2.2. Структура и способы описания языков программирования высокого уровня
Во всяком языке программирования определены способы организации данных и способы организации действий над данными. Кроме того, существует понятие «элементы языка», включающее в себя множество символов (алфавит), лексемы и другие изобразительные средства языка программирования. Несмотря на разнообразие указанных языков, их изучение происходит приблизительно по одной схеме. Это связано с общностью структуры различных языков программирования высокого уровня, которая схематически отражена на рис. 5.
Надо сказать, что в изучении естественных языков и языков программирования есть сходные моменты. Во-первых, для того чтобы читать и писать на иностранном языке, нужно знать алфавит этого языка. Во-вторых, следует знать правописание слов и правила записи предложений, т. е. то, что называется синтаксисом языка. В-третьих, важно понимать смысл слов и фраз, чтобы адекватно реагировать на них. Смысловое содержание языковой конструкции называется семантикой.
Всякий язык программирования имеет три основные составляющие: алфавит, синтаксис и семантику.
Соблюдение правил в языке программирования должно быть более строгим, чем в разговорном языке. Человеческая речь содержит значительное количество избыточной информации. Не расслышав какое-то слово, можно понять смысл фразы в целом. Слушающий или читающий человек может додумать, дополнить, исправить ошибки в воспринимаемом тексте.
Компьютер же — автомат, воспринимающий все «всерьез». В текстах программ нет избыточности, компьютер сам не исправит даже очевидной (с точки зрения человека) ошибки. Он может лишь указать на место, которое «не понял», и вывести замечание о предполагаемом характере ошибки. Исправить же ошибку должен программист.
Для описания синтаксиса языка программирования тоже нужен какой-то язык
В этом случае речь идет о метаязыке («надъязыке»), предназначенном для описания других языков. Наиболее распространенными метаязыками в литературе по программированию являются металингвистические формулы Бекуса— Наура (язык БНФ) и синтаксические диаграммы. В дальнейшем мы чаще всего будем использовать язык синтаксических диаграмм. Они более наглядны, легче воспринимаются. В некоторых случаях для удобства мы будем обращаться к отдельным элементам языка БНФ.
В БНФ всякое синтаксическое понятие описывается в виде формулы, состоящей из правой и левой части, соединенных знаком ::=, смысл которого эквивалентен словам «по определению есть». Слева от знака ::= записывается имя определяемого понятия (метапеременная), которое заключается в угловые скобки < >, а в правой части записывается формула или диаграмма, определяющая все множество значений, которые может принимать метапеременная.
Синтаксис языка описывается путем последовательного усложнения понятий: сначала определяются простейшие (базовые), затем все более сложные, включающие в себя предыдущие понятия в качестве составляющих.
В такой последовательности, очевидно, конечным определяемым понятием должно быть понятие программы.
В записях метаформул приняты определенные соглашения. Например, формула БНФ, определяющая понятие «двоичная цифра», выглядит следующим образом:
Значок | эквивалентен слову «или». Это определение можно представить на языке синтаксических диаграмм (рис. 6).
В диаграммах стрелки указывают на последовательность расположения элементов синтаксической конструкции; кружками обводятся символы, присутствующие в конструкции.
Понятие «двоичный код» как непустую последовательность двоичных цифр БНФ описывает так:
Определение, в котором некоторое понятие определяется само через себя, называется рекурсивным. Рекурсивные определения характерны для БНФ.
Синтаксическая диаграмма двоичного кода представлена на рис. 7.
Возвратная стрелка обозначает возможность многократного повторения. Очевидно, что диаграмма более наглядна, чем БНФ.
Синтаксические диаграммы были введены Н. Виртом и использованы для описания созданного им языка Паскаль.
Базовые структуры языков программирования
Понятие «структурное программирование» появилось в 1968 году, когда была опубликована статья одного из видных программистов того времени Дейкстры. Он в своей статье констатировал вредность применения оператора безусловного перехода (оператора, позволяющего сделать переход от одного оператора к другому, находящемуся в любом месте программы) и нашел хорошее объяснение причине, по которой он вреден.
Программист Нор четко обосновал, что использование основных базовых конструкций способствует обеспечению ясности и читаемости при написании и дальнейшей доработке программ.
Таким образом, структурным языком назовем тот, у которого блок-схема любой программы состоит только из базовых структур.
Имеется четыре типа управляющих структур: следование, выбор, повторение (цикл) и группирование.
Для реализации следования есть правило: все команды выполняются в порядке их следования.
Для выбора и повторения есть свои специальные инструкции (операторы, команды). Выбор предусматривает проверку условия с последующим выполнением одной или нескольких команд в зависимости от истинности или ложности условия. Выбор (или развилка) бывает полный или неполный, в зависимости от выполняемых команд:
Таким образом, конструкция работает следующим образом: при истинности условия P выполняется серия команд S1, в противном случае либо S2, либо управление передается следующей за развилкой конструкции.
