Semantyka i weryfikacja programów/Ćwiczenia 2: Różnice pomiędzy wersjami

Z Studia Informatyczne
Przejdź do nawigacjiPrzejdź do wyszukiwania
Sl (dyskusja | edycje)
Nie podano opisu zmian
Sl (dyskusja | edycje)
Nie podano opisu zmian
Linia 4: Linia 4:


Ćwiczymy dalej semantykę małych kroków.
Ćwiczymy dalej semantykę małych kroków.
Uzupełnimy semantykę języka Tiny o semantykę operacyjną
Uzupełnimy semantykę języka Tiny o semantykę operacyjną wyrażeń boolowskich i arytmetycznych.
wyrażeń boolowskich i arytmetycznych.
Następnie rozszerzymy nasz język o róznorodne konstrukcje iteracji.
Następnie rozszerzymy nasz język o róznorodne konstrukcje iteracji.
Na koniec zdefiniujemy operacje arytmetyczne liczb binarnych.
Na koniec zdefiniujemy operacje arytmetyczne liczb binarnych.
Linia 20: Linia 19:
</math>
</math>
dla określenia znaczenia wyrażeń boolowskich i arytmetycznych.
dla określenia znaczenia wyrażeń boolowskich i arytmetycznych.
Zdefiniuj znaczenie wyrażeń za pomocą semantyki operacyjnej,
Zdefiniuj znaczenie wyrażeń za pomocą semantyki operacyjnej, w stylu małych kroków.
w stylu małych kroków.
}}
}}


Linia 60: Linia 58:
</math>
</math>


Niech <math>\mathbf{BExp}</math>  oznacza zbiór wyrażeń boolowskich,
Niech <math>\mathbf{BExp}</math>  oznacza zbiór wyrażeń boolowskich, <math>b \in \mathbf{BExp}</math>.
<math>b \in \mathbf{BExp}</math>.
Chcemy, aby tranzycje dla wyrażeń były postaci:
Chcemy, aby tranzycje dla wyrażeń były postaci:


Linia 84: Linia 81:
b, s \,\Longrightarrow\, l
b, s \,\Longrightarrow\, l
</math>
</math>
gdzie <math>n \in</math> jest liczbą całkowitą,  
gdzie <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>.
Formalnie, zbiór konfiguracji dla semantyki całego języka Tiny to
Formalnie, zbiór konfiguracji dla semantyki całego języka Tiny to


Linia 93: Linia 89:
</math>
</math>


a konfiguracje końcowe to <math>\mathbf{State}</math>; aczkolwiek
a konfiguracje końcowe to <math>\mathbf{State}</math>; aczkolwiek konfiguracje ze zbioru <math>\mathbf{Num} \, \cup \, \mathbf{Bool}</math> pełnią podobną rolę dla wyrażeń arytmetycznych i boolowskich jako konfiguracje końcowe dla instrukcji.
konfiguracje ze zbioru <math>\mathbf{Num} \, \cup \, \mathbf{Bool}</math> pełnią podobną rolę
dla wyrażeń arytmetycznych i boolowskich jako konfiguracje końcowe dla
instrukcji.
Przypomnijmy, że <math>\mathbf{Stmt}</math>  oznacza zbiór instrukcji, <math>I \in \mathbf{Stmt}</math>.
Przypomnijmy, że <math>\mathbf{Stmt}</math>  oznacza zbiór instrukcji, <math>I \in \mathbf{Stmt}</math>.


Linia 107: Linia 100:
</math>
</math>


Podobnie jak poprzednio, zakładamy tutaj dla wygody, że
Podobnie jak poprzednio, zakładamy tutaj dla wygody, że <math>\mathbf{Num} \subseteq \mathbf{Exp}</math> oraz <math>\mathbf{Bool} \subseteq \mathbf{BExp}</math>.
<math>\mathbf{Num} \subseteq \mathbf{Exp}</math> oraz <math>\mathbf{Bool} \subseteq \mathbf{BExp}</math>.
Pozwala nam to nie odróżniać stałych występujących w wyrażeniach a zatem pojawiających się po lewej stonie tranzycji od wartości im odpowiadających pojawiających się po prawej stronie.
Pozwala nam to nie odróżniać stałych występujących w wyrażeniach
a zatem pojawiających się po lewej stonie tranzycji
od wartości im odpowiadających pojawiających się po prawej stronie.


