Учебный исследовательский проект реализации алгоритмических языков: условные и вариантные предложения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ф ' информатика <

Мартыненко Борис Константинович

УЧЕБНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ ЯЗЫКОВ: УСЛОВНЫЕ И ВАРИАНТНЫЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Аннотация

Рассматривается реализация условных и вариантных предложений как конструкций в объектно-ориентированной модели семантики на примере языка программирования Алгол 68.

Ключевые слова: балансировка видов, вариантное предложение, приводимое, условное предложение.

1. ВВЕДЕНИЕ

Статья продолжает обсуждение проекта реализации алгоритмических языков на базе объектно-ориентированного описания семантики [2-6].

В Алголе 68 [1] есть три разновидности выбирающих предложений: - условным (выбирающие по логическо-

му значению),

- вариантные (выбирающие по целому значению),

- сопоставляющие предложения (выбирающие по конкретному виду, объединённому из нескольких видов).

Все они могут играть роль оператора, если контекст, в котором они используются, определяет их вид как void или выражения с результатом определённого вида.

Оставляя реализацию сопоставляющих предложений до рассмотрения объединённых видов на будущее, рассмотрим две первых разновидности выбирающих предложений.

Напомним, что основные формы условного и вариантного предложений1 представляются схемами, изображёнными на рис. 1 и 2.

© Б.К. Мартыненко, 2009

if

then else fi

case

in

out

esac

выясняющее предложение

последовательное предложение

последовательное предложение

Рис. 1. Блочная структура условного предложения

вышсняющее предложение

основа 1, основа 2, ..., основа ,

последовательное предложение

Рис. 2. Блочная структура вариантного предложения

1 Без синтаксического «сахара» для частных случаев.

Рамками показаны области действия индикаторов, описанных в соответствующих предложениях, составляющих данные выбирающие предложения.

Индикаторы, описанные в выясняющем предложении, можно использовать в любом последовательном предложении в составе данного выбирающего предложения и в основах вариантного. Индикаторы, описанные в любой из ветвей условного предложения и в ветви -out, можно использовать только в ней.

Напомним, что последовательное предложение образует локализующее окружение, то есть участок в стеке данных, присоединяемый к текущему окружению, если он содержит описания индикаторов, то есть является блоком в традиционном смысле. Это относится и к последовательным предложениям в составе выбирающего предложения.

Вы1ясняющее предложение в составе условного или вариантного предложений - это последовательное предложение логического или целого вида соответственно, в раскрытой позиции [6], не содержащее определяющих вхождений меток. Это значит, что за время исполнения таких предложений выясняющее предложение исполняется ровно один раз.

Then- и else- ветви условного предложения должны приводиться к одному и тому же виду с учётом того, что одна из ветвей занимает сильную позицию, а сорт позиции другой ветви - такой же, как всего условного предложения.

Аналогично виды составляющих конструкций вариантного предложения определяются, исходя из того, что одна из основ или out-предложение занимают позицию того же сорта, что и всё вариантное предложение, тогда как остальные в сильной позиции. Такая балансировка видов является задачей синтаксического анализа и здесь не рассматривается.

В Алголе 68 приведения выполняются над результатами последних основ последовательных предложений перед передачей их объемлющей конструкции. Причём приведения касаются только приводимые (coercend), к которым по синтаксису языка Алгол 68 относятся все основы, кроме ЗАМКНУТЫХ1 предложений, переходов и псевдоимён.

В рассматриваемой ОО-модели семантики все приводимые являются наследниками объекта типа TCoercend, единственное поле данных которого есть указатель на строку, представляющую план приведений [6].

Именно, вводится объект типа TCoercend:

type PCoercend = ATCoercend;

TCoercend = object (TConstruct) { План приведений } coercion plan: PChar; constructor Init (cp : PChar);

end;

с реализацией конструктора

constructor TCoercend.Init (r, cp : PChar); begin inherited Init (r); coercion_plan := cp end;

Поле coercion_plan, равное nil, означает, что фактически никаких приведений не требуется. Иначе, значение поля coercion_plan используется для управления преобразованиями значения приводимой основы, априорное значение которого зафиксировано в UV [6].

