I</math> stanowi instrukcję wewnętrzną. | ||
Instrukcja <math>\mathbf{exit}</math> wychodzi z nabliższej otaczającej pętli <math>\mathbf{loop}\ | Instrukcja <math>\mathbf{exit}</math> wychodzi z nabliższej otaczającej pętli <math>\mathbf{loop}\ </math>, i kontynuuje wykonanie programu od pierwszej instrukcji za tą pętlą. | ||
i kontynuuje wykonanie programu od pierwszej instrukcji za tą pętlą. | Instrukcja <math>\mathbf{continue}</math> powraca na początek instrukcji wewnętrznej najbliższej otaczającej pętli <math>\mathbf{loop}\ </math>,. | ||
Instrukcja <math>\mathbf{continue}</math> powraca na początek instrukcji wewnętrznej | |||
najbliższej otaczającej pętli <math>\mathbf{loop}\ | |||
Pozważ zarówno semantykę naturalną jak i semantykę małych kroków. | Pozważ zarówno semantykę naturalną, jak i semantykę małych kroków. | ||
}} | }} | ||
Dodamy do reguł semantyki naturalnej dla języka | <div class="mw-collapsible mw-made=collapsible mw-collapsed"> | ||
kilka nowych reguł opisujących nową konstrukcję języka | <span class="mw-collapsible-toogle mw-collapsible-toogle-default style="font-variant:small-caps">Rozwiązanie</span> | ||
i jej | <div class="mw-collapsible-content" style="display:none"> | ||
Dodamy do reguł semantyki naturalnej dla języka TINY kilka nowych reguł opisujących nową konstrukcję języka i jej "interakcję" z pozostałymi konstrukcjami. | |||
Pomysł polega na dodaniu specjalnych konfiguracji zawierających | Pomysł polega na dodaniu specjalnych konfiguracji zawierających informację o tym, że została wykonana instrukcja <math>\mathbf{exit}</math> lub <math>\mathbf{continue}</math>. Oto odpowiednie reguły: | ||
informację o tym, że została wykonana instrukcja <math>\mathbf{exit}</math> | |||
lub <math>\mathbf{continue}</math>. Oto odpowiednie reguły: | |||
<math> | <math> | ||
\mathbf{exit}, s \,\longrightarrow\, s, \mbox{było-}\mathbf{exit} | \mathbf{exit}, s \,\longrightarrow\, s, \mbox{było-}\mathbf{exit} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\mathbf{continue}, s \,\longrightarrow\, s, \mbox{było-}\mathbf{continue} | \mathbf{continue}, s \,\longrightarrow\, s, \mbox{było-}\mathbf{continue}</math> | ||
</math> | |||
Czyli instrukcje <math>\mathbf{exit}</math> i <math>\mathbf{continue}</math> nie modyfikują | Czyli instrukcje <math>\mathbf{exit}</math> i <math>\mathbf{continue}</math> nie modyfikują stanu <math>s</math>, ale zostawiają po sobie "ślad". | ||
stanu <math>s</math>, ale zostawiają po sobie | Zauważmy, że taki ślad zostaje pozostawiony tylko wtedy, jeśli nie było dotychczas innego śladu, to znaczy jeśli <math>\mathbf{exit}</math> (lub <math>\mathbf{continue}</math>) zostało wykonane w zwykłym stanie <math>s</math>. | ||
Zauważmy, że taki ślad zostaje pozostawiony tylko wtedy, | |||
nie było dotychczas innego śladu, to znaczy jeśli <math>\mathbf{exit}</math> | |||
(lub <math>\mathbf{continue}</math>) zostało wykonane w zwykłym stanie <math>s</math>. | |||
Oczywiście poszerzamy odpowiednio zbiór konfiguracji o: | Oczywiście poszerzamy odpowiednio zbiór konfiguracji o: | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{State} \times \{ \mbox{było-}\mathbf{exit}, \mbox{było-}\mathbf{continue} \} | \mathbf{State} \times \{ \mbox{było-}\mathbf{exit}, \mbox{było-}\mathbf{continue} \}</math> | ||
</math> | |||