Przejdźmy do spójników logicznych, powiedzmy <math>b_1 \land b_2</math>.
Przejdźmy do spójników logicznych, powiedzmy <math>b_1 \land b_2</math>.
Ponieważ opisujemy teraz pojedyncze (małe) kroki składające się na
Ponieważ opisujemy teraz pojedyncze (małe) kroki składające się na wykonanie programu, musimy podać w jakiej kolejności będą się obliczać <math>b_1</math> i <math>b_2</math>. Zacznijmy od strategii lewostronnej:
wykonanie programu, musimy podać w jakiej kolejności będą się
obliczać <math>b_1</math> i <math>b_2</math>. Zacznijmy od strategii lewostronnej:


<math>
<math>
Linia 129: Linia 117:
</math>
</math>


Możemy zaniechać obliczania
Możemy zaniechać obliczania <math>b_2</math> jeśli <math>b_1</math> oblicza się do false.
<math>b_2</math> jeśli <math>b_1</math> oblicza się do false.
Oto odpowiednio zmodyfikowane reguły:
Oto odpowiednio zmodyfikowane reguły:


Linia 139: Linia 126:
\mathbf{false} \land b_2, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{false}, s
\mathbf{false} \land b_2, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{false}, s
\quad \quad
\quad \quad
\mathbf{true}  \land b_2, s \,\Longrightarrow\, b_2, s  
\mathbf{true}  \land b_2, s \,\Longrightarrow\, b_2, s.
</math>
</math>


Linia 150: Linia 137:
b_1 \land \mathbf{false}, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{false}, s
b_1 \land \mathbf{false}, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{false}, s
\quad \quad
\quad \quad
b_1 \land \mathbf{true}, s \,\Longrightarrow\, b_1, s
b_1 \land \mathbf{true}, s \,\Longrightarrow\, b_1, s.
</math>
</math>


Reguły ''równoległe'' otrzymujemy jako sumę reguł lewo- i
Reguły ''równoległe'' otrzymujemy jako sumę reguł lewo- i prawostronnych (w sumie 6 reguł). Zauważmy, że obliczanie wyrażeń <math>b_1</math> i <math>b_2</math> odbywa się teraz w tzw. ,,przeplocie": Pojedynczy krok polega na wykonaniu jednego kroku obliczenia <math>b_1</math> albo jednego kroku obliczenia <math>b_2</math>.
prawostronnych (w sumie 6 reguł). Zauważmy, że obliczanie
Zwróćmy też uwagę, że nasze tranzycje nie posiadają teraz własności ''determinizmu'': wyrażenie <math>b_1 \land b_2</math> może wyewoluować w pojedyńczym kroku albo do <math>b'_1 \land b_2</math> albo do <math>b_1 \land b'_2</math>.
wyrażeń <math>b_1</math> i <math>b_2</math> odbywa się teraz
Na szczęście końcowy wynik, do jakiego oblicza się wyrażenie jest zawsze taki sam, niezależnie od przeplotu.
w twz. \''przeplocie": Pojedynczy krok polega na wykonaniu
jednego kroku obliczenia <math>b_1</math> albo jednego kroku
obliczenia <math>b_2</math>.
Zwróćmy też uwagę, że nasze tranzycje nie posiadają teraz
własności ''determinizmu'': wyrażenie <math>b_1 \land b_2</math>
może wyewoluować w pojedyńczym kroku albo do
<math>b'_1 \land b_2</math> albo do <math>b_1 \land b'_2</math>.
Na szczęście, końcowy wynik, do jakiego oblicza się wyrażenie
jest zawsze taki sam, niezależnie od przeplotu.


Oto reguły dla negacji:
Oto reguły dla negacji:
Linia 185: Linia 163:
\frac{e_2, s \,\Longrightarrow\, e'_2, s}
\frac{e_2, s \,\Longrightarrow\, e'_2, s}
{e_1 \leq e_2, s \,\Longrightarrow\, e_1 \leq e'_2, s}
{e_1 \leq e_2, s \,\Longrightarrow\, e_1 \leq e'_2, s}
</math>
<math>
n_1 \leq n_2, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{true}, s  \quad \mbox{ o ile } n_1 \leq n_2
\quad \quad
\quad \quad
n_1 \leq n_2, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{true}, s  \quad \mbox{ o ile }
n_1 \leq n_2, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{false}, s  \quad  \mbox{ o ile } n_1 > n_2.
n_1 \leq n_2
\quad \quad
n_1 \leq n_2, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{false}, s  \quad  \mbox{ o ile }  
n_1 > n_2
</math>
</math>


Reguły powyższe zależą od semantyki wyrażen arytmetycznych.
Reguły powyższe zależą od semantyki wyrażen arytmetycznych.
Zauważmy, że ponownie pozostawiliśmy dowolność jeśli chodzi o
Zauważmy, że ponownie pozostawiliśmy dowolność jeśli chodzi o kolejność obliczania wyrażeń arytmetycznych <math>e_1</math> i <math>e_2</math>.
kolejność obliczania wyrażeń arytmetycznych <math>e_1</math> i <math>e_2</math>.


