Semantyka i weryfikacja programów/Ćwiczenia 4: Różnice pomiędzy wersjami
m Zastępowanie tekstu – „.↵</math>” na „</math>” |
|||
(Nie pokazano 2 pośrednich wersji utworzonych przez tego samego użytkownika) | |||
Linia 109: | Linia 109: | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{State} \, = \, \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Exp} \times \mathbf{State} | \mathbf{State} \, = \, \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Exp} \times \mathbf{State}</math> | ||
</math> | |||
Np. odpowiednia reguła dla wyrażenia <math>\mathbf{let}\ | Np. odpowiednia reguła dla wyrażenia <math>\mathbf{let}\ </math>, w semantyce małych kroków mogłaby wyglądać następująco: | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{let}\, x = e_1 \,\mathbf{in}\, e_2, s \,\Longrightarrow, e_2, s[x \mapsto (e_1, s)] | \mathbf{let}\, x = e_1 \,\mathbf{in}\, e_2, s \,\Longrightarrow, e_2, s[x \mapsto (e_1, s)]</math> | ||
</math> | |||
Czyli stan zawiera, dla każdej zmiennej, parę (wyrażenie definiujące, stan w momencie deklaracji). | Czyli stan zawiera, dla każdej zmiennej, parę (wyrażenie definiujące, stan w momencie deklaracji). | ||
Linia 122: | Linia 120: | ||
Uważnego Czytelnika zapewne zaniepokoił fakt, że <math>\mathbf{State}</math> stoi zarówno po lewej, jak i po prawej stronie równania | Uważnego Czytelnika zapewne zaniepokoił fakt, że <math>\mathbf{State}</math> stoi zarówno po lewej, jak i po prawej stronie równania | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{State} \, = \, \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Exp} \times \mathbf{State} | \mathbf{State} \, = \, \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Exp} \times \mathbf{State}</math> | ||
</math> | |||
Również zapis <math>s[x \mapsto (e_1, s)]</math> może wzbudzić niepokój, gdyż sugeruje on, iż <math>s(x)</math> zawiera jako jeden z elementów pary obiekt "tego samego typu" co <math>s</math>. | Również zapis <math>s[x \mapsto (e_1, s)]</math> może wzbudzić niepokój, gdyż sugeruje on, iż <math>s(x)</math> zawiera jako jeden z elementów pary obiekt "tego samego typu" co <math>s</math>. | ||
Formalnego rozwiązania tego typu dylematów dostarcza teoria dziedzin. | Formalnego rozwiązania tego typu dylematów dostarcza teoria dziedzin. | ||
Linia 149: | Linia 146: | ||
Tranzycje będą znów postaci: | Tranzycje będą znów postaci: | ||
<math> | <math> | ||
e, s \,\longrightarrow\, n | e, s \,\longrightarrow\, n</math> | ||
</math> | Podamy tylko reguły dla wystąpienia zmiennej i dla wyrażenia <math>\mathbf{let}\ </math>,. | ||
Podamy tylko reguły dla wystąpienia zmiennej i dla wyrażenia <math>\mathbf{let}\ | |||
Reguły dla pozostałych konstrukcji języka pozostają praktycznie bez zmian. | Reguły dla pozostałych konstrukcji języka pozostają praktycznie bez zmian. | ||
Linia 198: | Linia 194: | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{State} = \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Exp} | \mathbf{State} = \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Exp}</math> | ||
</math> | |||
Nie potrzebujemy zapamiętywać stanu, w którym byliśmy w momencie deklaracji. | Nie potrzebujemy zapamiętywać stanu, w którym byliśmy w momencie deklaracji. | ||
Do obliczenia zapamiętanego wyrażenia użyjemy stanu, w którym będziemy w momencie odwołania do danej zmiennej. | Do obliczenia zapamiętanego wyrażenia użyjemy stanu, w którym będziemy w momencie odwołania do danej zmiennej. | ||
Znów podajemy tylko reguły dla wystąpienia zmiennej i dla wyrażenia <math>\mathbf{let}\ | Znów podajemy tylko reguły dla wystąpienia zmiennej i dla wyrażenia <math>\mathbf{let}\ </math>,, gdyż pozostałe reguły pozostają bez zmian | ||
<math> | <math> | ||
Linia 238: | Linia 233: | ||
<math> | <math> | ||
(\lambda x. x+3)(2) \,\longrightarrow\, 5 | (\lambda x. x+3)(2) \,\longrightarrow\, 5</math> | ||
</math> | |||
Przyjmijmy statyczną widoczność identyfikatorów. | Przyjmijmy statyczną widoczność identyfikatorów. | ||
