Análisis semántico I Traducción dirigida por la sintaxis

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1 Procesadores de Lenguajes Ingeniería Técnica superior de Ingeniería Informática Departamento de Lenguajes y Sistemas informáticos Análisis semántico I Traducción dirigida por la sintaxis Javier Vélez Reyes jvelez@lsi.uned.es Departamento de Lenguajes Y Sistemas Informáticos UNED

2 Objetivos Generales Objetivos Generales Aprender qué es la semántica de un lenguaje de programación Entender cómo funciona la semántica operacional y distinguirla de otros tipos de semántica Aprender cómo se inyecta información semántica en una gramática Aprender el principio de traducción dirigido por la sintaxis Conocer las gramáticas con atributos y las reglas y acciones semánticas Aprender a distinguir los diferentes tipos de atributos que existen Aprender a construir y analizar grafos de dependencia Aprender a identificar compiladores de simple y doble pasada Conocer los distintos tipos de formalismos de traducción que existen Aprender a especificar definiciones dirigidas por la sintaxis Aprender a especificar esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis

3 Índice Índice Introducción Formalismos para la especificación de traducciones Reglas semánticas Atributos Grafos de dependencia Diseño de definiciones dirigidas por la sintaxis Gramáticas con atributos por la izquierda Esquemas de traducción dirigidas por la sintaxis Acciones semánticas Atributos Diseño de esquemas de traducción Traducción dirigida por la sintaxis en la práctica Bibliografía

4 Introducción Qué es la semántica de un lenguaje? Tema 2 Tema 3-5 Tema 6-7 Tema 8-9 Tema Etapa de análisis Etapa de síntesis While ( a > b ) do a := a + 1; Analizador léxico Analizador sintáctico e l i h w <WHILE, PR> S WHILE E DO S E > E Analizador semántico Código intermedio Código final S LD a t WHILE E DO S E > E LD b t2 GRT t3 t1 t2 BRZ t3 L Cómo es el lenguaje? Las dos primeras fases conceptuales de un compilador atienden a responder la pregunta de cómo es un lenguaje en términos de su estructura sintáctica y sus elementos léxicos constituyentes Qué es el lenguaje? Las tres fases subsiguientes tratan de dar un significado único, preciso y computable a cada construcción del lenguaje de manera que el programador sepa definir programas semánticamente útiles y coherentes

5 Introducción Qué es la semántica de un lenguaje? El análisis sintáctico de un código fuente comprueba que la secuencia de tokens llegada desde el analizador léxico se corresponde con la esperada de acuerdo a las prescripciones gramaticales y se obtiene como resultado un árbol de análisis sintáctico. Hemos obtenido por tanto una secuencia correcta de tokens pero nada sabemos acerca de qué significado intencional subyace a la misma PROGRAM BubbleSort; CONST MAX = 100; TYPE TVector = ARRAY [1..MAX] OF INTEGER; VAR v: TVector; PROCEDURE ReadVector (VAR v : TVector);... PROCEDURE Sort (VAR v : TVector, size : INTEGER); VAR i, j, tmp : INTEGER; BEGIN FOR i := size - 1 DOWNTO 1 DO FOR j := 1 TO i DO IF (v[j] > v[j + 1]) THEN BEGIN tmp := v[j]; v[j] := v[j + 1]; v[j + 1] := tmp; END; END; BEGIN ReadVector (v); sort (v, MAX); END. Sabemos comprobar que este código fuente corresponde a un programa en Pascal de acuerdo a la gramática del lenguaje. Pero, que significan la declaración de constantes, tipos, variables, funciones y procedimientos, las sentencias, expresiones, etc. que en él aparecen?