'''Pytanie''': jakie powinno być zachowanie <math>\mathbf{exit}</math> i | '''Pytanie''': jakie powinno być zachowanie <math>\mathbf{exit}</math> i <math>\mathbf{continue}</math> w konfiguracji <math>s, \mbox{było-}\mathbf{exit}</math> lub <math>s, \mbox{było-}\mathbf{continue}</math>? | ||
<math>\mathbf{continue}</math> w konfiguracji <math>s, \mbox{było-}\mathbf{exit}</math> | Czy instrukcje <math>\mathbf{exit}</math> i <math>\mathbf{continue}</math> będą faktycznie wykonywane w takich konfiguracjach? | ||
lub <math>s, \mbox{było-}\mathbf{continue}</math>? | |||
Czy instrukcje <math>\mathbf{exit}</math> i <math>\mathbf{continue}</math> | |||
będą faktycznie wykonywane w takich konfiguracjach? | |||
Zapiszmy teraz jak inne instrukcje korzystają z dodatkowej informacji | Zapiszmy teraz, jak inne instrukcje korzystają z dodatkowej informacji (śladu) zawartej w konfiguracjach. | ||
(śladu) zawartej w konfiguracjach. | Oczywiście "beneficjentem" korzystającym z tej informacji jest instrukcja <math>\mathbf{loop}\ </math>,: | ||
Oczywiście beneficjentem tej informacji jest | |||
<math> | <math> | ||
Linia 366: | Linia 325: | ||
</math> | </math> | ||
Czyli w zależności od tego, jaki ślad został zarejestrowany | Czyli w zależności od tego, jaki ślad został zarejestrowany podczas wykonania <math>I</math>, albo kończymy wykonanie pętli <math>\mathbf{loop}\ </math>,, albo rozpoczynamy kolejną iterację. | ||
podczas wykonania <math>I</math>, albo kończymy wykonanie pętli <math>\mathbf{loop}\ | Zauważmy, że stan <math>s'</math> może być różny od <math>s</math>, ponieważ zanim wykonała się ktoraś z instrukcji <math>\mathbf{exit}</math> lub | ||
albo rozpoczynamy kolejną iterację. | <math>\mathbf{continue}</math> mogły zostać zmienione wartości niektórych zmiennych. | ||
Zauważmy, że stan <math>s'</math> może być różny od <math>s</math>, ponieważ | |||
zanim wykonała się ktoraś z instrukcji <math>\mathbf{exit}</math> lub | |||
<math>\mathbf{continue}</math> | |||
Oczywiście, jeśli instrukcja wewnętrzna <math>I</math> zakończyła się | Oczywiście, jeśli instrukcja wewnętrzna <math>I</math> zakończyła się "normalnie", kontynuujemy wykonanie pętli podobnie jak w przypadku wywołania <math>\mathbf{continue}</math>: | ||
wywołania <math>\mathbf{continue}</math>: | |||
<math> | <math> | ||
Linia 392: | Linia 346: | ||
</math> | </math> | ||
Okazuje się że nie, ponieważ ślad powinien zostać zawsze | Okazuje się że nie, ponieważ ślad powinien zostać zawsze "wymazany" przez pętlę <math>\mathbf{loop}\ </math>,. | ||
Teraz musimy określić zachowanie wszystkich instrukcji w sytuacji, | Teraz musimy określić zachowanie wszystkich instrukcji w sytuacji, gdy bieżąca konfiguracja zawiera już ślad. Zasadniczo, powinniśmy zaniechać wykonania instrukcji (w przypadku pętli, powinniśmy zaniechać dalszego iterowania tej pętli). | ||
gdy bieżąca konfiguracja zawiera już ślad. Zasadniczo, powinniśmy | |||
zaniechać wykonania instrukcji (w przypadku pętli, powinniśmy | |||
zaniechać dalszego iterowania tej pętli). | |||
Oto odpowiednie reguły dla <math>\mbox{było-}\mathbf{exit}</math>: | Oto odpowiednie reguły dla <math>\mbox{było-}\mathbf{exit}</math>: | ||
Linia 432: | Linia 377: | ||
Pominęliśmy zupełnie analogiczne reguły dla <math>\mbox{było-}\mathbf{continue}</math>. | Pominęliśmy zupełnie analogiczne reguły dla <math>\mbox{było-}\mathbf{continue}</math>. | ||
