Metody realizacji języków programowania/MRJP Wykład 3

Z Studia Informatyczne
Przejdź do nawigacjiPrzejdź do wyszukiwania

Statyczna analiza semantyczna

Statyczna analiza semantyczna ma na celu częściowe sprawdzenie poprawności kodu źródłowego programu w czasie kompilacji. Na tym etapie zakładamy, że program źródłowy został już sparsowany i zostało zbudowane drzewo składniowe. Zakładamy również, że tablice symboli zostały już zbudowane. Założenia te nie zawsze są konieczne. Niektóre kompilatory mogą przeprowadzać analizę semantyczną już w czasie parsowania kodu lub w czasie budowy tablicy symboli. Jednak takie podejście pozwala łatwiej zrozumieć tę fazę działania kompilatora.

Głównym zadaniem w czasie analizy semantycznej jest sprawdzenie, czy program może być jednoznacznie skompilowany. Pewne konstrukcje, mimo że dopuszczalne przez gramatykę języka, mogą być niepoprawne. Na przykład:

  • użycie zmiennej, która nie była zadeklarowana.
  • niezgodność typów przy przypisaniu.
  • wywołanie nieistniejącej metody obiektu.
  • odwołanie do zmiennych klasy z metod statycznych.
  • użycie instrukcji w niedozwolonych miejscach, np. this poza klasą, break poza pętlą.
  • przypisanie do nie l-wartości (np. do wyniku zwracanego przez funkcję lub do wyniku dodawania - więcej o l-wartościach będzie napisane w FIXME).

Zakres analizy semantycznej zależy od języka programowania. Niektóre języki dopuszczają użycie niezadeklarowanych zmiennych, niektóre sprawdzają poprawność przypisania, czy wywołania metody, w czasie wykonywania programu. Pozostawienie sprawdzania poprawności na czas wykonywania programu można nazwać dynamiczną analizą semantyczną (lub częściej dynamicznym typowaniem, gdyż sprawdzanie typów jest znaczą częścią analizy semantycznej).

Ogólnie, im więcej jest sprawdzane w tej fazie statyczniej analizy semantycznej tym łatwiej pisać skomplikowane a jednocześnie poprawne programy. Dużą część błędów, które mogłyby powstać w czasie wykonywania programu, wykrywa się na etapie kompilacji. Dzięki temu można znacznie skrócić fazę testów oprogramowania i pisać kod z mniejszą liczbą błędów.

Z drugiej strony zaawansowana statyczna analiza semantyczna wymaga pewnego nakładu ze strony programisty i ogranicza możliwości języków programowania. Sama deklaracja każdej zmiennej zabiera czas programiście piszącego kod. Dlatego możliwość używania niezadeklarowanych zmiennych jest pożądana w językach skryptowych oraz używanych do szybkiego prototypowania. Języki z brakiem statycznego sprawdzania poprawności typów (w szczególności języki obiektowe, jak smalltalk czy python) są bardziej elastyczne. Pozwalają na skupienie się na samym zadaniu do rozwiązania, a nie na zmieszczeniu rozwiązania w ramach języka programowania. To z kolei ułatwia i przyspiesza projektowanie, zarówno w małych projektach jak i w dużych systemów informatycznych. Projektant języka programowania musi odpowiednio wyważyć zalety i wady statycznej analizy semantycznej.

W tym rozdziale zostaną opisane najistotniejsze elementy statycznej analizy semantycznej:

  • kontrola typów,
  • kontrola poprawności instrukcji,
  • kontrola nazw.


Kontrola typów

Kontrola typów ma na celu sprawdzenie poprawności typów w takich konstrukcjach językowych jak:

  • przypisania - typ wartości przypisywanej musi być zgodny z typem elementu do którego przypisujemy,
  • operacje arytmetyczne - wartości, do których używany jest operator arytmetyczny, muszą zgadać się z rodzajem operatora.
  • wywołania funkcji - typy parametrów funkcji przy jej wywyłaniu muszą zgadzać się z typami zadeklarowanymi,
  • odwołania do pól rekordu - rekord, do którego się odwołujemy, musi mieć pole podanej nazwie,
  • wywołania metod obiektu - obiekt musi być klasy, która zawiera metodę, która jest wywoływana.