В связи с введением в модель семантики типа TCoercend, объекты-конструкции, являющиеся приводимыми, должны быть наследниками этого типа.

Например, конструкции 'изображение целого' или 'изображение вещественного' следует пересмотреть. Именно, обновлённые версии этих конструкций теперь описываются следующим образом:

1 То есть кроме замкнутых, выбирающих и циклических предложений.

type PIntegralDenotation = ATIntegralDenotation; TIntegralDenotation = object (TCoercend) Value : integer; { априорное значение } constructor Init (r, cp : PChar; v : integer); function Show : PChar; virtual; procedure Run; virtual; end;

с реализацией методов

constructor TIntegralDenotation.Init (r, cp : PChar; v : integer);

begin inherited Init (r, cp); Value := v end;

function TIntegralDenotation.Show : PChar;

begin Show := Representation end;

procedure TIntegralDenotation.Run;

begin UV := New (PIntegralValue, Init (Value));

if coercion plan <> nil then Coercing (coercion planA)

end;

type PRealDenotation = ATRealDenotation; TRealDenotation = object (TCoercend) Value : real;

constructor Init (r, cp : PChar; v : real); function Show : PChar; virtual; procedure Run; virtual; end;

с реализацией методов

constructor TRealDenotation.Init ( r, cp : PChar; v : real );

begin inherited Init (r, cp); Value := v end;

function TRealDenotation.Show : PChar;

begin Show := Representation end;

procedure TRealDenotation.Run;

begin UV := New (PRealValue, Init (Value));

if coercion plan <> nil then Coercing (coercion planA)

end;

2. РЕАЛИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ 'УСЛОВНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ'

Конструкция 'условное предложение' представляется как объект типа TConditional_clause со следующим предописанием:

type PConditional clause = ATConditional clause; TConditional_clause = object (TConstruct) choice_clause, then_clause, else_clause : PConstruct; constructor Init (cc, tc, ec : PConstruct); destructor Done; virtual; function Show : PChar; virtual; procedure Run; virtual; end;

и реализацией методов

constructor TConditional_clause.Init (cc, tc, ec : PConstruct); begin choice_clause := cc; then_clause := tc; else_clause := ec end;

destructor TConditional_clause.Done; begin end;

function TConditional_clause.Show : PChar; var Bf : array [0 .. 1023] of Char; begin

StrPCopy (Bf, '.if ');

StrCat (Bf, choice_clauseA.Show);

StrCat (Bf, ' .then '); StrCat (Bf, then_clauseA.Show); StrCat (Bf, ' .else '); StrCat (Bf, else_clauseA.Show); StrCat (Bf, ' .fi'); Show := Bf

end;

procedure TConditional_clause.Run; begin

choice clauseA.Run;

if PBooleanValue (UV)A.Value then then clauseA.Run else else clauseA.Run;

end;

Представление полей данных choice_clause, then_clause и else_clause в виде указателей на объекты-конструции любого типа вместо последовательныьх предложений (TRange), коими они буквально являются по синтаксису языка Алгол 68, даёт возможность не выполнять предыкполнений последовательных предложений в тех случаях, когда они фактически составлены одной приводимой основой.

В листинге 1 приводится программа на промежуточном инструментальном языке Free Pascal [7] построения семантического дерева алгол-программы, включающей два условных предложения.

Заметим, что в протоколе построения семантического дерева программы и её исполнения (рис. 3) приведены выдачи некоторых семантических модулей, предусмотренных отладочным режимом компиляции.

Отметим следующие особенности этой программы.

1. Единственный блок этой программы не содержит описаний и потому является не локализующим: в стеке не образуется ни одного участка (locale) и таблица Display не содержит ни одного элемента.

2. Априори изображение вещественного 3.14 и изображение целого 0, составляющие ветви обоих условных предложений, дают значения разных видов - integral и real соответственно.

3. Балансировка видов этих условных предложений вызывает приведение целого значения 0 к эквивалентному вещественному значению.

