Dat 2/F6S/SW4: Syntaks og semantik En manual for studerende

Transkript

1 Dat 2/F6S/SW4: Syntaks og semantik En manual for studerende Hans Hüttel Foråret 2010 Indhold Indhold 1 1 Om denne manual 1 2 Om kursets indhold Hvilke emner rummer kurset? Hvad er målene for kurset? Om eksamen Hvordan bliver eksamen? Hvad skal jeg kunne til eksamen? Om kursets form Hvordan er en kursusgang opbygget? Hvad er quizzen? Hvordan skal opgaveregningen forløbe? Er der individuelle afleveringsopgaver? Bliver der en større opgave? Kursusmateriale Hvilken bog skal jeg bruge? Har Syntaks og semantik en WWW-side? Har du lavet en kursusplan? Om denne manual I denne manual vil jeg prøve at besvare alle de vigtige og typiske spørgsmål, du måtte have som studerende. Læs denne manual grundigt igennem inden kursets start og læs i den igen, hvis der er noget du kommer i tvivl om. 1

2 2 KAPITEL 2. OM KURSETS INDHOLD 2 Om kursets indhold 2.1 Hvilke emner rummer kurset? I dette kursus stifter du bekendtskab med grundlæggende matematiske modeller for programmeringssprogs syntaks og semantik og den notation man bruger for dem. Programmeringssprogsteori er et vigtigt datalogisk område at kende, f.eks. hvis du skal designe et nyt programmeringssprog, lære dig et nyt programmeringssprog, skrive en compiler eller fortolker eller beskæftige dig med verifikation af programmer. Jeg tager udgangspunkt i teorier om programmeringssprogs syntaks og semantik, men der bliver også eksempler på konkrete anvendelser af disse. Mit kursus er på 15 kursusgange og falder, som titlen antyder, i to dele med hvert sit hovedemne: Syntaksdelen af kurset handler om hvordan man kan beskrive programmer m.m. s form - hvornår er en programtekst fejlfri og hvordan kan man finde ud af om en programtekst er fejlfri?? Denne del er en gennemgang af det klassiske stof om grammatikker og automater og handler om Endelige automater og regulære udtryk og hvorfor de er ækvivalente Hvordan man kan vise, at sprog ikke er regulære Kontekstfrie grammatikker og pushdownautomater og hvorfor de er ækvivalente Hvordan man kan vise, at sprog ikke er kontekstfrie Semantikdelen handler om programmers adfærd - hvordan kan man beskrive udførelsen af et program uden at skulle tale om en konkret implementation med alle dens krummerlyrer og maskinafhængigheder? Her lægger jeg hovedvægten på det, der hedder operationel semantik, men vil også komme ind på en anden tilgang, nemlig denotationel semantik. Jeg vil i semantikdelen specielt komme ind på: hvordan man kan beskrive forskellige sprogkonstruktioners betydning ækvivalensresultater for disse semantiske modeller der siger at de er lige stærke hvordan man kan bruge semantiske definitioner til konstruktion af fortolker-prototyper hvad rekursion egentlig er for noget Hvordan hænger kursets indhold sammen med SPO-kurset? Automater og grammatikker også bliver behandlet i kurset Sprog og oversættere i forbindelse med leksikalsk og syntaktisk analyse. Men synsvinklen er en helt anden: I Syntaks og semantik skal vi se på det teoretiske grundlag for leksikalsk og syntaktisk analyse - d.v.s. hvorfor de forskellige begreber hænger