Zgodność typów nie oznacza, że typy są identyczne, ale, że operacja może być zastosowana dla tych typów. W dalszej części tego rozdziału przedstawione będą rodzaje typów, ich zgodność oraz kontrola ich poprawności.

System typów

Różne języki programowania mają różne systemy typów. Nie wszystkie będą zawierały wszystkie z omówionych niżej typów, a niektóre będą miały system typów bardziej rozbudowany. Typy obejmują:

  • typy arytmetyczne
  • wskaźniki i referencje
  • rekordy
  • obiekty
  • tablice
  • funkcje

Typy arytmetyczne

Typy arytmetyczne są przeznaczone do bezpośrednich operacji przez procesor przez procesor lub maszynę wirtualną. Obejmują one liczby całkowite (1, 2, 4, 8 bajtów), zmiennopozycyjne (4, 8, 10 bajtów) i znaki (1 lub 2 bajty). Nie wszystkie języki programowania dopuszczają typy o wszystkich rozmiarach, a niektóre mogą dopuszczać nawet większe rozmiary. Procesor lub maszyna wirtulana posiada zwykle instrukcje do odczytywania tych wartości z pamięci, wykonywania na nich operacji (dodawanie, mnożenie, etc.) i zapisywanie w pamięci. Czasem jednak nie musi być to prawdą. Na przykład przy kompilacji na architektury bez możliwości obliczeń zmiennopozycyjnych dodawanie dwóch liczb zmiennopozycyjnych może być zamienione na wywołanie odpowiedniej metody.


Wskaźniki i referencje

Referencje to małe obiekty, które przechowują informację o dostępie do innej wartości (np. wartości zmiennej lub obiekt) - wskazują na nią. Dzięki referencji można mieć dostęp do wskazywanej wartości. Zwykle wystarczającą informacją o wskazywanej wartości jest jej adres w pamięci.

Wskaźniki są tym samym co referencje, ale tym razem zakłada się, że przechowują wyłącznie adres pamięci pod którym zapisana jest inna wartość. Niech, na przykład, pod adresem 0x11111111 będzie zapisana zmienna x. Niech x będzie równe 2. Jeśli zmienna w jest wskaźnikiem na x to jej wartość będzie równa 0x11111111. Mając dostęp do zmiennej w możemy odczytać wartość zmiennej x. Jeśli teraz dokonamy przypisania: 

x = 3;

to korzystając z tej samej zmiennej w możemy odczytać nową wartość równą 3.

Wskaźniki (i referencje) mogą mieć różny typ: wskaźnik na liczbę całkowitą na liczbę zmiennopozycyjną, na obiekt, element tablicy.

Referencje i wskaźniki to różne nazwy na tą samą rzecz. Jedyna różnica jest taka, że mówiąc wskaźnik mamy na myśli tylko adres w pamięci, a mówiąc referencja, być może również jakiś inny rodzaj dostępu.

Niektóre języki programowania, na przykład C++ rozróżniają między wskaźnikami a referencjami i przypisują im nieco różną składnię i semantykę. Na przykład w C++ referencje są niezmienialne, tzn. nie można zmienić adresu na który wzkazuje zainicjalizowana referencja. W innych, jak Java jest tylko jeden rodzaj i nazywa się je referencjami (słowo wskaźnik nie jest używane wśród programistów Javy).

Rekordy

Rekordy (zwane także strukturami lub krotkami) to złożone typy, które zawierają pola o innych typach. Na przykład konstrukcja z języka C: 

struct A {
   int I;
   double D;
};

definiuje typ rekordowy A, który zawiera dwa pola: liczbę całkowitą I oraz liczbę zmiennopozycyjną D.