6 Introducción Errores semánticos de un programa: Conversiones de tipos no permitidas int x; x = 4.32; Error: Ej1.java [6:1] possible loss of precision Variables usadas y no definidas Operandos de tipos no compatibles if (x 5) x = 0; Error: Ej2.java [7:1] operator cannot be applied to int,int Procesadores de lenguaje Tema 4: Análisis semántico Salvador Sánchez, Daniel Rodríguez

7 Introducción Qué es la semántica de un lenguaje? Es necesario definir computacionalmente la semántica de un lenguaje para que el compilador sepa interpretar cada posible código fuente del mismo. La forma más sencilla de hacer esto es asociar a cada posible construcción gramatical ciertas reglas que permitan traducirla en términos computables. Esto sólo es posible si se cumple el principio de traducción dirigido por la sintaxis Traducción dirigida por la sintaxis El significado de una construcción de un lenguaje está directamente relacionado con su estructura sintáctica según se representa en su árbol de análisis Es decir, el significado de cada construcción gramatical, representada típicamente por un no terminal, solo debe depender de los elementos que aparecen en la parte derecha de sus reglas de producción DeclaraciónTipo ::= TYPE ID = ARRAY [N..N] OF Tipo; La lectura práctica que debe hacerse de este principio es que para establecer la semántica de un lenguaje es suficiente con hacerlo sobre cada una de sus reglas de producción de manera independiente. Esto a su vez se consigue estableciendo una traducción de los elementos de la parte derecha de la regla a una representación con un significado computable específico

8 Introducción Qué es la semántica de un lenguaje? Es necesario definir computacionalmente la semántica de un lenguaje para que el compilador sepa interpretar cada posible código fuente del mismo. La forma más sencilla de hacer esto es asociar a cada posible construcción gramatical ciertas reglas que permitan traducirla en términos computables. Esto sólo es posible si se cumple el principio de traducción dirigido por la sintaxis Traducción dirigida por la sintaxis El significado de una construcción de un lenguaje está directamente relacionado con su estructura sintáctica según se representa en su árbol de análisis Las traducciones con significado computacional especifico a las que antes hacíamos referencia se pueden clasificar en 2 grandes grupos dependiendo del momento en que se aplican dentro del ciclo de compilación Tiempo de compilación (semántica estática) Tipos de acciones de traducción semántica Las traducciones en tiempo de compilación son acciones que se aplican sobre los artefactos del compilador y que tienen efecto durante el proceso de compilación Tiempo de ejecución (semántica dinámica) Las traducciones en tiempo de ejecución son acciones dirigidas a generar código ejecutable en tiempo de compilación para que se apliquen durante la ejecución del programa compilado Tema 7 Tema 8, 9

9 Introducción Qué es la semántica de un lenguaje? Es necesario definir computacionalmente la semántica de un lenguaje para que el compilador sepa interpretar cada posible código fuente del mismo. La forma más sencilla de hacer esto es asociar a cada posible construcción gramatical ciertas reglas que permitan traducirla en términos computables. Esto sólo es posible si se cumple el principio de traducción dirigido por la sintaxis Traducción dirigida por la sintaxis Construcción sintactica Traducción semántica Tipo Ejemplo Tiempo de compilación Tiempo de ejecución Declaración de constantes Declaración de tipos Declaración de variables Declaración de procedimientos CONST MAX = 100; Registrar MAX como constante entera de valor 100 TYPE TVector = ARRAY [1..MAX] OF INTEGER; VAR v : TVector; PROCEDURE Sort (VAR v : TVector); Registrar TVector como tipo ARRAY de tamaño 100 y base INTEGER Comprobar que TVector existe como un tipo y registrar v como una variable de ese tipo Registrar Sort como un procedimiento del ámbito en curso indicando la lista de tipos de los parámetros. Crear un nuevo ámbito y registrar en él v como variable de tipo TVector