3 2.2. HVAD ER MÅLENE FOR KURSET? 3 sammen. Samtidig er automater og grammatikker generelle begreber, der dukker op i en del sammenhænge uden for oversætterkonstruktion, f.eks. i områder som programverifikation eller genkendelse af naturlige sprog. SPO-kurset omhandler desuden forhold i forbindelse med programudførelse, men SPO-kurset handler om forhold der er vigtige i forbindelse med konkret implementation af programmeringssprog, mens S&S-kurset tager udgangspunkt i situationer hvor det er nyttigt at kunne abstrahere fra konkrete implementationer. Semantikdelen af dette kursus beskæftiger sig med det teoretiske grundlag for programmeringssprog. Vi kigger bag kulisserne og hinsides konkrete implementationer for at give et generelt og præcist billede af programmeringssprog. Hvorfor skal vi lære om alle de små opfundne legetøjssprog? Hvorfor kan vi ikke se på hele Java eller C eller...? Semantikdelen af kurset handler om hvordan man beskriver forskellige fænomener set isoleret, og derfor er det godt at vælge simple sprog der kun rummer disse fænomener. Senere skal I lære at betragte fænomenernes samspil i stadigt mere komplekse sammenhænge. En analogi: I et indledende kursus i mekanisk fysik lægger man heller ikke ud med at beskrive komplicerede mekaniske systemer med gnidningsmodstand, tyngdekraft osv. inddraget på samme tid. 2.2 Hvad er målene for kurset? I dette kursus skal du også træne matematisk modenhed. Måske har du allerede i kraft af dit tidligere studium - f.eks. hvis du har studeret matematik - arbejdet aktivt med matematiske emner. Andre formål er mere pensumspecifikke, og atter andre er helt generelle. I kurset Syntaks og semantik skal du Lære at formidle dig mundtligt inden for kursets emner Lære at formidle dig skriftligt indenfor kursets emner, herunder at blive fortrolig med anvendelsen af matematisk notation Lære at formidle dig præcist Få et aktivt forhold til kursets emner Få overblik over kursets emner og hvordan de hænger sammen Opnå et præcist kendskab til alle centrale begreber i kurset Opnå et præcist kendskab til områdets centrale resultater. herunder hvordan man beviser dem Lære at relatere de centrale begreber og resultater til hinanden Få kompetence i brugen af matematisk modellering som redskab i sprogdesign og sprogimplementation

4 4 KAPITEL 3. OM EKSAMEN Hvorfor er der alle de beviser? I et universitetsstudium skal man - uanset hvad man studerer - (blandt mange andre ting) erhverve sig en teoretisk indsigt, og dette indebærer at man skal kende til teoriområdernes argumentation. Angrebsvinklen i dette kursus er primært teoretisk, og de teorier, vi skal se på, er matematisk funderede teorier. Resultaterne i matematisk orienterede discipliner er matematiske sætninger, og argumentationsformen er derfor matematiske beviser. Så derfor er det denne argumentationsform, du vil få at se. Andre discipliner i datalogi benytter sig af andre argumentationsformer. Samtidig er der også en læringsbetinget grund til at gøre beviserne for kursets sætninger til genstand for en nøjere betragtning. Alle interessante matematiske sætninger siger nemlig noget om, hvordan begreber hænger sammen og man kan dermed lære at relatere kursets begreber til hinanden ved at betragte beviserne. Et eksempel er resultatet om sammenhængen mellem pushdownautomater og kontekstfrie grammatikker (ITTTOC, Lemma 2.15) - beviset fortæller præcis hvordan man kan konstruere en grammatik ud fra en automat, og ved at du sætter sig ind i beviset, får du forhåbentlig en bedre forståelse af hvad grammatikker og pushdown-automater helt præcist er. Beviserne er altså ikke en træls, unødvendig kæphest, men et vgtigt aspekt af stoffet, som man skal bruge tid på at lære at forstå. Mange af jer har ikke megen erfaring med matematiske beviser fra jeres tidligere studium eller gymnasium/hf/htx, og derfor har jeg lagt elementer af kursets form (opgaveregning og spørgetimer) an så I kan lære at få det meget bedre med matematiske beviser. 3 Om eksamen 3.1 Hvordan bliver eksamen? Eksamen er mundtlig med 20 minutter pr. studerende og 20 minutters forberedelsestid. Eksamenspræstationen bedømmes af en ekstern censor efter 12- skalaen. 3.2 Hvad skal jeg kunne til eksamen? Når vi bedømmer en eksamenspræstation, forsøger vi at besvare en række spørgsmål. Her ser vi efter i hvor høj grad den stude- Har den studerende overblik? rende kan gøre rede for Hvilke begreber der er væsentlige. Hvorfor det netop er disse begreber, der er de væsentlige. Hvilke resultater der er væsentlige. I et kursus som Syntaks og semantik er de vigtige resultater normalt sætninger. Hvorfor det netop er disse resultater, der er de væsentlige.