Zauważmy, że dla pętli <math>\mathbf{while}\ | Zauważmy, że dla pętli <math>\mathbf{while}\ </math>, nie rozpatrujemy przypadku, gdy dozór <math>b</math> oblicza się do <math>\mathbf{false}</math>, gdyż w tym przypadku nie ma możliwości wygenerowania śladu. | ||
gdy dozór <math>b</math> oblicza się do <math>\mathbf{false}</math>, gdyż w tym przypadku | |||
nie ma możliwości wygenerowania śladu. | |||
Zauważmy też, że nasze reguły nie pozwalają na dodanie drugiego (kolejnego) śladu! | |||
</div></div> | </div></div> | ||
<div class="mw-collapsible mw-made=collapsible mw-collapsed"><div class="mw-collapsible-content" style="display:none"> | <div class="mw-collapsible mw-made=collapsible mw-collapsed"> | ||
<span class="mw-collapsible-toogle mw-collapsible-toogle-default style="font-variant:small-caps">Rozwiązanie</span> | |||
<div class="mw-collapsible-content" style="display:none"> | |||
W semantyce naturalnej musieliśmy napisać wiele reguł aby | W semantyce naturalnej musieliśmy napisać wiele reguł, aby zapewnić pomijanie instrukcji w sytuacji, gdy został juz zarejestrowany jakiś ślad. Było to dość uciążliwe. | ||
zapewnić pomijanie instrukcji w sytuacji, gdy został juz | Okazuje się, że podejście mało-krokowe oferuje możliwość bardziej eleganckiego rozwiązania. | ||
zarejestrowany jakiś ślad. Było to dość uciążliwe. | |||
Okazuje się, że podejście mało-krokowe oferuje możliwość | |||
bardziej eleganckiego rozwiązania. | |||
Punktem startowym sę teraz reguły mało-krokowe dla języka | Punktem startowym sę teraz reguły mało-krokowe dla języka TINY. | ||
Podobnie jak poprzednio rozszerzymy zbiór konfiguracji i podobnie | Podobnie jak poprzednio, rozszerzymy zbiór konfiguracji i podobnie opiszemy, jak powstaje ślad: | ||
opiszemy, jak powstaje ślad: | |||
<math> | <math> | ||
\mathbf{exit}, s \,\Longrightarrow | \mathbf{exit}, s \,\Longrightarrow, s, \mbox{było-}\mathbf{exit} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\mathbf{continue}, s \,\Longrightarrow | \mathbf{continue}, s \,\Longrightarrow, s, \mbox{było-}\mathbf{continue}</math> | ||
</math> | |||
Ponadto musimy określić sposób, w jaki mały krok | Ponadto musimy określić sposób, w jaki mały krok mniejszej instrukcji zostaje zamieniony na mały krok większej. Np. | ||
mniejszej instrukcji zostaje zamieniony na mały krok | |||
większej. Np. | |||
<math> | <math> | ||
\frac{I_1, s \,\Longrightarrow | \frac{I_1, s \,\Longrightarrow, s', \mbox{było-}\mathbf{exit}} | ||
{I_1;\, I_2, s \,\Longrightarrow | {I_1;\, I_2, s \,\Longrightarrow, s', \mbox{było-}\mathbf{exit}} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\mbox{ i analogicznie dla } \mbox{było-}\mathbf{continue} | \mbox{ i analogicznie dla } \mbox{było-}\mathbf{continue}</math> | ||
</math> | |||
Nie musimy zajmowac się przypadkiem, gdy ślad | Nie musimy zajmowac się przypadkiem, gdy ślad powstaje w <math>I_2</math>, bo wybraliśmy podejście małokrokowe. | ||
powstaje w <math>I_2</math>, bo wybraliśmy podejście | Ponadto, nie musimy opisywać instrukcji warunkowej i pętli <math>\mathbf{while}\ </math>,, ponieważ ślad nie może powstać podczas obliczania dozoru! | ||
Ponadto, nie musimy opisywać instrukcji warunkowej i pętli <math>\mathbf{while}\ | |||
ponieważ ślad nie może powstać podczas obliczania dozoru! | |||
Wreszcie zobaczmy jak zachowuje się pętla <math>\mathbf{loop}\ | Wreszcie zobaczmy jak zachowuje się pętla <math>\mathbf{loop}\ </math>,: | ||
<math> | <math> | ||