10 Introducción Qué es la semántica de un lenguaje? Es necesario definir computacionalmente la semántica de un lenguaje para que el compilador sepa interpretar cada posible código fuente del mismo. La forma más sencilla de hacer esto es asociar a cada posible construcción gramatical ciertas reglas que permitan traducirla en términos computables. Esto sólo es posible si se cumple el principio de traducción dirigido por la sintaxis Traducción dirigida por la sintaxis Construcción sintactica Traducción semántica Tipo Ejemplo Tiempo de compilación Tiempo de ejecución Declaración de funciones Function Sort (VAR v : TVector):INTEGER; Adicionalmente al caso de procedimientos registrar que el tipo de retorno es INTEGER Expresiones v[j] > v[j + 1] Comprobar que v esta declarado previamente y que es de tipo TVector. Asegurarse de que las subexpresiones son correctas y de tipos compatibles con el operador mayor que Sentencia For FOR j := 1 TO i DO... Comprobar que la expresión 1 e i son de tipo INTEGER. Comprobar que j ha sido previamente declarada como una variable de tipo INTEGER Generar código para recuperar de memoria el valor de las sub-expresiones y aplicar la comparación entre ambos con los operadores del lenguaje de bajo nivel Generar código para inicializar j a 1. Generar código de salto para iterar la ejecución del bloque dentro de FOR i veces. Generar código para actualizar a cada paso el valor de j a j + 1

11 Introducción Qué es la semántica de un lenguaje? Es necesario definir computacionalmente la semántica de un lenguaje para que el compilador sepa interpretar cada posible código fuente del mismo. La forma más sencilla de hacer esto es asociar a cada posible construcción gramatical ciertas reglas que permitan traducirla en términos computables. Esto sólo es posible si se cumple el principio de traducción dirigido por la sintaxis Traducción dirigida por la sintaxis Construcción sintactica Traducción semántica Tipo Ejemplo Tiempo de compilación Tiempo de ejecución Sentencia If Sentencia de asignación Sentencia de llamada a procedimiento IF (v[j] > v[j + 1]) THEN BEGIN tmp := v[j]; v[j] := v[j + 1]; v[j + 1] := tmp; END; Comprobar que la expresión de comparación es semánticamente correcta (ver anterior) y comprobar que su evaluación devuelve un tipo lógico tmp := v[j]; Comprobar que tmp esta definido. Comprobar que el tipo de base de v es compatible con el de tmp sort (v, MAX); Comprobar que Sort esta declarado como procedimiento y que el número, orden y tipo de los parámetros actuales y formales coinciden Generar código para evaluar la expresión durante la ejecución. Generar código de salto que ejecute el bloque THEN si la evaluación da TRUE en ejecución Generar código para evaluar el valor de v[j] y copiar su valor en la posición de memoria apuntada por tmp Generar código para gestionar memoria que permita la activación del procedimiento Sort. Generar código de salto para su ejecución

12 Formalismos para la especificación de traducciones Especificación de traducciones dirigidas por la sintaxis Una vez entendido el proceso de traducción dirigida por la sintaxis que nos permite conferir semántica a las construcciones de un lenguaje, necesitamos mecanismos formales y tecnológicos para especificar dicha traducción de manera precisa Formalismos para la especificación de traducciones dirigidas por la sintaxis I. Las definiciones dirigidas por la sintaxis son un mecanismo de alto nivel que permite expresar la semántica asociada a las construcciones de un lenguaje en términos de una colección de reglas semánticas asociadas a cada regla de producción gramatical R 1. E ::= E + E, Rs 1 R 2. E ::= n, Rs 2 II. Esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Los esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis permiten insertar, entre los símbolos gramaticales de la parte derecha de las reglas de producción, acciones semánticas cuyo propósito es realizar cierta traducción de carácter semántico. La ventaja de esta aproximación es que aquí se prescribe el momento exacto de la compilación en el que cada acción es ejecutada E n E + E {: :} {: :} n {: :}

13 Las definiciones dirigidas por la sintaxis (DDS) son un formalismo de alto nivel que permite asociar a cada regla de producción gramatical una regla semántica descrita, principalmente, en términos de una transformación de ciertos atributos asociados a cada no terminal de la gramática. Elementos de las definiciones dirigidas por la sintaxis Reglas de producción Reglas semánticas Subíndice de diferenciación declaracion ::= lvariables : tipo lvariables ::= lvariables 1, ID lvariables ::= ID tipo ::= INTEGER ; tipo ::= REAL ; lvariables.tipo := tipo.tipo lvariables 1.tipo := lvariables.tipo <<registrar ID como variable de tipo tipo>> <<registrar ID como variable de tipo tipo>> tipo.tipo := ENTERO tipo.tipo := REAL atributo I. Gramática con atributos II. Reglas semánticas A cada no terminal se asocian un conjunto de atributos para contener determinada información semántica que será utilizada en otras reglas de producción Las reglas semánticas se encargan de transferir la información de unos atributos a otros y aplican acciones de traducción de carácter semántico declaracion [] lvariables [tipo] tipo [tipo] lvariables 1.tipo := lvariables.tipo <<registrar ID como variable de tipo tipo>>

