Semantyka i weryfikacja programów/Ćwiczenia 2: Różnice pomiędzy wersjami
Nie podano opisu zmian |
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 | |||
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 | |||
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{false}, s \quad \mbox{ o ile } n_1 > n_2. | |||
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 | |||
<math> | <math> | ||
Linia 251: | Linia 224: | ||
</math> | </math> | ||
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 | 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. | |||
'''Pytanie:''' oto inna wersja jednej z powyższych reguł: | |||
<math> | |||
\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] | |||
\quad \mbox{ o ile } s(x) \leq n_2. | |||
</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? | ||
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 | 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 | |||
}} | }} | ||
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 dla określenia znaczenia wyrażeń boolowskich i arytmetycznych. Zdefiniuj znaczenie wyrażeń za pomocą semantyki operacyjnej, w stylu małych kroków.
Rozwiązanie
Ćwiczenie 2
Rozszerzmy język Tiny o następujące dobrze znane konstrukcje iteracji:
Napisz semantykę małych kroków dla powyższych konstrukcji.
Rozwiązanie
Kalkulator binarny
Ćwiczenie 3
Rozważmy następujący język wyrażeń (liczby binarne z dodawaniem):
oznacza słowo puste, czyli np. oznacza binarną liczbę 1011. Napisz semantykę operacyjną obliczającą wartość wyrażeń.
Rozwiązanie
Ćwiczenie 4
Rozszerzmy składnię o jeden symbol oznaczający przepełnienie:
Na przykład oznacza tę samą liczbę co , 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 w składni ograniczonej:
reprezentujących sumę liczb binarnych.
Rozwiązanie
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 , w której wyrażenie 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:
polegającego na obliczeniu najpierw wartości wyrażeń a następnie na podstawieniu tych wartości na zmienne .