4. Результаты условных предложений выбираются по соответствующему логическому значению выясняющего предложения и фиксируются в UV как значения вида real.

5. Эти значения опустошаются, то есть просто игнорируются, что не требует никаких действий.

6. Сама программа как замкнутое предложение имеет пустой результат (empty) в соответствии с описанием конструкции 'программа' в Алголе 68.

В предпоследней строчке протокола показано остаточное значение второго условного предложения, зафиксированного в UV к моменту завершения интерпретации семантического дерева алгол-программы.

Листинг 1. Построение семантического дерева программы

.begin .if .true .then 3.14 .else 0 .fi ; .if .false .then 3.14 .else 0 .fi .end' program conditional_test_1;

uses CRT, PLAIN_VALUES, CONSTRUCTS, CLAUSES, ENVIRON ; var bd, bd1 : PBooleanDenotation; id : PIntegralDenotation; rd : PRealDenotation; bds, bdls, ids, rds, id_cp: string; if cl, if cll : PConditional Clause; cl0 : PConstructList; RangeO : PRange; main: PClosedClause; begin ClrScr;

writeln (#13#10' Тестирование программы Алгола 68:');

writeln ('.begin .if .true .then 3.14 .else 0 .fi ; .if .false .then 3.14 .else 0 .fi .end'); writeln (#13#10' ПРОСТРАСТВО ДАННЫХ:'#10#13); { СОЗДАНИЕ СТЕКА ДАННЫХ }

Stack := New (PStack, Init (1));

writeln ('Стек на ', StackA.Limit, ' участок); { СОЗДАНИЕ ТАБЛИЦЫ DISPLAY }

Display := New (PDisplay, Init (1));

writeln (' Display на ', DisplayA.Limit,' участок'#13#10); writeln (' == СОЗДАНИЕ СЕМАНТИЧЕСКОГО ДЕРЕВА ПРОГРАММЫ =='#13#10); { СОЗДАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ БЛОКА 0} bds := 'true';

bd := New (PBooleanDenotation, Init (@bds[1], true)); writeln (' Изображение логического: ', bdA.Show); bd1s := 'false';

bd1 := New (PBooleanDenotation, Init (@bd1s[1], false)); writeln (' Изображение логического: ', bd^.Show); ids := '0'; idcp := 'd'; { d - обобщение целого до вещественного } id := New (PIntegralDenotation, Init (@ids[1], @id_cp[1], 0)); writeln (' Изображение целого: ', idA.Show); rds := '3.14'; { rd cp = nil - приведений не требуется! } rd := New (PRealDenotation, Init (@ids[1], nil, 3.14)); writeln (' Изображение вещественного: ', rdA.Show); if cl := New (PConditional Clause, Init (bd, rd, id)); writeln (' Условное предложение: ', if clA.Show); if cl1 := New (PConditional Clause, Init (bd1, rd, id)); writeln (' Условное предложение: ', if cl1A.Show); { Создание списка конструкций блока 0 } cl0 := New (PConstructList, Init (2, 0)); cl0A.Insert (if cl ); cl0A.Insert (if_cl1); { Создание блока 0 }

Range0 := New (PRange, Init (0, 10, cl0)); { Создание программы }

main := New (PClosedClause, Init (Range0));

writeln (#13#10' СЕМАНТИЧЕСКОГО ДЕРЕВО ПРОГРАММЫ СОЗДАНО:', mainA.Show);

writeln (#13#10' ЗАПУСК ПРОГРАММЫ ... '#13#10);

mainA.Run;

writeln (' UV = ', PRealValue (UV)A.Show); writeln (' ПРОГРАММА ВЫПОЛНЕНА!'); readln; end.