Jako pierwszą z instrukcji rozważmy przypisanie.
Jako pierwszą z instrukcji rozważmy przypisanie.
Najpierw obliczamy wyrażenie po prawej stronie przypisania,
Najpierw obliczamy wyrażenie po prawej stronie przypisania, a gdy wyrażenie to wyewoluuje do stałej (obliczy się), modyfikujemy stan:
a gdy wyrażenie to wyewoluuje do stałej (obliczy się), modyfikujemy
stan:


<math>
<math>
Linia 237: Linia 212:
</math>
</math>


ale nie wiemy już, jaki był dozór pętli (widzimy tylko wynik
ale nie wiemy już, jaki był dozór pętli (widzimy tylko wynik obliczenia tego dozoru w stanie s, czyli <math>\mathbf{true}</math>).
obliczenia tego dozoru w stanie s, czyli <math>\mathbf{true}</math>).
Możemy odwołać się do tranzytywnego domknięcia relacji <math>\,\Longrightarrow\,</math> (czyli w zasadzie do semantyki dużych kroków):
Możemy odwołać się do tranzytywnego domknięcia relacji
<math>\,\Longrightarrow\,</math> (czyli w zadadzie do semantyki dużych kroków):


<math>
<math>
Linia 251: Linia 224:
</math>
</math>


Takie rozwiązanie nie jest zatem ''czystą'' semantyką
małych kroków.
Istnieją inne możliwe rozwiązania w stylu małych kroków.
Istnieją inne możliwe rozwiązania w stylu małych kroków.
Jedno z nich oparte jest na pomyśle, aby ''rozwinąc'' pętlę
Jedno z nich oparte jest na pomyśle, aby ''rozwinąc'' pętlę <math>\mathbf{while}\,</math>, zanim obliczymy wartość dozoru <math>b</math>.
<math>\mathbf{while}\,</math>, zanim obliczymy wartość dozoru <math>b</math>.
Jedyną reguła dla pętli <math>\mathbf{while}\,</math> byłaby wtedy reguła:
Jedyną reguła dla pętli <math>\mathbf{while}\,</math> byłaby wtedy reguła:


Linia 262: Linia 232:
</math>
</math>


Dzięki temu obliczany warunek logiczny <math>b</math> jest zawsze  
Dzięki temu obliczany warunek logiczny <math>b</math> jest zawsze ''jednorazowy''.
''jednorazowy''.
Znalezienie innych rozwiązań, np. opartych na rozszerzeniu składni, pozostawiamy dociekliwemu Czytelnikowi.
Znalezienie innych rozwiązań, np. opartych na rozszerzeniu składni,
pozostawiamy dociekliwemu Czytelnikowi.


Reguły dla operacji arytmetycznych również pozostawiamy do napisania Czytelnikowi.
Reguły dla operacji arytmetycznych również pozostawiamy do napisania Czytelnikowi.
Linia 297: Linia 265:


Zacznijmy od pętli <math>\mathbf{repeat}\, I \,\mathbf{until}\, b</math>.
Zacznijmy od pętli <math>\mathbf{repeat}\, I \,\mathbf{until}\, b</math>.
Przyjrzyjmy się dwóm podejściom, które zastosowaliśmy dla
Przyjrzyjmy się dwóm podejściom, które zastosowaliśmy dla pętli <math>\mathbf{while}\,</math> w poprzednim zadaniu.
pętli <math>\mathbf{while}\,</math> w poprzednim zadaniu.
Po pierwsze rozwinięcie:
Po pierwsze rozwinięcie:


Linia 320: Linia 287:
</math>
</math>


Okazuje się, że jest jeszcze gorzej niż w przypadku pętli <math>\mathbf{while}\,</math>:
Okazuje się, że jest jeszcze gorzej niż w przypadku pętli <math>\mathbf{while}\,</math>: nie pamiętamy już, jaka była instrukcja wewnętrzna naszej pętli!
nie pamiętamy już, jaka była instrukcja wewnętrzna naszej pętli!
Czyli takie podejście jest teraz nieskuteczne.
Czyli takie podejście jest teraz nieskuteczne.