\frac{I, s \,\Longrightarrow | \frac{I, s \,\Longrightarrow, s', \mbox{było-}\mathbf{exit}} | ||
{\mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow | {\mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, s'} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\frac{I, s \,\Longrightarrow | \frac{I, s \,\Longrightarrow, s', \mbox{było-}\mathbf{continue}} | ||
{\mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow | {\mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, \mathbf{loop}\, I, s'} | ||
</math> | </math> | ||
Reguły te są prawie identyczne | Reguły te są prawie identyczne z regułami semantyki naturalnej dla tej sytuacji! | ||
sytuacji! | Natomiast korzystamy z tego, że w podejściu małokrokowym zmiana konfiguracji na <math>s', \mbox{było-}\mathbf{exit}</math> czy <math>s', \mbox{było-}\mathbf{continue}</math> jest ''natychmiast'' widoczna w instrukcji <math>\mathbf{loop}\, I</math>, nawet jeśli <math>\mathbf{exit}</math> czy <math>\mathbf{continue}</math> zostało wywołane głęboko wewnątrz <math>I</math>! | ||
Natomiast korzystamy z tego, że w podejściu | |||
na <math>s', \mbox{było-}\mathbf{exit}</math> czy <math>s', \mbox{było-}\mathbf{continue}</math> jest | |||
''natychmiast'' widoczna w instrukcji <math>\mathbf{loop}\, I</math>, nawet jeśli | |||
<math>\mathbf{exit}</math> czy <math>\mathbf{continue}</math> zostało wywołane głęboko wewnątrz | |||
<math>I</math>! | |||
Niestety powyższe reguły '''nie są poprawne'''! | Niestety powyższe reguły '''nie są poprawne'''! | ||
Dlaczego? Jak zwykle w semantyce małych kroków, wykonując instrukcję | Dlaczego? Jak zwykle w semantyce małych kroków, wykonując instrukcję wewnętrzną "zapominamy" stopniowo, jaka była ona na początku. | ||
wewnętrzną | W związku z tym nie potrafimy poprawnie powrócić do wykonywania pętli <math>\mathbf{loop}\ </math>, po wywołaniu <math>\mathbf{continue}</math>. | ||
pętli <math>\mathbf{loop}\ | |||
Prostym sposobem poprawienia naszego | Prostym sposobem poprawienia naszego błędu jest rozszerzenie składni tak, aby możliwe było jednorazowe rozwinięcie pętli <math>\mathbf{loop}\ </math>,: | ||
tak, aby możliwe było jednorazowe rozwinięcie pętli <math>\mathbf{loop}\ | |||
<math> | <math> | ||
\mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow | \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, I \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s</math> | ||
</math> | |||
Teraz możemy zapisać dwie powyższe reguły dla <math>\mathbf{loop}\ | Teraz możemy zapisać dwie powyższe reguły dla <math>\mathbf{loop}\ </math>, w poprawnej wersji, pamiętając o tym, że <math>\mbox{było-}\mathbf{exit}</math> i <math>\mbox{było-}\mathbf{continue}</math> pojawią się nie w instrukcji wewnętrznej, ale w jej ''kopii'' umieszczonej przed <math>\,\mathbf{then}\ </math>,: | ||
wersji, pamiętając o tym, że <math>\mbox{było-}\mathbf{exit}</math> i | |||
<math>\mbox{było-}\mathbf{continue}</math> pojawią się nie w instrukcji wewnętrznej, | |||
ale w jej ''kopii'' umieszczonej przed <math>\,\mathbf{then}\ | |||
<math> | <math> | ||
\frac{I', s \,\Longrightarrow | \frac{I', s \,\Longrightarrow, s', \mbox{było-}\mathbf{exit}} | ||
{I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow | {I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, s'} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\frac{I', s \,\Longrightarrow | \frac{I', s \,\Longrightarrow, s', \mbox{było-}\mathbf{continue}} | ||
