1.1.3 Особенности языков программирования

Языки программирования занимают промежуточное место между формальными и естественными языками. С формальными языками их объединяют строгие синтаксические правила, на основе которых строятся предложения языка. От естественных языков в языки программирования перешли лексические единицы, представляющие основные ключевые слова (чаще это английские слова, но бывают и слова других языков).

Для задания языка программирования необходимо решить три основных вопроса:

определить множество допустимых символов языка;

определить множество правильных программ языка;

задать смысл каждой правильной программы.

С помощью теории формальных языков удается решить (полностью или частично) только первые два вопроса.

Первый вопрос решается легко. Алфавит языка и представляет собой множество его допустимых символов. Для языков программирования это, как правило, тот набор символов, который можно ввести с клавиатуры.

Второй вопрос в теории формальных языков решается только частично. Для всех языков программирования существуют синтаксические правила, но их недостаточно для строгого определения всех возможных синтаксических конструкций. Дополнительные ограничения накладываются семантикой языка и неформально оговариваются для каждого отдельного языка программирования. Это, например, необходимость предварительного описания переменных и функций, необходимость соответствия типов переменных и констант в выражениях, формальных и фактических параметров в описаниях и вызовах процедур и функций, и т.п.

Отсюда следует, что практически все языки программирования, строго говоря, не являются формальными языками. Поэтому во всех трансляторах, кроме синтаксического разбора и анализа предложений языка, дополнительно предусмотрен семантический анализ.

Третий вопрос вообще не относится к теории формальных языков. Для ответа на него нужно использовать другие подходы, например:

1. изложить смысл программы, написанной на языке программирования, на другом языке, более понятном тому, кому адресована программа;

2. использовать для проверки смысла некоторую «идеальную машину», которая предназначена для проверки программ, написанных на данном языке.

Любой разработчик программ так или иначе использует первый подход - это комментарии в программе, построение ее блок-схемы, разработка документации или любое другое описание алгоритма. Все эти способы ориентированы на человека, но универсального способа проверить, насколько описание в действительности соответствует программе, пока не существует. Для изложения программы на языке, понятном машине - в машинных командах - существуют трансляторы.

Второй подход используется при отладке программы; оценку результатов выполнения программы при отладке осуществляет человек.

Разработчикам компиляторов так или иначе приходится решать вопрос о смысле программ.

Во-первых, компилятору для преобразования исходной программы в последовательность машинных команд необходимо иметь представление о том, какая последовательность команд должна соответствовать той или иной части программы. Обычно такие последовательности сопоставляют базовым конструкциям входного языка - используется первый подход к изложению смысла программы.

Во-вторых, многие современные компиляторы позволяют выявить сомнительные с точки зрения смысла места в исходной программе - например, недостижимые операторы, неиспользуемые переменные, неопределенные результаты функций и т.п. Обычно компилятор указывает такие места в виде предупреждений, на которые разработчик может обращать или не обращать внимание. Для этого компилятор должен иметь представление о том, как программа будет выполняться, т.е. используется второй подход.

Но в любом случае осмысление исходной программы закладывает в компилятор его создатель, который руководствуется неформальными методами - как правило, описанием входного языка. В теории формальных языков вопрос о смысле программ не решается.

Итак, возможности трансляторов по проверке осмысленности исходной программы практически равны нулю, поэтому семантические ошибки остаются на совести авторов программ.

Выше, когда шла речь о различных способах задания языков, мы выделили как наиболее реальные второй и третий способ, а именно: задание языка с помощью генераторов и распознавателей. В качестве генераторов в общем случае могут использоваться грамматики, а для более узкого класса языков - регулярные выражения. В качестве распознавателей, как правило, применяются автоматы различных типов (в зависимости от класса языка). Рассмотрим способ задания языков с помощью грамматик.