Rekord grupuje wartości różnych typów i pozwala na przechowywanie tych wartości w pojedynczej zmiennej. Odwołanie do poszczególnych pól rekordu jest wykonywane przez podanie nazwy pola (czasem numeru pola), np. a.I w języku C oznacza wzięcie pola I ze zmiennej a, która jest typu rekordowego.

Rekordy mogą zawierać pola o dowolnych typach. Szczegóły są uzależnione od języka programowania.


Obiekty

Obiekty są jak rekordy, ale mogą przechowywać funkcje (zwane metodami). Z wnątrza takiej funkcji jest dostęp do pól obiektu, z którego funkcja została wywołana. Główną techą obiektów jest to, że ich typy - klasy - mogą dziedziczyć po innych klasach.


Tablice

Tablice to ciągły obszar pamięci zawierający kolejne instancje typu tablicy. Na przykład tablica 100 liczb całkowitych to obszar pamięci zawierający kolejno 100 liczb całkowitych. Mogą być tablice obiektów, referencji, tablic.

Funkcje

Niekóre języki dopuszczają typy funkcyjne, czyli przypisywanie funkcji do zmiennej.

Sprawdzanie poprawności typów

  • cykle przy deklarowaniu typów (wskaźniki lub np. drzewa funkcyjne) (?)

Sprawdzanie poprawności typów obejmuje sprawdzenie dla każdej operacji w programie na wartościach pewnych typów, czy może ona być zastosowana do tych właśnie typów.

, czy każda wykonywana operacja może być zastosowana


Wyrażenia:

Dla każdego wyrażenia należy wyliczyć jego typ:

  • zmienne: typ zmiennej
  • wyr arytmetyczne: int + int -> int; double + int -> double. Więcej o tym w punkcie konwersja typów. Trzeba sprawdzić, czy operacje są przeprowadzane na poprawnym typie.
  • wywołania funkcji: sprawdzić typy parametrów, wybrać funkcje (więcej w wyborze funkcji w punkcie przeciążanie funkcji'. Typem wyniku będzie typ zwracany przez funkcję
  • odwołanie do pól obiektu, rekordu, krotki - znaleźć wpis w tablicy symboli i z tamtąd wziąć typ.

Równość typów

Przy sprawdzaniu poprawności typów trzeba sprawdzić, czy typ wyrażenia jest taki jak oczekujemy (np., taki sam jak typ parametru funkcji, która jest wołana na wyrażeniu). Trzeba więc porównać typy. W przypadku typów arytmetycznych wystarczy sprawdzić, czy nazwa typu jest taka sama. W przypadku typów rekordowych są dwie możliwości:

  • strukturalna
  • przez nazwę

Równoważność strukturalna sprowadza się do porównania, czy rekordy mają takie same pola. Równoważność przez nazwę występuje gdy możemy robić aliasy dla typów. Takie aliasy, przy równoważności przez nazwę, będą oznaczały różne typy. Aby zbadać równoważność strukturalną trzeba rekurencyjnie sprawdzić wszystkie pola (kolejność deklaracji pól też jest ważna). Rekurencyjnie, bo rekord może mieć pola także typu rekordowego.


konwersja typów

typy arytmetyczne i proste (int->double, etc)

Przy operacjach arytmetycznych często występuje niejawna konwersja typów. Np. można dodać int i double i wynikiem będzie double (bo ma większą precyzję). Można też wywołać funkcję ,która oczekuje double z parametrem int. Kompilator (z niektórych językach) powienien uznać taką operację za poprawną i dokonać konwersji. Generalnie przyjmuje się zasadę, żę dozwolona jest konwersja z typu o mniejszej dokładności do typu o większej dokładności (uwaga: może być dozwolona konwerja z int do float, chociaż dokładności obu typów nie da się porównać). Przy konwersji w przeciwną stronę kompilator powienien wypisać ostrzeżenie lub tego zabronić.


obiekty polimorficzne - rzutowanie

W przypadku języków obiektowych wszędzie tam, gdzie oczekuje się obiektu pewnej klasy można użyć jej podklasy. Konwersja w drugą stronę nie jest dozwolona

jawne rzutowanie

Często trzeba wykonać jawne rzutowanie. Wtedy można przypisać liczbę zmiennopozycyjną do całkowitej, referencję do referencji podklasy (takie przypisanie może być sprawdzane jedynie dynamicznie). Często języki umożliwiają rzutowanie dowolnego typu na dowolny.