<br>
<br>
Linia 329: Linia 294:
<br>
<br>


Pętla <math>\,\mathbf{do}\, e \,\mathbf{times}\, I</math>, w stanie <math>s</math>, oznacza wykonianie instrukcji <math>I</math>
Pętla <math>\,\mathbf{do}\, e \,\mathbf{times}\, I</math>, w stanie <math>s</math>, oznacza wykonanie instrukcji <math>I</math> <math>n</math> razy, gdzie <math>n</math> to wartość, do której oblicza się <math>e</math> w stanie <math>s</math>.
<math>n</math> razy, gdzie <math>n</math> to wartość, do której oblicza się  
<math>e</math> w stanie <math>s</math>.
Czyli najpierw obliczmy <math>e</math> przy pomocy reguły:
Czyli najpierw obliczmy <math>e</math> przy pomocy reguły:


Linia 356: Linia 319:
\quad \mbox{ o ile } n = 0.
\quad \mbox{ o ile } n = 0.
</math>
</math>


<br>
<br>
Linia 362: Linia 324:
<br>
<br>


W przypadku pętli <math>\mathbf{for}\,</math> przyjmijmy, że wartości wyrażeń
W przypadku pętli <math>\mathbf{for}\,</math> przyjmijmy, że wartości wyrażeń <math>e_1</math> i <math>e_2</math> obliczane są przed pierwszą iteracją pętli.  
<math>e_1</math> i <math>e_2</math> obliczane są przed pierwszą iteracją
Dodatkowo ustalmy, że np. <math>e_1</math> będzie obliczone jako pierwsze.
pętli.  
Następnie podstawiamy wartość <math>e_1</math> na zmienną <math>x</math>.
Dodatkowo ustalmy, że <math>e_1</math> będzie obliczone jako pierwsze.
Czyli:
Czyli:


Linia 378: Linia 339:
</math>
</math>


Zatem zakres zmiennej <math>x</math> mamy już obliczony, tzn. jesteśmy
Zatem zakres zmiennej <math>x</math> mamy już obliczony, tzn. jesteśmy w konfiguracji
w konfiguracji


<math>
<math>
Linia 397: Linia 357:
</math>
</math>


Zauważmy, wartość zmiennej <math>x</math> po zakończeniu pętli wynosi albo <math>n_2</math> albo pozostaje niezmieniona, o ile nie była ona zmieniana wewnątrz instrukcji <math>I</math>.
Ponieważ nie zostało wyspecyfikowane jaka powinna być wartość tej zmiennej, możemy taką semantykę uznać za poprawną.


Zauważmy, wartość zmiennej <math>x</math> po zakończeniu pętli
'''Pytanie:''' oto inna wersja jednej z powyższych reguł:
wynosi albo <math>n_2</math> albo pozostaje niezmieniona.
<math>
Ponieważ nie zostało wyspecyfikowane jaka
\mathbf{for}\, x = n_1 \,\mathbf{to}\, n_2 \,\mathbf{do}\, I, s \,\Longrightarrow\, I; \mathbf{for}\, x = n_1+1 \,\mathbf{to}\, n_2 \,\mathbf{do}\, I, s[x \mapsto s(x)+1]
powinna być wartość tej zmiennej, możemy taką semantykę uznać
\quad \mbox{ o ile } s(x) \leq n_2.
za poprawną.
</math>
Czy semantyka jest taka sama?
(Rozważ sytuację, gdy zmienna <math>x</math> jest zmieniana przez instrukcję <math>I</math>.)


'''Pytanie:'''
'''Pytanie:''' a gdybyśmy jednak zażądali przywrócenia na koniec wartości zmiennej <math>x</math> sprzed pętli?
A gdybyśmy jednak zażądali przywrócenia na koniec wartości zmiennej <math>x</math>  
sprzed pętli?
Jak należałoby zmienić nasze reguły?
Jak należałoby zmienić nasze reguły?