14 Las definiciones dirigidas por la sintaxis (DDS) son un formalismo de alto nivel que permite asociar a cada regla de producción gramatical una regla semántica descrita, principalmente, en términos de una transformación de ciertos atributos asociados a cada no terminal de la gramática. Atributos Un atributo es un espacio de información con tipificación implícita que sirve para albergar una característica propia del proceso de traducción y que puede ser transferida a otras producciones gramaticales para que pueda ser utilizada desde allí por sus reglas semánticas tipos de atributos I. Atributos sintetizados Se dice que un atributo es sintetizado si su valor es calculado exclusivamente a partir de atributos de los símbolos gramaticales de la parte derecha de sus reglas de producción. El carácter sintetizado de un atributo se mantiene a lo largo de toda la gramática II. Atributos heredados Se dice que un atributo es heredados si su valor es calculado a partir de atributos de los símbolos gramaticales de las regla de producción en que aparece o de los antecedentes de las misma. El carácter heredado de un atributo se mantiene a lo largo de toda la gramática A.a := f (B.b, C.c, D.D) A B C D b c d B.b := f (A.a, C.c, D.D) A a a B C D b c d

15 Las definiciones dirigidas por la sintaxis (DDS) son un formalismo de alto nivel que permite asociar a cada regla de producción gramatical una regla semántica descrita, principalmente, en términos de una transformación de ciertos atributos asociados a cada no terminal de la gramática. Reglas semánticas Una regla semántica es una expresión formal asociada a una regla de producción que permite definir la semántica de la construcción gramatical asociada a la misma en términos de los símbolos de la regla de producción tipos de reglas semánticas I. Reglas de ecuaciones de atributos Las reglas de ecuaciones de atributos se utilizan para copiar, mover o transformar la información soportada por los atributos asociados a los símbolos de una regla hacia los atributos asociados a los símbolos no terminales de otra u otras reglas. Para concatenar valores de tipo cadena se usa el operador II. Reglas de acción semántica Las reglas de acción semántica son instrucciones o pseudoinsstrucciones que se utilizan para provocar algún efecto semántico sobre la traducción. Dado sus posibles efectos colaterales deben ser evitadas en la medida de lo posible. lvariables 1.tipo := lvariables.tipo No terminal asignación atributo Terminal o No terminal <<registrar ID como variable...>>

16 Gramáticas de atributos Ejemplo Regla gramatical L E n E E + T E T T T * F T F F (E) F digito Regla semántica print(e.val) E 0.val = E 1.val + T.val E.val = T.val T 0.val = T 1.val * F.val T.val = F.val F.val = E.val F.val = digito.valor_lexico Procesadores de lenguaje Tema 4: Análisis semántico Salvador Sánchez, Daniel Rodríguez

17 Las definiciones dirigidas por la sintaxis (DDS) son un formalismo de alto nivel que permite asociar a cada regla de producción gramatical una regla semántica descrita, principalmente, en términos de una transformación de ciertos atributos asociados a cada no terminal de la gramática. Grafos de dependencias Un grafo de dependencias refleja, sobre un árbol de análisis sintáctico las dependencias entre los atributos gramaticales establecidas en virtud de las reglas semánticas que les asignan valor Algoritmo de cálculo A.a := f (B.b, C.c, D.D) a A Para cada producción A ::= X 1 X 2... X n Crear un nodo por cada atributo X i.a j de cada símbolo Para cada regla semántica de la forma X i.a j = f (..., X k.a l,...) Para cada k y cada l Crear arco desde X k.a l hasta X i.a j B C D b c d a A Unir todos los grafos resultantes B.b := f (A.a, C.c, D.D) B C D b c d