Тестирование программы Алгола 68:

-begin .if .true .then 3.14 .else 0 .fi; .if .false .then 3.14 .else 0 .fi .end

ПРОСТРАНСТВО ДАННЫХ:

Стек на 1 участок Display на 1 участок

======= СОЗДАНИЕ СЕМАНТИЧЕСКОГО ДЕРЕВА ПРОГРАММЫ =======

Изображение логического: true Изображение логического: false Изображение целого: О Изображение вещественного: 3.14

Условное предложение: .if true .then 3.14 .else 0 .fi Условное предложение: .if false .then 3.14 .else 0 .fi

СЕМАНТИЧЕСКОЕ ДЕРЕВО ПРОГРАММЫ СОЗДАНО: BEGINCO)

[Щ] .if true .then 3.14 .else 0 .fi [1] .if false .then 3.14 .else 0 .fi END«D>

ЗАПУСК ПРОГРАММЫ ...

TRange.Run начала ...

Stack'*'.AddLocale (locale): Stack [0] =

ConstructList:

[0] .if true .then 3.14 .else 0 .fi

[1] .if false .then 3.14 .else Ш .fi Jump_elaborated = FALSE

Исполнение коллекции Фраз блока ...

TConstructList.RunWhile начала ...

[Q]: .if true .then 3.14 .else Ш .fi

РЕЗУЛЬТАТ Execlten <Ш>: 3.14ШШШШШШШШШШШШШЕ+ШШШ

Состояние стека после исполнения .if true .then 3.14 .else 0 .fi: Display [Q] ::

[1]: .if false .then 3.14 .else 0 .fi

Выполнено widening

UU = 0.Ш0Ш0Ш0Ш0Ш0Ш0Ш0ШЕ+ШШШ

РЕЗУЛЬТАТ Execlten (1): Ш.ШШШШШШШШШШШШШШШЕ+ШШШ

Состояние стека после исполнения .if false .then 3.14 .else 0 .fi: Display [Q] ::

TConstructList.RunUhile кончила!

ТЕКУЩЕЕ ОКРУЖЕНИЕ ПОСЛЕ ВЫХОДЯ ИЗ БЛОКА ТЕКУЩЕГО УРОВНЯ ПУСТО

TRange.Run кончила

UU = О.Ш0Ш0Ш0Ш0Ш0Ш0Ш0ШЕ+ШШШ

ПРОГРАММА ВЫПОЛНЕНА ?

Рис. 3. Протокол исполнения программы conditional_test_1

3. РЕАЛИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ 'ВАРИАНТНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ'

Конструкция 'вариантное предложение' представляется как объект типа TCase_clause со следующим предописанием:

type PCase_clause = ATCase_clause;

TCase_clause = object (TConstruct)

choice_clause: PConstruct; in part: PConstructList; out_part : PConstruct;

constructor Init (cc: PConstruct; ip: PConstructList; op : PConstruct); destructor Done; virtual; function Show : PChar; virtual; procedure Run; virtual; end;

и реализацией методов

constructor TCase_clause.Init (cc: PConstruct; ip: PConstructList; op : PConstruct); begin choice_clause := cc; in_part := ip; out_part := op end;

destructor TCase_clause.Done; begin end;

function TCase_clause.Show : PChar; var Bf : array [0 .. 1023] of Char; begin

StrPCopy (Bf, #13#10 '.case'); StrCat (Bf, choice_clauseA.Show);

StrCat (Bf, #13#10 ' .in '); StrCat (Bf, in_partA.Show);

StrCat (Bf, #13#10 ' .out '); StrCat (Bf, out_partA.Show);

StrCat (Bf, #13#10 ' .esac');

Show := Bf

end;

procedure TCase_clause.Run;

var i: integer;

begin

choice clauseA.Run; i := PIntegralValue (UV)A.Value; if (1 <= i) and (i <= in_partA.Count) then in_partA.RunUnit(i-1) else out_partA.Run;

end;

Здесь используется метод RunUnit объекта типа TConstructList со следующим предописанием:

procedure RunUnit (i : integer); virtual; и реализацией

procedure TConstructList.RunUnit (i : integer); { Исполнение основы номер i из списка основ } begin PConstruct (At(i))A.Run end;

В листинге 2 приводится программа на промежуточном инструментальном языке Free Pascal [7] построения семантического дерева алгол-программы, включающей три вариантных предложения, не требующих приведений.

Отметим следующие особенности этой программы.