Semantykę dla <math>\,\mathbf{do}\, I \, \mathbf{while}\, b</math> pozostawiamy Czytelnikowi jako
Semantykę dla <math>\,\mathbf{do}\, I \, \mathbf{while}\, b</math> pozostawiamy Czytelnikowi jako proste ćwiczenie.
proste ćwiczenie.
Oczywiście minimalistyczne rozwiązanie to
Oczywiście minimalistyczne rozwiązanie to


<math>
<math>
\,\mathbf{do}\, I \,\mathbf{while}\, b, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{repeat}\, I \,\mathbf{until}\, \neg b, s
\,\mathbf{do}\, I \,\mathbf{while}\, b, s \,\Longrightarrow\, \mathbf{repeat}\, I \,\mathbf{until}\, \neg b, s.
</math>
</math>


Linia 437: Linia 398:
</math>
</math>


<math>\epsilon</math> oznacza słowo puste, czyli np. <math>\epsilon 1 0 1 1</math>
<math>\epsilon</math> oznacza słowo puste, czyli np. <math>\epsilon 1 0 1 1</math> oznacza binarną liczbę 1011.
oznacza binarną liczbę 1011.
Napisz semantykę operacyjną obliczającą wartość wyrażeń.
Napisz semantykę operacyjną obliczającą wartość wyrażeń.
}}
}}
Linia 447: Linia 407:
<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"><div class="mw-collapsible-content" style="display:none">


Składnia wyrażeń pozwala na wygodny dostęp do najmniej znaczącego
Składnia wyrażeń pozwala na wygodny dostęp do najmniej znacząceg bitu liczby. Spróbujmy zatem zastosować metodę dodawania pisemnego:
bitu liczby. Spróbujmy zatem zastosować metodę dodawania  
pisemnego:


<math>
<math>
Linia 475: Linia 433:
</math>
</math>


Zauważmy, że w składni dopuszcza się dowolne przeplatanie operatora dodawania
Zauważmy, że w składni dopuszcza się dowolne przeplatanie operatora dodawania i bitów <math>0, 1</math>. Tę dowolność wykorzystaliśmy właśnie w regułach powyżej.  
i bitów <math>0, 1</math>. Tę dowolność wykorzystaliśmy właśnie w regułach
Gdyby nasz język ograniczyć tylko do składni
powyżej. Gdyby nasz język ograniczyć tylko do składni


<math>
<math>
Linia 494: Linia 451:
(nazwijmy ją ''składnią ograniczoną'') to powyższe reguły byłyby niepoprawne.
(nazwijmy ją ''składnią ograniczoną'') to powyższe reguły byłyby niepoprawne.


Zanim dopiszemy pozostałe reguły, określmy zbiór konfiguracji jako  
Zanim dopiszemy pozostałe reguły, określmy zbiór konfiguracji jako zbiór wyrażeń. Konfiguracje końcowe to wyrażenia bez operatora dodawania (liczby binarne).  
zbiór wyrażeń. Konfiguracje końcowe to wyrażenia bez operatora dodawania
Nasz pomysł jest taki, że tranzycje stopniowo przesuwają operator dodawania w lewo, aż się go ostatecznie ''pozbędą''.
(liczby binarne). Nasz pomysł jest taki, że tranzycje stopniowo przesuwają
operator dodawania w lewo, aż się go ostatecznie ''pozbędą''.


Gdy obydwa składniki mają tyle samo cyfr, do zakończenia dodawania
Gdy obydwa składniki mają tyle samo cyfr, do zakończenia dodawania potrzebujemy reguły:
potrzebujemy reguły:


<math>
<math>
Linia 530: Linia 484:
gdyż spowodowałaby ona możliwość ''pętlenia się'', a zatem braku wyniku obliczenia.
gdyż spowodowałaby ona możliwość ''pętlenia się'', a zatem braku wyniku obliczenia.


Na koniec dodajemy typowe reguły opisujące jak krok podwyrażenia indukuje
Na koniec dodajemy typowe reguły opisujące jak krok podwyrażenia indukuje krok całego wyrażenia:
krok całego wyrażenia:


<math>
<math>
Linia 554: Linia 507:
{{cwiczenie|4|cw4|
{{cwiczenie|4|cw4|


Rozszerzmy składnię o jeden symbol <math>p</math> oznaczający
Rozszerzmy składnię o jeden symbol <math>p</math> oznaczający ''przepełnienie'':
''przepełnienie'':


<math>
<math>
Linia 566: Linia 518:
</math>
</math>


Na przykład <math>p 1 0 1</math> oznacza tę samą liczbę co <math>\epsilon 1 0 1
Na przykład <math>p 1 0 1</math> oznacza tę samą liczbę co <math>\epsilon 1 0 1</math>, ale z dodatkową informacją, że podczas jej obliczania nastąpiło ''przepełnienie''.
</math>, ale z dodatkową informacją, że podczas jej obliczania nastąpiło
Rozumiemy przez to sytuację, gdy wynik ma więcej cyfr niż każdy z argumentów.  
''przepełnienie''.
Cyfry zero z lewej strony (najbardziej znaczące) również uważamy za pełnoprawne cyfry, nie należy ich usuwać ani dodawać nowych.
Rozumiemy przez to sytuację, gdy wynik ma więcej cyfr niż każdy z
argumentów. Cyfry zero z lewej strony (najbardziej znaczące) również
uważamy za pełnoprawne cyfry, nie należy ich usuwać ani dodawać
nowych.