5 5 Hvilke sammenhænge der er mellem denne del af stoffet og andre dele af stoffet. Kan den studerende formulere sig præcist? grad den studerende kan gøre rede for Her ser vi efter i hvor høj Hvordan de vigtige begreber er defineret. I et kursus som Syntaks og semantik bliver de vigtige begreber indført ved præcise definitioner. Hvad de forskellige størrelser, der indgår i en definition, betegner. Hvor og hvordan vi bruger definitionerne. Hvorfor definitionerne er formuleret som de er. Hvordan de vigtige sætninger er formuleret, og hvilke antagelser der er gjort i sætningernes formulering. Kan den studerende tænke om emnet og forstå dets tankegange? Her ser vi efter i hvor høj grad den studerende kan gøre rede for Strukturen i et ræsonnement, hvad de væsentlige ideer er og hvorfor de er væsentlige. I et kursus som Syntaks og semantik er der især vigtige ræsonnementer i beviserêfor sætninger. Hvorfor vi får bevist vores sætning ved at foretage netop disse bevisskridt. Hvor antagelser og definitioner bliver brugt i et ræsonnement. Hvilke bevisteknikker der er vigtige i det aktuelle emne. Hvilke konsekvenser en sætning har. Er den studerende selvstændig? Her ser vi efter i hvor høj grad den studerende kan formulere sig selvstændigt. Vi ser efter I hvor høj grad den studerende kan tale om emnet uden at læse højt/skrive af fra dispositionen. Hvad det er, den studerende bruger dispositionen til. (Er det til at hjælpe med struktur? Er det for at få styr på detaljer? Skal alle de vigtige begreber læses op/skrives af?) Hvordan den studerende reagerer, hvis vedkommende bliver præsenteret for en problemstilling (f.eks. et eksempel), der ikke er kendt på forhånd. 4 Om kursets form 4.1 Hvordan er en kursusgang opbygget? En kursusgang i Syntaks og semantik kommer til at forløbe sådan:

6 6 KAPITEL 4. OM KURSETS FORM i grupperum Opgaver i stoffet fra foregående forelæsning i auditorium I besvarer en quiz om stoffet, I beskæftigede jer i opgavetiden i auditorium Forelæsning på 3 gange 30 minutter om nyt stof. Jeg ville gerne have kunnet starte dagen med en kort repetition af stoffet fra gangen før, men lokalesituationen har gjort det umuligt. I stedet bliver den første opgave en repetition af stoffet. Hvor meget tid skal jeg bruge på at forberede mig til en kursusgang? Formodentlig op til halvanden time, alt afhængig af stofmængden ved en kursusgang. Lægger du dine slides op på web? Ja, de ligger der allerede og de har ligget der i mange år. Jeg bruger nemlig slet ikke slides, kun tavle. Til hver kursusgang skal jeg bruge en skribent, som tager notater af hvad jeg skriver på tavlen. Efter forelæsningen scanner jeg skribentens tavlenoter og lægger dem op på web. Det betyder samtidig, at alle andre end skribenten kan slippe for at tage notater. 4.2 Hvad er quizzen? Efter hver opgaveregning holder jeg en ultrakort quiz, som er et lille opgaveark med meget små opgaver, hvor de fleste er af multiple choice -typen. Opgavearket afleverer du naturligvis anonymt. Efter hver kursusgang offentliggør jeg de rigtige svar på kursets web-side. Hvorfor har du lavet quizzen? Jeg vil gerne have en direkte tilbagemelding på hvad du ved og har lært efter en kursusgang. Jeg stiller spørgsmål om resultater og definitioner, men også i et vist omfang om notation. Det er nødvendigt at jeg som kursusholder ved hvad I ved, så jeg kan justere min undervisning (f.eks. typen af stillede opgaver) efter det. Men du kan også selv bruge quizzen til at tjekke din egen forståelse af stoffet. Det er derfor, jeg offentliggør svarene. Hvor kan jeg se svarene på dagens quiz? Via kursets hjemmeside. 4.3 Hvordan skal opgaveregningen forløbe? Opgaveregningen er den vigtigste del af undervisningen. Regn opgaverne i fællesskab. Vælg en referent, og lad referentværdigheden gå på skift mellem gruppens medlemmer. Mens resten af gruppen i fællesskab regner opgaven på tavlen, noterer referenten løsningen ned. Ved at regne ved tavlen og tale med dine