18 Las definiciones dirigidas por la sintaxis (DDS) son un formalismo de alto nivel que permite asociar a cada regla de producción gramatical una regla semántica descrita, principalmente, en términos de una transformación de ciertos atributos asociados a cada no terminal de la gramática. Grafos de dependencias declaracion ::= lvariables : tipo lvariables.tipo := tipo.tipo a, b : INTEGER; lvariables ::= lvariables 1, ID lvariables ::= ID lvariables 1.tipo := lvariables.tipo <<registrar ID como variable de tipo tipo>> <<registrar ID como variable de tipo tipo>> lvariables.tipo tipo.tipo [Heredado] [sintetizado] tipo ::= INTEGER ; tipo ::= REAL ; tipo.tipo := ENTERO tipo.tipo := REAL declaración El grafo de dependencias pone de manifiesto que para registrar las variables a y b es necesario recuperar la información de tipo extraída de la regla tipo ::= INTEGER y moverla sobre el árbol de análisis sintáctico hasta las reglas con ID. Para ello se utiliza el atributo tipo en cada no terminal y las reglas semánticas adjuntas lvariables.tipo : ENTERO ENTERO lvariables.tipo, ID <<registrar ID con tipo>> ID <<registrar ID con tipo>> tipo.tipo ENTERO INTEGER

19 Las definiciones dirigidas por la sintaxis (DDS) son un formalismo de alto nivel que permite asociar a cada regla de producción gramatical una regla semántica descrita, principalmente, en términos de una transformación de ciertos atributos asociados a cada no terminal de la gramática. Diseño de definiciones dirigidas por la sintaxis El diseño de definiciones dirigidas por la sintaxis es un ejercicio complejo que requiere realizarse cuidadosa y sistemáticamente. A continuación proporcionamos un procedimiento orientativo que puede ayudar a alcanzar más fácilmente este objetivo I. Especificación gramatical Construya la gramática sobre la cual desea articular la definición dirigida por la sintaxis. Asegúrese de que esta gramática es correcta y no ambigua II. Selección de una frase representativa Seleccione una frase del lenguaje. Asegúrese de que es lo suficientemente compleja como para que implique visitar al menos una vez cada regla gramatical III. Construcción del árbol de análisis Construya el árbol de análisis sintáctico asociado a dicha frase. Asegúrese de que existe al menos una instancia de cada regla IV. Selección de atributos Defina los atributos semánticos que requerirá su definición en cada símbolo gramatical y caracterícelos como sintetizados o heredados. Esto último se puede postergar para el final V. Grafo de dependencias Dibuje el grafo de dependencias que debería producirse para asegurar que la información fluya adecuadamente. Considere siempre un procesamiento descendente VI. Especificación de la definición Escriba las reglas semánticas necesarias, con el nivel de abstracción oportuno, para garantizar que se satisface el grafo de dependencias. Incluya las reglas de acción pertinentes

20 Las definiciones dirigidas por la sintaxis (DDS) son un formalismo de alto nivel que permite asociar a cada regla de producción gramatical una regla semántica descrita, principalmente, en términos de una transformación de ciertos atributos asociados a cada no terminal de la gramática. Ejemplo Se pretende construir una calculadora que permita escribir expresiones aritméticas y calcular su valor asociado E ::= E + T E T T * 5 T ::= T * F T / F F F ::= ( E ) n E E + T F n F T T * n F n 2 E.value + 2 T.value 2 F.value 2 n.value E.value = T.value * 3 F.value 3 n.value T.value 5 F.value 5 n.value E.value T.value F.value n.value [Sintetizado] [Sintetizado] [Sintetizado] [Sintetizado] E ::= E + T E.value := E.value + T.value E ::= E T E.value := E.value - T.value E ::= T E.value := T.value T ::= T * F T.value := T.value * F.value T ::= T / F T.value := T.value / F.value T ::= F T.value := F.value F ::= ( E ) F.value := E.value F ::= n F.value := n.value