Napisz semantykę operacyjną obliczającą wartość wyrażenia wraz z
Napisz semantykę operacyjną obliczającą wartość wyrażenia wraz z informacja o ewentualnym przepełnieniu.
informacja o ewentualnym przepełnieniu.
Wynik powinien byc poprawny przynajmniej dla wyrażeń <math>e</math> w składni ograniczonej:
Wynik powinien byc poprawny przynajmniej dla wyrażeń <math>e</math> w składni
ograniczonej:


<math>
<math>
Linia 591: Linia 537:
       b 1.
       b 1.
</math>
</math>
reprezentujących sumę liczb binarnych.
}}
}}


Linia 598: Linia 546:
<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"><div class="mw-collapsible-content" style="display:none">


Zadanie dotyczy w zasadzie składni ograniczonej, ale jako konfiguracji
Zadanie dotyczy w zasadzie składni ograniczonej, ale jako konfiguracji pośrednich będziemy zapewne potrzebować wyrażeń wykraczających poza tę składnię, np. <math>(e_1 + e_2) 0</math>, podobnie jak w poprzednim zadaniu.  
pośrednich będziemy zapewne potrzebować wyrażeń wykraczających poza
Zatem mamy tu do czynienia z typowym zabiegiem rozszerzania składni na użytek semantyki operacyjnej (z tym, że rozszerzenie jest dane z góry i nie musimy go wymyślać :)
tę składnię, np. <math>(e_1 + e_2) 0</math>, podobnie jak w poprzednim  
zadaniu. Zatem mamy tu do czynienia z typowym zabiegiem rozszerzania
składni na użytek semantyki operacyjnej (z tym, że rozszerzenie jest
dane z góry i nie musimy go wymyślać :)


Przyjmijmy, że konfiguracjami są dowolne wyrażenia, a konfiguracjami
Przyjmijmy, że konfiguracjami są dowolne wyrażenia, a konfiguracjami końcowymi wyrażenia bez operatora dodawania (ale teraz mogą to być np. wyrażenia postaci <math>p 1 0 0</math>).
końcowymi wyrażenia bez operatora dodawania (ale teraz mogą to być
np. wyrażenia postaci <math>p 1 0 0</math>).
Spróbujmy pozostawić wszystkie reguły z poprzedniego zadania.
Spróbujmy pozostawić wszystkie reguły z poprzedniego zadania.
Dodamy tylko kilka nowych reguł, odpowiedzialnych za przepełnienie.
Dodamy tylko kilka nowych reguł, odpowiedzialnych za przepełnienie.


Zacznijmy od najprostszej sytuacji, gdy jeden ze składników ma mniej
Zacznijmy od najprostszej sytuacji, gdy jeden ze składników ma mniej cyfr, i to ten właśnie składnik odnotował przepełnienie:
cyfr, i to ten właśnie składnik odnotował przepełnienie:


<math>
<math>
Linia 624: Linia 565:
</math>
</math>


W takiej sytuacji oczywiście informacja o przepełnieniu zostaje
W takiej sytuacji oczywiście informacja o przepełnieniu zostaje wymazana.
wymazana.
Jeśli przepełnienie zostało odnotowane w składniku o większej liczbie cyfr, to reguły  
Jeśli przepełnienie zostało odnotowane w składniku o większej liczbie
cyfr, to reguły  


<math>
<math>
Linia 641: Linia 580:
z poprzedniego zadania są wystarczające.
z poprzedniego zadania są wystarczające.