Linia 273: | Linia 267: | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{let}\, x = 7 \,\mathbf{in}\, \mathbf{let}\, f = \lambda z.x+z \,\mathbf{in}\, \mathbf{let}\, x = f(1) \,\mathbf{in}\, f(10) | \mathbf{let}\, x = 7 \,\mathbf{in}\, \mathbf{let}\, f = \lambda z.x+z \,\mathbf{in}\, \mathbf{let}\, x = f(1) \,\mathbf{in}\, f(10)</math> | ||
</math> | |||
Funkcja <math>f</math> zwiększa parametr aktualny o <math>x</math>. | Funkcja <math>f</math> zwiększa parametr aktualny o <math>x</math>. | ||
Linia 282: | Linia 275: | ||
<math> | <math> | ||
\lambda x.e, s \,\longrightarrow\, \langle x, e, s \rangle | \lambda x.e, s \,\longrightarrow\, \langle x, e, s \rangle</math> | ||
</math> | |||
Nie potrafimy zrobić z funkcją <math>\lambda x. e</math> nic innego jak zapamiętać informację niezbędną do obliczania jej wartości w przyszłości. | Nie potrafimy zrobić z funkcją <math>\lambda x. e</math> nic innego jak zapamiętać informację niezbędną do obliczania jej wartości w przyszłości. | ||
Linia 295: | Linia 287: | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{State} = \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Values} | \mathbf{State} = \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Values}</math> | ||
</math> | |||
Zacznijmy od stałych, zmiennych i lambda-abstrakcji: | Zacznijmy od stałych, zmiennych i lambda-abstrakcji: | ||
Linia 365: | Linia 356: | ||
<div class="mw-collapsible-content" style="display:none"> | <div class="mw-collapsible-content" style="display:none"> | ||
Zbiór wartości <math>\mathbf{Values}</math> stojących po prawej stronie symbolu <math>\,\longrightarrow\ | Zbiór wartości <math>\mathbf{Values}</math> stojących po prawej stronie symbolu <math>\,\longrightarrow\ </math>, będzie taki sam jak w poprzednim zadaniu. | ||
Natomiast zbiór stanów taki sam jak w semantyce leniwej wyrażeń: | Natomiast zbiór stanów taki sam jak w semantyce leniwej wyrażeń: | ||
<math> | <math> | ||
\mathbf{State} = \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Exp} \times \mathbf{State} | \mathbf{State} = \mathbf{Var} \to_{\mathrm{fin}} \mathbf{Exp} \times \mathbf{State}</math> | ||
</math> | |||
Podamy tylko trzy reguły: dla wystąpienie zmiennej, deklaracji <math>\mathbf{let}\ | Podamy tylko trzy reguły: dla wystąpienie zmiennej, deklaracji <math>\mathbf{let}\ </math>, i aplikacji -- wszystkie pozostałe reguły pozostają takie same jak w poprzednim zadaniu. | ||
<math> | <math> |
Aktualna wersja na dzień 21:31, 11 wrz 2023
Zawartość
Napiszemy semantykę naturalną języka wyrażeń, rozważymy strategię gorliwą (jak na wcześniejszych zajęciach, w semantyce małych kroków) i leniwą. Rozważymy i statyczne i dynamiczne wiązanie identyfikatorów. Następnie rozszerzymy ten język o lambda-abstrakcję i aplikację, otrzymując prosty język funkcyjny.
Różne semantyki naturalne wyrażeń
Ćwiczenie 1 (semantyka gorliwa)
Napisz semantykę dużych kroków dla języka wyrażeń, którego semantykę małokrokową napisaliśmy na jednych z poprzednich ćwiczeń:
Rozwiązanie
Ćwiczenie 2 (semantyka leniwa)
Zmodyfikuj semantykę z poprzedniego zadania, aby uzyskać leniwą ewaluację wyrażeń, zgodnie z dyrektywą: nie obliczaj wyrażenia, o ile jego wynik nie jest potrzebny (albo: obliczaj wartość wyrażenia dopiero wtedy, gdy jego wynik jest naprawdę potrzebny).
Spójrzmy na przykład:
Według semantyki z poprzedniego zadania wyrażnie to nie ma wartości, bo w deklaracji jest odwołanie do niezainicjowanej zmiennej. Natomiast w semantyce leniwej wyrażenie to obliczy się do wartości , gdyż wyrażenie nie będzie wogóle obliczane. Będzie tak dlatego, że w wyrażeniu nie ma odwołań do zmiennej .
Rozwiązanie
Ćwiczenie 3 (semantyka dynamiczna)
Rozważmy teraz zupełnie inny mechanizm wiązania identyfikatorów zwany wiązaniem dynamicznym.
Dla odróżnienia, dotychczasowy sposób wiązania (widoczności) identyfikatorów będziemy nazywać wiązaniem statycznym.
Oto przykładowe wyrażenie:
które nie ma wartości w pustym stanie początkowym, według semantyk z poprzednich zadań, ponieważ odwołanie do zmiennej w deklaracji jest niepoprawne. Tak samo jest nawet w semantyce leniwej, gdyż wartość zmiennej będzie w końcu policzona i będzie wymagała odwołania do w stanie pustym.