{I | {I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, \mathbf{loop}\, I, s'} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\frac{I', s \,\Longrightarrow | \frac{I', s \,\Longrightarrow, s'} | ||
{I | {I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, \mathbf{loop}\, I, s'} | ||
</math> | </math> | ||
Potrzebujemy też dodatkowej reguły dla obliczeń wewnątrz instrukcji | Potrzebujemy też dodatkowej reguły dla obliczeń wewnątrz instrukcji stojącej przed <math>\,\mathbf{then}\ </math>, (w szczególności może ona zawierać zagnieżdzone pętle <math>\mathbf{loop}\ </math>,): | ||
stojącej przed <math>\,\mathbf{then}\ | |||
zagnieżdzone pętle <math>\mathbf{loop}\ | |||
<math> | <math> | ||
\frac{I', s \,\Longrightarrow | \frac{I', s \,\Longrightarrow, I'', s'} | ||
{I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow | {I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, I'' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s'} | ||
</math> | </math> | ||
Na koniec zauważmy, że stan <math>s'</math> w | Na koniec zauważmy, że stan <math>s'</math> w pierwszych dwóch z powyższych reguł nigdy nie jest różny od <math>s</math>. Zatem równoważnie moglibyśmy zamienić <math>s'</math> na <math>s</math> w powyższych dwóch regułach. Ale wtedy okazuje się, <math>s</math> w parze z <math>\mbox{było-}\mathbf{exit}</math> albo <math>\mbox{było-}\mathbf{continue}</math> jest nadmiarowe i może zostać wyeliminowane. | ||
pierwszych dwóch z powyższych reguł nigdy nie jest różny | |||
od <math>s</math>. Zatem równoważnie moglibyśmy zamienić <math>s'</math> na <math>s</math> | |||
w powyższych dwóch regułach. Ale wtedy okazuje się , <math>s</math> | |||
w parze z <math>\mbox{było-}\mathbf{exit}</math> albo <math>\mbox{było-}\mathbf{continue}</math> jest nadmiarowe | |||
i może zostać wyeliminowane. | |||
Zatem ostatecznie nasze reguły mogą wyglądać tak: | Zatem ostatecznie nasze reguły mogą wyglądać tak: | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{exit}, s \,\Longrightarrow | \mathbf{exit}, s \,\Longrightarrow, \mbox{było-}\mathbf{exit} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\mathbf{continue}, s \,\Longrightarrow | \mathbf{continue}, s \,\Longrightarrow, \mbox{było-}\mathbf{continue} | ||
</math> | </math> | ||
<math> | <math> | ||
\frac{I_1, s \,\Longrightarrow | \frac{I_1, s \,\Longrightarrow, \mbox{było-}\mathbf{exit}} | ||
{I_1;\, I_2, s \,\Longrightarrow | {I_1;\, I_2, s \,\Longrightarrow, \mbox{było-}\mathbf{exit}} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\frac{I_1, s \,\Longrightarrow | \frac{I_1, s \,\Longrightarrow, \mbox{było-}\mathbf{continue}} | ||
{I_1;\, I_2, s \,\Longrightarrow | {I_1;\, I_2, s \,\Longrightarrow, \mbox{było-}\mathbf{continue}} | ||
</math> | </math> | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow | \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, I \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s</math> | ||
</math> | |||
<math> | <math> | ||
\frac{I', s \,\Longrightarrow | \frac{I', s \,\Longrightarrow, \mbox{było-}\mathbf{exit}} | ||
{I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow | {I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, s} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\frac{I', s \,\Longrightarrow | \frac{I', s \,\Longrightarrow, \mbox{było-}\mathbf{continue}} | ||