Rozważmy teraz przypadek, gdy obydwa składniki mają tę samą liczbę
Rozważmy teraz przypadek, gdy obydwa składniki mają tę samą liczbę cyfr.
cyfr.
Jeśli obydwa odnotowały przepełnienie, to oczywiście informacja ta powinna zostać zachowana:
Jeśli obydwa odnotowały przepełnienie, to oczywiście informacja ta
powinna zostać zachowana:


<math>
<math>
Linia 650: Linia 587:
</math>
</math>


Ale co należy zrobić, gdy tylko jeden ze składników odnotował
Ale co należy zrobić, gdy tylko jeden ze składników odnotował przepełnienie? <math>p + \epsilon \,\Longrightarrow\, ?</math>
przepełnienie? <math>p + \epsilon \,\Longrightarrow\, ?</math>
Oczywiście, w tej sytuacji żadnego przepełnienia nie ma, ponieważ drugi składnik ma wystarczająco dużo cyfr by je przesłonić.
Oczywiście, w tej sytuacji żadnego przepełnienia nie ma, ponieważ
drugi składnik ma wystarczająco dużo cyfr by je przesłonić.
Oto odpowiednie reguły:
Oto odpowiednie reguły:


Linia 662: Linia 597:
</math>
</math>


Na koniec zostało najważniejsze: kiedy powinniśmy generować sygnał o
Na koniec zostało najważniejsze: kiedy powinniśmy generować sygnał o przepełnieniu?
przepełnieniu?
Przypomnijmy sobie reguły dla dadawania pisemnego w poprzednim zadaniu.
Przypomnijmy sobie reguły dla dadawania pisemnego w poprzednim
zadaniu.
Jeśli nie ma przeniesienia, to przepełnienie nie może powstać.
Jeśli nie ma przeniesienia, to przepełnienie nie może powstać.
Natomiast jeśli jest przeniesienie, to stanowi ono ''potencjalne
Natomiast jeśli jest przeniesienie, to stanowi ono ''potencjalne przepełnienie''.  
przepełnienie''.  
Odpowiednia reguła to
Odpowiednia reguła to


Linia 675: Linia 607:
</math>
</math>


Nowy sztuczny składnik <math>p 1</math> zawiera jakby na wszelki wypadek
Nowy sztuczny składnik <math>p 1</math> zawiera jakby na wszelki wypadek informacje o potencjalnym przepełnieniu.
informacje o potencjalnym przepełnieniu.
Jeśli którykolwiek z pozostałych składników  <math>e_1</math> i <math>e_2</math> ma przynajmniej jedną cyfrę,
Jeśli którykolwiek z pozostałych składników  <math>e_1</math> i <math>e_2</math>  
to <math>p</math> zostanie usunięte. W przeciwnym wypadku symbol <math>p</math> i przetrwa i będzie poprawnie informował o sytuacji przepełnienia.
ma przynajmniej jedną cyfrę,
to <math>p</math> zostanie usunięte. W przeciwnym wypadku symbol <math>p</math>  
i przetrwa i będzie poprawnie informował o sytuacji przepełnienia.
 


</div></div>
</div></div>
Linia 692: Linia 620:
{{cwiczenie|1|cw1.dom|
{{cwiczenie|1|cw1.dom|


Podaj przykład wyrażenia boolowskiego, które nie policzy się
Podaj przykład wyrażenia boolowskiego, które nie policzy się ani przy użyciu strategii lewo- ani prawostronnej, a policzy się przy strategii równoległej.
ani przy użyciu strategii lewo- ani prawostronnej, a policzy się przy strategii
równoległej.
}}
}}


Linia 700: Linia 626:
{{cwiczenie|2|cw2.dom|
{{cwiczenie|2|cw2.dom|


Zmodyfikuj semantykę wyrażeń następująco: dla każdego podwyrażenia niedeterministycznie
Zmodyfikuj semantykę wyrażeń następująco: dla każdego podwyrażenia niedeterministycznie wybierana jest albo strategia lewo- albo prawostronna, ale niedozwolony jest ,,przeplot".
wybierana jest albo strategia lewo- albo prawostronna, ale
niedozwolony jest ,,przeplot".
}}
}}


Linia 708: Linia 632:
{{cwiczenie|3|cw3.dom|
{{cwiczenie|3|cw3.dom|


Rozważ inną semantykę pętli <math>\mathbf{for}\, x = e_1 \,\mathbf{to}\, e_2 \,\mathbf{do}\, I</math>,
Rozważ inną semantykę pętli <math>\mathbf{for}\, x = e_1 \,\mathbf{to}\, e_2 \,\mathbf{do}\, I</math>, w której wyrażenie <math>e_2</math> jest obliczane na nowo przed każdą iteracją pętli.
w której wyrażenie <math>e_2</math> jest obliczane na nowo
przed każdą iteracją pętli.
Napisz reguły semantyczne dla tej instrukcji, nie odwołując
się do innych istrukcji pętli.
}}
}}