7 4.4. ER DER INDIVIDUELLE AFLEVERINGSOPGAVER? 7 medstuderende lærer du at formulere dig mundtligt og skriftligt ved en tavle, ved at være referent, lærer du at formulere dig skriftligt. Hver gang er en af opgaverne en afleveringsopgave, som projektgruppen kan skrive ind og aflevere til kursusholderen senest samme eftermiddag. Projektgruppen kan også aflevere et eksemplar af deres øvrige opgaveløsninger til sekretærerne efter kursusgangen. Alle opgaveløsninger vil komme til at sidde i kursusmappen, så I kan læse hinandens løsninger. Grupperummene er undervisningslokaler. Studerende, der ikke laver opgaver, kan derfor ikke opholde sig i grupperummene, men er henvist til at opholde sig hjemme, i kantinen eller kaffestuen. Deltagelse i øvelserne giver reduceret pensum Der er et specielt incitament til at deltage i opgaveløsningen: Hvis en projektgruppe er aktiv i øvelsestiden, vil alle medlemmer af projektgruppen få reduceret eksamenspensum. Kravene for at være aktiv er: Mindst 3 4 af gruppens medlemmer deltager i øvelserne. Husk at passive studerende ikke må opholde sig i grupperummet i øvelsestiden. Projektgruppen afleverer hver gang den særlige afleveringsopgave. Alle andre opgaveløsninger bliver afleveret i gruppemappen. Grupper, der ønsker at deltage i denne ordning, skal skrive under på at de vil deltage. Hvis en projektgruppe enten ikke ønsker at deltage eller ikke opfylder ovenstående, vil gruppens medlemmer ikke få nogen pensumreduktion. Hjælpelærerne og jeg fører protokol med hvilke grupper der deltager i øvelserne. Hvorfor er nogle opgaver sværere end andre? Opgaveregningen vil komme til at indeholde typiske opgaver - som f.eks. opgaver om at konstruere en DFA ud fra en NFA - som tager udgangspunkt i bestemte begreber eller resultater, men der vil også være ikke-rutineprægede opgaver, hvis formål er at lære dig at at relatere begreber og resultater eller at lære dig at forstå de præcise detaljer i centrale definitioner og resultater. 4.4 Er der individuelle afleveringsopgaver? Jeg har lavet et antal opgavesæt, der dækker kursuspensum. Disse opgaver kan du aflevere senest på den dato, jeg har angivet Skal jeg aflevere afleveringsopgaverne? Hvad får jeg ud af det? Det er ikke obligatorisk at aflevere de individuelle opgaver. Du behøver heller ikke at deltage i kursusgangene. Men begge dele er yderst fornuftige. Afleveringsopgaverne er der for at du kan arbejde med at formulere dig skriftligt om kursets emner og på den måde skærpe din tænkning. Afleveringsopgaverne er til for at du kan øve dig i fred og ro; alle besvarelser vil blive kommenteret af mig uden karaktergivning. Hvis du får mindst 4 løsninger godkendt af mig, får du et yderligere nedslag i eksamenspensum.