Przeciążanie funkcji

Funkcje o tej samej nazwie lecz różnych typach parametrów to funkcje przeciążone. Przykład: operator + działający na intach lub double lub float lub char, .... Przeciążać czasem można też typ wartości zwracanej z funkcji.

W przypadku przeciążania typów parametrów wystarczy przy wywołaniu sprawdzić jakie konwersje typów są dozwolone i która z funkcji może być wywyłana przy minimalnej liczbie konwersji.

Jeśli przeciążamy wartość zwracaną to zamiast typów wyrażeń wyliczamy zbiory możliwych typów (możemy mieć np funkcję Date date() i int date()). Następnie kontynuujemy analizę semantyczną. Jeśli natrafimy na użycie wartości, dla którego niektóre typy są niepoprawne (np date() + 4 nie będzie działać z typem string) to zaznaczamy te niepoprawne typy. Na końcu przechodzimy drzewo składniowe jeszcze raz, eliminując niepoprawne użycia. Jeśli na końcu wyjdzie, że w pewnym miejscu możemy użyć dwóch z możliwych funkcji to zgłaszamy błąd bądź wybieramy jedną z nich na podstawie jakichś reguł.


szablony (c++) i generyki (java)

???


Języki funkcyjne i wnioskowanie typów

  • Zmienne typów;
  • unifikacja, etc.

reszta

Kontrola przepływu sterowania

  • break - sprawdzamy, czy break jest wewnątrz bloku switch, for, while, itp.
  • goto - sprawdzamy, czy etykieta jest zadeklarowana
  • this - tylko w klasie


kontrola nazw (unikalności nazw identyfikatorów, bloków, etc.)

  • czy ta sama nazwa nie została użyta w różnych kontekstach (np. jako nazwa funkcji i nazwa typu rekordowego - niektóre języki wszak dopuszczają takie użycia)
  • słowa kluczowe - czy jako identyfikatory nie zostały wzięte słowa kluczowe (niektóre języki wszak to dopuszczają)
  • etykiety dla goto, case - czy etykiety dla goto i case są unikalne

kontrola dostępu

Sprawdza się użycie zmiennych klasowych.

  • próby czytania zmiennych prywatnych spoza klasy
  • próby czytania zmiennych chronionych spoza podklas lub pakietu
  • próby zapisywania zmiennych tylko do odczytu (finalnych)

L-wartości

Przpisania mogą być wykonane tylko do L-wartości (L-wartością nie jest np. wartość zwracana z funkcji. Przekazywanie paraemtru przez zmienną może dotyczyć tylko L-wartości.

inne pomysły

  • Czy przy tworzeniu nowego obiektu typu tablicowego został podany rozmiar.
  • czy klasa tworzona nie jest abstrakcyjna
  • czy nie ma cykli w hierarchii klas
  • czy nadklasa nie jest finalna
  • czy w nadklasie są metody, które się przedefiniowuje. czy są wirtualne, czy zwracany typ jest taki sam
  • czy typ przy return zgadza się z typem funkcji



test wiki

tabela

Uzupelnij tytul
a1 b1 c1
a2 b2 c2

podrozdz1

podrozdz

Przykład: 

x = y
a = x + y
b = a + x

link martwym kodem.

Lista punktowana

  • ala ma kota
    • aaa

adsfα+(4b)bold Italic

internal link

[external link]

Plik:An image

Media:media file

No wiki formating

--Mbiskup 10:41, 22 lip 2006 (CEST)Mój podpis 

i = 0 
do { 
  j = 4 * i
  i = i + 1 
} while (i < 20)

Bibliografia

  1. elem2
Źródło: „https://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=Metody_realizacji_języków_programowania/MRJP_Wykład_3&oldid=18986”