Linia 730: Linia 650:
</math>
</math>


polegającego na obliczeniu najpierw wartości wyrażeń
polegającego na obliczeniu najpierw wartości wyrażeń <math>e_1, \ldots, e_n</math> a następnie na podstawieniu tych wartości na zmienne <math>x_1, \ldots, x_n</math>.
<math>e_1, \ldots, e_n</math> a następnie na podstawieniu
tych wartości na zmienne <math>x_1, \ldots, x_n</math>.
}}
}}

Wersja z 08:24, 11 sie 2006


Zawartość

Ćwiczymy dalej semantykę małych kroków. Uzupełnimy semantykę języka Tiny o semantykę operacyjną wyrażeń boolowskich i arytmetycznych. Następnie rozszerzymy nasz język o róznorodne konstrukcje iteracji. Na koniec zdefiniujemy operacje arytmetyczne liczb binarnych.


Rozszerzenia semantyki języka Tiny

Ćwiczenie 1

Semantyka języka Tiny z wykładu używała funkcji semantycznych B,E:StateState dla określenia znaczenia wyrażeń boolowskich i arytmetycznych. Zdefiniuj znaczenie wyrażeń za pomocą semantyki operacyjnej, w stylu małych kroków.


Rozwiązanie

{{{3}}}


Ćwiczenie 2

Rozszerzmy język Tiny o następujące dobrze znane konstrukcje iteracji:

I::=𝐫𝐞𝐩𝐞𝐚𝐭I𝐮𝐧𝐭𝐢𝐥b|𝐟𝐨𝐫x:=e1𝐭𝐨e2𝐝𝐨I|𝐝𝐨e𝐭𝐢𝐦𝐞𝐬I|𝐝𝐨I𝐰𝐡𝐢𝐥𝐞b

Napisz semantykę małych kroków dla powyższych konstrukcji.


Rozwiązanie

{{{3}}}


Kalkulator binarny

Ćwiczenie 3

Rozważmy następujący język wyrażeń (liczby binarne z dodawaniem):

e::=ϵ|e0|e1|e1+e2

ϵ oznacza słowo puste, czyli np. ϵ1011 oznacza binarną liczbę 1011. Napisz semantykę operacyjną obliczającą wartość wyrażeń.


Rozwiązanie

{{{3}}}


Ćwiczenie 4

Rozszerzmy składnię o jeden symbol p oznaczający przepełnienie:

e::=ϵ|p|e0|e1|e1+e2.

Na przykład p101 oznacza tę samą liczbę co ϵ101, ale z dodatkową informacją, że podczas jej obliczania nastąpiło przepełnienie. Rozumiemy przez to sytuację, gdy wynik ma więcej cyfr niż każdy z argumentów. Cyfry zero z lewej strony (najbardziej znaczące) również uważamy za pełnoprawne cyfry, nie należy ich usuwać ani dodawać nowych.

Napisz semantykę operacyjną obliczającą wartość wyrażenia wraz z informacja o ewentualnym przepełnieniu. Wynik powinien byc poprawny przynajmniej dla wyrażeń e w składni ograniczonej:

e::=b|e1+e2

b::=ϵ|b0|b1.

reprezentujących sumę liczb binarnych.


Rozwiązanie

{{{3}}}


Zadania domowe

Ćwiczenie 1

Podaj przykład wyrażenia boolowskiego, które nie policzy się ani przy użyciu strategii lewo- ani prawostronnej, a policzy się przy strategii równoległej.


Ćwiczenie 2

Zmodyfikuj semantykę wyrażeń następująco: dla każdego podwyrażenia niedeterministycznie wybierana jest albo strategia lewo- albo prawostronna, ale niedozwolony jest ,,przeplot".


Ćwiczenie 3

Rozważ inną semantykę pętli 𝐟𝐨𝐫x=e1𝐭𝐨e2𝐝𝐨I, w której wyrażenie e2 jest obliczane na nowo przed każdą iteracją pętli.


Ćwiczenie 4

Dodaj do wyrażeń binarnych operację odejmowania.


Ćwiczenie 5

Zaproponuj semantykę przypisania równoległego w języku Tiny:

x1:=e1||||xn:=en

polegającego na obliczeniu najpierw wartości wyrażeń e1,,en a następnie na podstawieniu tych wartości na zmienne x1,,xn.