8 8 KAPITEL 5. KURSUSMATERIALE Kan jeg få opgaveløsningerne udleveret? Hvis du selv afleverer et opgavesæt, får du mine kommentarer igen. 4.5 Bliver der en større opgave? De SW-4-studerende og typisk også en del Dat 2-studerende har dette kursus som projektenhedskursus. Derfor er der en syntaksopgave, der skal laves som del af opgaverne i første halvdel af kurset. Dens formål er at give et indblik i hvordan syntaksdelen af kurset kan anvendes til at forstå definition og analyse af et programmeringssprogs syntaks. I anden halvdel af kurset er der en semantikopgave, hvis formål er at beskrive et lille programmeringssprog ved hjælp af operationel semantik. Hvis man skal til eksamen i kurset, bliver gruppens løsning del af eksamenspensum og vil figurere som et spørgsmål. Vær allerede nu opmærksom på at I skal bruge tid på denne semantikopgave!. 5 Kursusmateriale 5.1 Hvilken bog skal jeg bruge? I syntaksdelen er grundbogen (forkortet ITTTOC i det følgende): Michael Sipser: Introduction to the Theory of Computation, PWS Publishing Co Der findes en ældre udgave af bogen, men der kommer en ny udgave af bogen i februar Af denne grund vil jeg råde alle til at vente med at købe bogen. Indtil bogen dukker op, kan I anvende kopier af de første to kapitler i bogen. Hver projektgruppe vil få udleveret en kopi, som de selv kan kopiere videre. Det er værd at investere i bogen, når den nye udgave kommer. Ikke bare er den usædvanligt velskrevet, men den skal også bruges som eneste bog i kurset Beregnelighed og kompleksitet på Dat 3/SW5. I semantikdelen skal du bruge Hans Hüttel: Pilen ved træets rod, Aalborg Universitet som du vil kunne købe i Centerboghandlen i løbet af februar. Denne bog skal du ikke bruge før 8. kursusgang. 5.2 Har Syntaks og semantik en WWW-side? Selvfølgelig! Hvis du har fundet denne manual på WWW, ved du allerede at kursets hjemmeside er På siden vil der komme til at ligge kursusplan, spisesedler, afleveringsopgaver og denne manual - alt sammen i PDF-format. Der vil også blive aktuelle informationer om kurset i øvrigt - ændringer i pensum, eventuelle aflysninger osv. Jeg vil gå ud fra at I alle læser web-siden.

9 5.3. HAR DU LAVET EN KURSUSPLAN? Har du lavet en kursusplan? Ja, det har jeg da. Den er herunder: Syntaks regulære sprog Kursusgang Emne: Litteratur: 1 Sprog; endelige automater ITTTOC forord, 0.2, Nondeterministiske automater ITTTOC afs Regulære udtryk ITTTOC afs Sprog der ikke er regulære ITTTOC afs. 1.4 Syntaks kontekstfrie sprog 5 Kontekstfrie grammatikker ITTTOC afs Pushdown-automater ITTTOC afs Sprog der ikke er kontekstfrie ITTTOC afs. 2.3 Semantik operationel semantik 8 Introduktion til operationel semantik HH, kap. 1 og 2 9 Operationelle semantikker for Bims HH, kap Udvidelser af Bims HH, kap Blokke og procedurer HH, kap Parametermekanismer HH, kap Funktionsorientede sprog HH, kap Semantikopgaven HH, kap. 7 Teoretisk grundlag 15 Rekursive definitioner HH, kap. 10 Er spisesedlerne klar? Ja og nej - mange af dem er tilgængelige fra WWW-siden allerede nu, men de vil blive revideret undervejs. Mange af de sidste mangler enkelte oplysninger i skrivende stund. Hvad skal jeg gøre hvis min spiseseddel bliver væk, og jeg ikke er i nærheden af WWW? Kig i kursusplanen ovenfor, så du kan se hvad du skal læse til næste gang.