1. Единственный блок этой программы не содержит описаний и потому является не-локализующим. Поэтому в стеке не образуется ни одного участка (locale), и таблица Display не содержит ни одного элемента.

2. Последовательное предложение, составляющее программу, состоит из трёх вариантных предложений, отличающихся только выясняющими предложениями. Каждое из них представлено конструкцией 'изображение целого' 1, 2 и 0, соответственно. Список in-основ состоит из изображений целых 1 и 2, а out-предложение представлено изображе-

Листинг 2. Построение семантического дерева программы

.begin .case 1 .in 1, 2 .cut 0 .esac; .case 2 .in 1, 2 .cut 0 .esac; .case 0 .in 1, 2 .out 0 .esac .end

program case test 1;

uses CRT, PLAIN VALUES, CONSTRUCTS, CLAUSES, ENVIRON ;

var id0, id1, id2: PIntegralDenotation;

ids, id1s, id2s: string;

ip: PConstructList;

case cl1, case cl2, case cl3 : PCase Clause;

cl0 : PConstructList;

Range0 : PRange;

main: PClosedClause;

begin ClrScr;

writeln (#13#10' Тестирование программы Алгола 68 :');

writeln (' .begin .case 1 .in 1, 2 .out 0 .esac;');

writeln (' .begin .case 2 .in 1, 2 .out 0 .esac;');

writeln (' .begin .case 0 .in 1, 2 .out 0 .esac;');

writeln (' .end');

writeln (#13#10' ПРОСТРАСТВО ДАННЫХ:'#10#13);

{ СОЗДАНИЕ СТЕКА ДАННЫХ }

Stack := New (PStack, Init (1));

writeln ('Стек на ', StackA.Limit, ' участок);

{ СОЗДАНИЕ ТАБЛИЦЫ DISPLAY }

Display := New (PDisplay, Init (1));

writeln (' Display на ', DisplayA.Limit,' участок'#13#10);

writeln (' === СОЗДАНИЕ СЕМАНТИЧЕСКОГО ДЕРЕВА ПРОГРАММЫ ==='#13#10);

{ СОЗДАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ БЛОКА 0}

id0s := '0';

id0 := New (PIntegralDenotation, Init (@id0s[1], nil, 0));

writeln (' Изображение целого: ', id0A.Show);

id1s := '1';

id1 := New (PIntegralDenotation, Init (@id1s[1], nil, 1));

writeln (' Изображение целого: ', id1A.Show);

id2s := '2';

id2 := New (PIntegralDenotation, Init (@id2s[1], nil, 2));

writeln (' Изображение целого: ', id1A.Show);

{ Создание списка основ in part }

ip := New (PConstructList, Init (2, 0));

ipA.Insert (ip1); ipA.Insert (ip2);

case cl1 := New (PCase Clause, Init (id1,ip, id0));

case cl2 := New (PCase Clause, Init (id2,ip, id0));

case cl3 := New (PCase Clause, Init (id0,ip, id0));

{ Создание списка конструкций блока 0 }

cl0 := New (PConstructList, Init (3, 0));

cl0A.Insert (case cl1 );

cl0A.Insert (case cl2);

cl0A.Insert (case cl3);

{ Создание блока 0 }

Range0 := New (PRange, Init (0, 10, cl0));

{ Создание программы }

main := New (PClosedClause, Init (Range0));

writeln (#13#10' СЕМАНТИЧЕСКОГО ДЕРЕВО ПРОГРАММЫ СОЗДАНО: , mainA .Show);

writeln (#13#10' ЗАПУСК ПРОГРАММЫ ... '#13#10);

mainA.Run;

writeln (' UV = ', PRealValue (UV)A.Show);

writeln (' ПРОГРАММА ВЫПОЛНЕНА!'); readln;

end.