{I | {I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, \mathbf{loop}\, I, s} | ||
\quad \quad | \quad \quad | ||
\frac{I', s \,\Longrightarrow | \frac{I', s \,\Longrightarrow, s'} | ||
{I | {I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, \mathbf{loop}\, I, s} | ||
</math> | </math> | ||
<math> | <math> | ||
\frac{I', s \,\Longrightarrow | \frac{I', s \,\Longrightarrow, I'', s'} | ||
{I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow | {I' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s \,\Longrightarrow, I'' \,\mathbf{then}\, \mathbf{loop}\, I, s'} | ||
</math> | </math> | ||
a zbiór konfiguracji poszerzamy tylko o dwie nowe konfiguracje | a zbiór konfiguracji poszerzamy tylko o dwie nowe konfiguracje <math>\{ \mbox{było-}\mathbf{exit}, \mbox{było-}\mathbf{continue} \}</math>. | ||
<math>\{ \mbox{było-}\mathbf{exit}, \mbox{było-}\mathbf{continue} \}</math>. | |||
</div></div> | </div></div> | ||
== Zadania domowe == | == Zadania domowe == | ||
Linia 591: | Linia 499: | ||
{{cwiczenie|1|cw1.dom| | {{cwiczenie|1|cw1.dom| | ||
Zaproponuj semantykę | Zaproponuj semantykę małokrokową dla rozszerzeń języka Tiny, które | ||
studiowaliśmy powyżej. | studiowaliśmy powyżej. | ||
}} | }} | ||
Linia 598: | Linia 506: | ||
{{cwiczenie|2|cw2.dom| | {{cwiczenie|2|cw2.dom| | ||
Napisz | Napisz semantykę naturalną dla nieznacznie rozszerzonej wersji instrukcji <math>\mathbf{loop}\ </math>,: | ||
<math> | <math> | ||
Linia 607: | Linia 515: | ||
</math> | </math> | ||
Identyfikator <math>x</math> pełni tutaj rolę etykiety związanej z | Identyfikator <math>x</math> pełni tutaj rolę etykiety związanej z instrukcją <math>\mathbf{loop}\ </math>,, jest też parametrem dwóch pozostałych instrukcji. | ||
instrukcją <math>\mathbf{loop}\ | <math>\mathbf{exit} x</math> kończy teraz najbliższą otaczającą pętlę <math>\mathbf{loop}\ </math>, o etykiecie <math>x</math>. Podobnie <math>\mathbf{continue} x</math> wznawia najbliższą otaczającą pętlę o etykiecie <math>x</math>. | ||
instrukcji. <math>\mathbf{exit} x</math> kończy teraz najbliższą otaczającą pętlę <math>\mathbf{loop}\ | |||
o etykiecie <math>x</math>. Podobnie <math>\mathbf{continue} x</math> wznawia najbliższą | |||
otaczającą pętlę o etykiecie <math>x</math>. | |||
}} | }} | ||
Linia 618: | Linia 523: | ||
Program | Program | ||
x: <math>\mathbf{loop}\ | x: <math>\mathbf{loop}\ </math>, | ||
a := 1; | a := 1; | ||
y: <math>\mathbf{loop}\ | y: <math>\mathbf{loop}\ </math>, | ||
<math>\mathbf{exit}</math> x; | <math>\mathbf{exit}</math> x; | ||
a := a-10; | a := a-10; | ||
Linia 628: | Linia 533: | ||
kończy działanie z wartością zmiennej <math>a = 3</math>. | kończy działanie z wartością zmiennej <math>a = 3</math>. | ||
Za pomocą wcięć określiliśmy, do wnętrza której pętli | Za pomocą wcięć określiliśmy, do wnętrza której pętli <math>\mathbf{loop}\ </math>, należy każda z trzech ostatnich instrukcji przypisania. | ||
<math>\mathbf{loop}\ | Niejednoznaczność bierze się oczywiście stąd, że pracujemy ze składnią abstrakcyjną. Składnia konkretna zawierałaby prawdopodobnie jakąś konstukcję "zamykającą" pętlę <math>\mathbf{loop}\ </math>,, np. <math>\mathbf{loop}\, I \,\mathbf{end}\mathbf{loop}\ </math>,. | ||
Niejednoznaczność bierze się oczywiście stąd, że | |||
pracujemy ze składnią abstrakcyjną. Składnia konkretna zawierałaby | |||
prawdopodobnie jakąś konstukcję | |||