Повторение, или цикл, представляет собой конструкцию, которая состоит, как и выбор, из проверки условия и серии команд. Однако, в отличие от выбора, данная серия команд может выполняться неоднократно, в зависимости от проверки условия. Повторения подразделяются на циклы с предусловием (циклы-пока) и циклы с постусловием (циклы-до).
Серия команд S выполняется циклически до тех пор, пока условие истинно в первом случае и ложно — во втором.
Группирование означает объединение одной или нескольких инструкций внутри специальной инструкции. Во всех языках имеются средства для формирования единого блока из группы инструкций (подпрограммы в Бейсике, составные инструкции и процедуры в Паскале). Примером группирования может являться также выполнение в конструкциях циклов следования или выбора и т.д.
1.5 Синтаксические диаграммы
Программирование на любом языке предполагает знание определенных форм записи, которые необходимо соблюдать при написании каждой программы. Правила записи часто бывают, сложны в написании, и поэтому прибегают к различным способам их отображения. Рассмотрим один из них — синтаксическую диаграмму.
Синтаксическая диаграмма — это графическое представление отдельных объектов языка и строения самой программы. Возьмем, например, правило записи команды проверки условия в школьном алгоритмическом языке: команда начинается со служебного слова «если», за ней следует логическое выражение, далее обязательно слово «то», серия команд 1 и, наконец, не обязательно «иначе» и серия команд 2. Синтаксическая диаграмма выражает данное правило в виде схемы игрушечной железной дороги.
Локомотив трогается из пункта, расположенного слева, и прибывает к пункту назначения, расположенному справа, петляя по рельсовым путям. Всякий раз, когда поезд проходит через овальный отсек, к нему прицепляют один вагон. Когда поезд прибывает к пункту назначения, то прицепные вагоны образуют в нашем примере команду «если». Кроме овальных отсеков в синтаксических диаграммах есть еще и прямоугольные. Прямоугольные отсеки сложнее, т.к. они представляют собой ссылки на другие синтаксические диаграммы. Лучше это можно представить так: поезд на входе в прямоугольный отсек снимается с рельс и переставляется на вход другой синтаксической
диаграммы; если там он прибывает к месту назначения, то ему нужно проехать в первой синтаксической диаграмме к выходу прямоугольного отсека. При движении локомотива следите за направленностью его движения по стрелкам.
2.1 Основные объекты языка
Как и любой другой язык, Паскаль имеет свой алфавит. Программа, написанная на Паскале, состоит из лексем и разделителей. В лексемы Паскаля входят специальные символы, символы-слова, имена, числа, строки символов и директивы. Ниже приведены стандартные или зарезервированные лексемы языка Паскаль.
Буквы: латинские от A до Z, от a до z и русские от А до Я, от а до я
Цифры: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
| absolute | downto | function | nil | record | To |
| and | else | goto | not | repeat | Type |
| array | end | if | of | set | Until |
| begin | external | in | or | shl | Var |
| case | file | inline | packed | shr | While |
| const | for | label | procedure | string | With |
| div | forward | mod | program | then | Xor |
| do |
Стандартные идентификаторы (имена):
Arctan ConInPtr FilePos Length Port Sqr
Assign ConOutPt FileSize Ln Pos Sqrt
Aux Concat FileChar Lo Pred Str
AuxInPrt ConstPtr Flush LowVideo Ptr Succ
AuxOutPrt Copy Frac Lst Random Swap
BlockRead Cos GetMem LstOutPtr Randomize Text
BlockWrite CrtExit GotoXY Mark Read Trm
Boolean CrtInit HeapPtr MaxInt Readln True
BufLen DelLine Hi Mem Real Trunc
Byte Delay IOresult MemAvail Release UpCase
Chain Delete Input Move Rename Usr
Char EOF InsLine New Reset UsrInPtr
Chr EOLN Insert NormVideo Rewrite UsrOutPtr
Close Erase Int Odd Round Val
ClrEol Execute Integer Ord Seek Write
ClrScr Exp Kbd Output Sin Writeln
Символами-разделителями считаются пробелы, концы строк (разделители строк) и комментарии. Внутри лексем ни разделители, ни их части встречаться не могут. Между двумя следующими друг за другом лексемами должен обязательно следовать один или несколько разделителей.
Комментарии в Паскаль-программе начинаются с символа < или (*и заканчиваются >или *). Сам комментарий может содержать любые символы, кроме > и *). Любой комментарий можно заменить в программе на пробел.
Символы-разделители применяются часто для улучшения читаемости программы.