Тестирование программы Алгола 68:

.begin .case 1 .in 1, 2 .out 0 .esac;

.case 2 .in 1, 2 .out 0 .esac; .case 0 .in 1, 2 .out 0 .esac

. end

ПРОСТРАНСТВО ДАННЫХ:

Стек на 1 участок

Display на 1 участок

------- СОЗДАНИЕ СЕМАНТИЧЕСКОГО ДЕРЕВА ПРОГРАММЫ

Изображение целого: О

Изображение целого: 1

Изображение целого: 2

СЕМАНТИЧЕСКОЕ ДЕРЕВО ПРОГРАММЫ СОЗДАНО:

BEGIN(0>

[Q] .case 1 . in

[0] 1

[1] 2 .out О . esac

[1] .case 2

. in [0] 1 [1] 2

.out 0 . esac 121 .case 0

. in [Q] 1 [i] 2

.out 0 . esac

END(0>

ЗАПУСК ПРОГРАММЫ ...

Вариантное предложение: . с as е 1 . in

[0] 1

[1] 2 .out О . esac

даёт результат = 1

Вариантное предложение: .case 2 . in

[0] 1

[1] 2 .out Ш . esac

даёт результат = 2

Вариантное предложение: .case О . in

[0] 1

[1] 2 .out О . esac

даёт результат = 0

ТЕКУЩЕЕ ОКРУЖЕНИЕ ПОСЛЕ ВЫХОДА ИЗ БЛОКА ТЕКУЩЕГО УРОВНЯ

ПУСТО

UU = □

ПРОГРАММА ВЫПОЛНЕНА f

Рис. 4. Протокол исполнения программы case_test_1

нием целого 0. По контексту все они не требуют приведений, хотя являются приводимыми (планы приведений представлены как nil).

3. Балансировка видов в этих вариантных предложениях не требуется.

4. Результаты вариантных предложений выбираются по соответствующему целому значению выясняющего предложения (1, 2 и 0) и фиксируются в UV как значения вида intergal.

5. Эти значения опустошаются, то есть просто игнорируются, что не требует никаких действий.

6. Сама программа как замкнутое предложение имеет пустой результат (empty) в соответствии с описанием конструкции 'программа' в Алголе 68.

В предпоследней строчке протокола показано остаточное значение второго вариантного предложения, зафиксированного в UV к моменту завершения исполнения программы.

Заметим, что в протоколе, как и в примере 1 построения семантического дерева программы и его интерпретации приведены выдачи семантических модулей, предусмотренных отладочным режимом компиляции промежуточной программы1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Условные и вариантные предложения используются во многих языках программирования, поэтому в контексте описываемого проекта их реализация представляет интерес. Именно на этих конструкциях уместно продемонстрировать явление балансировки видов и понятие приводимых конструкций (coercend).

1 В опубликованных описаниях модулей проекта эти выдачи не показаны.

Литература

1. Под ред. А. ван Вейнгаарден, Б. Майу, Дж. Пек, К. Костер и др. Пересмотренное сообщение об Алголе 68. М., 1979. 533 с.

2. Мартыненко Б .К. Учебный исследовательский проект реализации алгоритмических языков // Компьютерные инструменты в образовании, 2008. № 5. С. 3-18.

3. Мартытенко Б. К. Учебный исследовательский проект реализации алгоритмических языков: значения и конструкции // Компьютерные инструменты в образовании, 2009. № 1. С. 10-25.

4. Мартытенко Б. К. Учебный исследовательский проект реализации алгоритмических языков: описания и окружения // Компьютерные инструменты в образовании, 2009. № 2. С. 12-29.

5. Мартытенко Б. К. Учебный исследовательский проект реализации алгоритмических языков: генераторы и имена // Компьютерные инструменты в образовании, 2009. № 3. С. 3-17.

6. Мартытенко Б. К. Учебный исследовательский проект реализации алгоритмических языков: приведения // Компьютерные инструменты в образовании, 2009. № 4. С. 5-29.

7. Michael Van Canneyt. Reference guide for Free Pascal. 2002. 188 p.

Abstract

The implementation of the conditional clause and the case clause based on the object-oriented model of semantics of the programming language Algol 68, as example, is discussed.

Мартыненко Борис Константинович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры1 информатики математико-механического факультета СПбГУ,

[email protected]

© Наши авторы, 2009. Our authors, 2009.