np. <math>\mathbf{loop}\, I \,\mathbf{end}\mathbf{loop}\ | |||
Linia 639: | Linia 540: | ||
{{cwiczenie|3|cw3.dom| | {{cwiczenie|3|cw3.dom| | ||
Napisz semantykę naturalną i | Napisz semantykę naturalną i małokrokową dla rozszerzenia | ||
języka | języka TINY o wyrażenia z efektami ubocznymi: | ||
<math> | <math> | ||
Linia 650: | Linia 551: | ||
</math> | </math> | ||
Obliczenie wyrażenia <math>\,\mathbf{do}\, I \,\mathbf{then}\, e</math> polega na wykonaniu <math>I</math> | Obliczenie wyrażenia <math>\,\mathbf{do}\, I \,\mathbf{then}\, e</math> polega na wykonaniu <math>I</math> a potem na obliczeniu <math>e</math>. | ||
a potem na obliczeniu <math>e</math>. Wartość wyrażenia <math>x:= e</math> jest taka | Wartość wyrażenia <math>x:= e</math> jest taka, jak wartość wyrażenia <math>e</math> a efektem ubocznym jest podstawienie tej wartości na zmienną <math>x</math>. | ||
jak wartość wyrażenia <math>e</math> a efektem ubocznym jest | |||
podstawienie tej wartości na zmienną <math>x</math>. | |||
}} | }} |
Aktualna wersja na dzień 21:43, 11 wrz 2023
Zawartość
Kończymy semantykę małych kroków i rozpoczynamy semantykę naturalną (duże kroki). Uzupełnimy semantykę naturalną języka TINY o semantykę naturalną wyrażeń boolowskich i arytmetycznych oraz semantykę błędów wykonania. Wreszcie dodamy nową instrukcję pętli ,, pozwalającą na niestrukturalne przerwanie lub wznowienie iteracji (instrukcje i ).
Rozszerzenia semantyki języka Tiny
Ćwiczenie 1
Zdefiniuj znaczenie wyrażeń boolowskich i arytmetycznych w języku TINY w stylu dużych kroków (semantyka naturalna).
Rozwiązanie
Ćwiczenie 2
Rozważ dodatkowo operację dzielenia:
i rozszerz semantykę z poprzedniego zadania. Dzielenie przez zero jest błędem i kończy natychmiast wykonanie programu. Oprócz stanu wynikiem programu powinna byc informacja o błędzie, jeśli błąd wystąpił.
Rozwiązanie
Ćwiczenie 3
Rozszerzmy język TINY o następującą instrukcję pętli:
to instrukcja pętli, stanowi instrukcję wewnętrzną. Instrukcja wychodzi z nabliższej otaczającej pętli , i kontynuuje wykonanie programu od pierwszej instrukcji za tą pętlą. Instrukcja powraca na początek instrukcji wewnętrznej najbliższej otaczającej pętli ,.
Pozważ zarówno semantykę naturalną, jak i semantykę małych kroków.
Rozwiązanie
Rozwiązanie
Zadania domowe
Ćwiczenie 1
Zaproponuj semantykę małokrokową dla rozszerzeń języka Tiny, które studiowaliśmy powyżej.
Ćwiczenie 2
Napisz semantykę naturalną dla nieznacznie rozszerzonej wersji instrukcji ,:
Identyfikator pełni tutaj rolę etykiety związanej z instrukcją ,, jest też parametrem dwóch pozostałych instrukcji. kończy teraz najbliższą otaczającą pętlę , o etykiecie . Podobnie wznawia najbliższą otaczającą pętlę o etykiecie .
Przykład
Program
x: , a := 1; y: , x; a := a-10; a := a+1; a := a+2;
kończy działanie z wartością zmiennej .
Za pomocą wcięć określiliśmy, do wnętrza której pętli , należy każda z trzech ostatnich instrukcji przypisania.
Niejednoznaczność bierze się oczywiście stąd, że pracujemy ze składnią abstrakcyjną. Składnia konkretna zawierałaby prawdopodobnie jakąś konstukcję "zamykającą" pętlę ,, np. ,.
Ćwiczenie 3
Napisz semantykę naturalną i małokrokową dla rozszerzenia języka TINY o wyrażenia z efektami ubocznymi:
Obliczenie wyrażenia polega na wykonaniu a potem na obliczeniu . Wartość wyrażenia jest taka, jak wartość wyrażenia a efektem ubocznym jest podstawienie tej wartości na zmienną .