21 Las definiciones dirigidas por la sintaxis (DDS) son un formalismo de alto nivel que permite asociar a cada regla de producción gramatical una regla semántica descrita, principalmente, en términos de una transformación de ciertos atributos asociados a cada no terminal de la gramática. Ejercicios A continuación se muestra una gramática de operadores no ambigua. Especifique sobre ella una DDS para pasar expresiones aritméticas infijas a notación postfija E ::= E + T E T T T ::= T * F T / F F F ::= ( E ) n La siguiente gramática representa números binarios. Defina una DDS que traduzca cualquier binario colocando todos los 0 delante y todos los 1 detrás. Por ejemplo se traduce a B ::= D B D D ::= 0 1 La siguiente gramática corresponde a la declaración de variables es Pascal. Especifique sobre ella una DDS para traducir dichas declaraciones a sintaxis C declaracion ::= lvariables : tipo lvariables ::= lvariables 1, ID lvariables ::= ID tipo ::= INTEGER ; tipo ::= REAL ; La siguiente gramática se utiliza para representar números en octal. Constrúyase una DDS para obtener su traducción equivalente en base 10 N ::= D N D D ::=

22 examen junio 2ª semana 2012 tipo lvalue expresion1 ids tipo lvalue ids ids expresion2 = expresion3

23 Esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Las definiciones dirigidas por la sintaxis son formalismos abstractos de traducción de alto nivel y por tanto adolecen de un mecanismo para indica el momento exacto en el que cada regla semántica debe ejecutarse. Una versión computacional que soluciona este problema son los esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Elementos de las traducciones dirigidas por la sintaxis Atributo Reglas de producción E ::= T {: E.trad := T.trad :} E {: E.trad := E.trad :} Subíndice de diferenciación E ::= + T {: E 1.trad := E.trad T.trad + :} E 1 {: E.trad := E 1.trad :} E ::= - T {: E 1.trad := E.trad T.trad - :} E 1 {: E.trad := E 1.trad :} E ::= ε {: E.trad := E.trad :} T ::= num {: T.trad := num.lexema :} Acción semántica I. Gramática con atributos II. Acciones semánticas Como en las definiciones dirigidas por la sintaxis, los esquemas de traducción también se construyen sobre gramáticas con atributos E [trad] E [trad] T [trad] num [lexema] Las acciones semánticas se insertan entre los símbolos gramaticales de la parte derecha de cada regla y, cuando se visitan durante la construcción del árbol de análisis sintáctico, realizan los traducciones semánticas pertinentes E ::= T {: E.trad := T.trad :} E {: E.trad := E.trad :}

24 Esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Las definiciones dirigidas por la sintaxis son formalismos abstractos de traducción de alto nivel y por tanto adolecen de un mecanismo para indica el momento exacto en el que cada regla semántica debe ejecutarse. Una versión computacional que soluciona este problema son los esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Acción semántica Una acción semántica es un fragmento de código ejecutable, insertado en algún punto de la parte derecha de una regla de producción, encargado de realizar cierta lógica de traducción a partir de la información soportada por los atributos de los símbolos gramaticales de dicha regla E ::= T {: E.trad := T.trad :} E {: E.trad := E.trad :} Cada acción semántica se inserta en el lugar adecuado para que sea ejecutada en el momento preciso durante la construcción del árbol de análisis sintáctico El contenido de la acción se expresa, frecuentemente, en el lenguaje de programación anfitrión del compilador que se está construyendo Como en las DDS, las acciones semánticas frecuentemente realizan operaciones de manipulación de atributos pero también puede llevar acabo operaciones con potenciales efectos colaterales

25 Esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Las definiciones dirigidas por la sintaxis son formalismos abstractos de traducción de alto nivel y por tanto adolecen de un mecanismo para indica el momento exacto en el que cada regla semántica debe ejecutarse. Una versión computacional que soluciona este problema son los esquemas de traducción dirigidos por la sintaxis Ejemplo E T E {: E.trad := 9 :} {: E.trad := :} num (9) {: T.trad := 9 :} - T E {: E 1.trad := :} {: E.trad := :} num (5) {: T.trad := 5 :} + T E {: E 1.trad := :} {: E.trad := :} num (2) {: T.trad := 2 :} ε {: E.trad := :}

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27 1ª semana junio 2015