Natomiast wyobrażmy sobie, że zmieniamy semantykę leniwą następująco: odwołanie do zmiennej podczas obliczania wartości będzie odnosiło się nie do stanu w momencie deklaracji , ale do stanu w momencie odwołania do . Jest to dość rewolucyjna zmiana, zapewne sprzeczna z intuicjami programisty (statyczne reguły widoczności zamieniamy na dynamiczne). W szczególności powyższe wyrażenie policzy się w semantyce dynamicznej do wartości 11, ponieważ stan w momencie odwołania do zmiennej przypisuje zmiennej wartość 10 !
Napisz semantykę naturalną dla wiązania dynamicznego.
Rozwiązanie
Prosty język funkcyjny
Ćwiczenie 4 (przekazywanie parametru przez wartość)
Rozważmy prosty język funkcyjny rozszerzający język wyrażeń z poprzednich zadań następująco:
Lambda-abstrakcja reprezentuje anonimową (nienazwaną) funkcję jednoargumentową, natomiast wyrażenie to aplikacja do (wyrażenie powinno zatem obliczać się do funkcji). Np.
Przyjmijmy statyczną widoczność identyfikatorów. Możliwe są różne mechanizmy przekazywania parametrów. Na razie wybierzmy mechanizm przekazywania przez wartość, zapewne doskonale znany Czytelnikowi: wyrażenie będące parametrem aktualnym jest obliczane przed wywołaniem funkcji, czyli w stanie, w którym jesteśmy z momencie wywołania funkcji.
Zaproponuj semantykę naturalną dla tego języka dla obydwu mechanizmów przekazywania parametrów.
Rozwiązanie
Ćwiczenie 5 (przekazywanie parametru przez nazwę)
Zaproponuj leniwą semantykę języka z mechnizmem przekazywanie parametru "przez nazwę".
Mechanizm ten stanowi leniwy odpowiednik przekazywania przez wartość: nie obliczamy wyrażenia będącego parametrem aktualnym, a zamiast jego wartości przekazujemy do funkcji to wyrażenie wraz ze
stanem z miejsca wywołania funkcji.
To ten stan bedzie brany pod uwagę, gdy obliczana będzie wartość parametru, tzn. przy odwołaniu w ciele funkcji do parametru formalnego. Oto przykład programu:
który w stanie pustym (wszystkie zmienne nieokreślone) nie ma wartości przy przekazywaniu parametru przez wartość (bo odwołanie do zmiennej jest niepoprawne), a oblicza się do wartości jeśli wybierzemy mechanizm przekazywania przez nazwę.
Rozwiązanie
Zadania domowe
Ćwiczenie 1
Podaj przykład wyrażenia takiego, które:
- ma wartość w semantyce statycznej i dynamicznej, ale w każdej inną
- ma wartość w semantyce leniwej, a nie ma w dynamicznej
- ma wartość w semantyce dynamicznej, a nie ma w leniwej.
Ćwiczenie 2
W semantyce leniwej wyrażeń, jeśli jest wiele odwołań do jakiejś zmiennej, to obliczenie wartości tej zmiennej nastąpi za każdym razem od nowa. Zmodyfikuj tę semantykę tak, aby wartość ta była obliczana co najwyżej raz. Zatem po pierwszym odwołaniu do zmiennej, jej obliczona wartość powinna zostać umieszczona w stanie, zastępując parę (wyrażenie, stan).
Ćwiczenie 3
Zaproponuj dynamiczne odpowiedniki obydwu statycznych semantyk dla języka funkcyjnego . Czyli zakładamy, że widoczność identyfikatorów, m.in. w ciele funkcji, jest dynamiczna. Oto przykład programu, który w semantyce statycznej oblicza się do wartości , a w dynamicznej do wartości (parametr przekazywany przez wartość):
Rozważ dwa mechanizmy przekazywania parametrów:
- przez wartość
- przez nazwę
Ten drugi mechanizm rozumiemy teraz następująco: parametr aktualny nie jest obliczany w momencie zaaplikowania do niego funkcji, a do ciała funkcji przekazuje się wyrażenie będące parametrem aktualnym. W momencie odwołania do parametru formalnego w ciele funkcji, wyrażenie będące parametrem aktualnym jest obliczane w bieżącym stanie (a nie w stanie z miejsca wywołania funkcji). Jako przykład rozważmy program:
Przy przekazywaniu przez wartość w stanie pustym program się nie obliczy, ponieważ nie da się obliczyć parametru aktualnego . Natomiast przy przekazywaniu przez nazwę, parametr aktualny będzie obliczany dopiero w momencie odwołania do parametru formalnego , czyli w momencie obliczania wartości wyrażenia . W stanie tym zmienna ma już wartość, a zatem wartością całego programu będzie 21.