Особенности семантики и семантического анализа

Следующий шаг анализа текста программы – семантический, существенно отличается от двух предыдущих – лексического и синтаксического. И дело не столько в том, что фаза семантического анализа реализуется не формальными, а содержательными методами (т.е. на данный момент нет универсальных математических моделей и формальных средств описания «смысла» программы). Лексический и синтаксический анализ имеют дело со структурными, т.е. внешними, текстовыми конструкциями языка. Семантика же, ориентированная на содержательную интерпретацию, имеет дело с внутренним представлением «смысла» объектов, описанных в программе. Для любого, имеющего опыт практического программирования, ясно, что формальные конструкции языка дают описание свойств и действий над внутренними объектами, с которыми имеет дело программа. Для начала перечислим все, что их касается и лежит на поверхности:

· ·большинство объектов являются именованными. Имя объекта позволяет его идентифицировать, существуют различные области действия имен, соглашения об именах, различные умолчания и т.п.. Все это относится к семантике;

· виды, сложность и набор характеристик объектов различаются в разных языках программирования и сильно зависят от области приложения языка (в этом смысле семантика языков программирования более разнообразна, нежели синтаксис и лексика). Например, классический Си, ориентированный на максимальное приближение к архитектуре компьютера, работает с такими объектами, как типы данных, переменные, функции. Все они имеют различные свойства и характеристики. Например, переменная характеризуется именем, типом данных, размерностью, областью действия, временем жизни, текущим значением;

· объекты связаны между собой (ссылаются друг на друга). В том же Си переменная ссылается на описание того типа данных, к которому она относится, далее производный тип данных ссылается на базовый и т.п.. Можно сказать, что семантика программы во внутреннем представлении выглядит как система взаимосвязанных объектов;

· внутреннее представление семантики программы не совсем удачно называется семантическими таблицами. На самом деле структура данных, соответствующая представлению семантики, может быть любой. Термин «таблицы» говорит о том, что имеются множества объектов различных типов, для каждого из которых заведена отдельная таблица, но нельзя забывать, что элементы различных таблиц связаны между собой. Наиболее близкий термин для описания подобной системы – база данных.

Семантика программы – внутренняя модель (база данных) множества именованных объектов, с которыми работает программа, с описанием их свойств, характеристик и связей.

Теперь, когда у нас есть представление о синтаксической фазе, можно оценить ее центральную роль в организации процесса трансляции. Только на уровне синтаксиса текст программы представляет собой единое структурное целое – любое предложение языка сводится к единственному начальному нетерминалу Z. Лексические единицы, как известно, вообще независимы друг от друга и являются терминальными символами синтаксиса. Семантика программы тоже не обладает структурной целостностью и представлена фрагментарно, но при этом связана с синтаксисом следующим образом:

· один и тот же семантический объект (например, переменная) может встречаться в различных, синтаксически несвязанных частях программы;

· синтаксические конструкции описаний, определений и объявлений являются источником семантики объектов программы, они «заявляют» о существовании объектов и задают их свойства;

· синтаксические конструкции, связанные с действиями, выполняемыми над объектами, являются потребителями семантики, их интерпретация, корректность, «смысл» зависят от семантических свойств объекта. Забегая вперед, можно заметить, что заключительная фаза трансляции (генерация кода, интерпретация) может рассматриваться как особые семантические действия, производимые над объектами;

· первичным источником семантики является лексический анализ. Некоторые из лексем (например, идентификаторы и константы) наряду с классом лексемы (обозначение выходной единицы лексического анализа), т.е. символом (обозначение той же единицы на входе синтаксического анализатора) имеют значение. Значением лексемы является сама распознанная цепочка литер, она и представляет семантическую составляющую лексемы, которая попадает в семантические таблицы;

· лексемы, или то же самое, что терминальные символы входной строки (в терминах синтаксического анализа), ссылаются в семантические таблицах на свою семантику. В дальнейшем каждый промежуточный нетерминал также ссылается на собственную семантику. При этом любое правило преобразует семантику терминалов и нетерминалов правой части в семантику нетерминала левой части при помощи назначенной правилу семантической процедуры. Таким образом, формирование семантической составляющей связано с движением снизу вверх по синтаксическому дереву, от вершин – потомков к предкам.

· семантическая процедура, получая ссылки на семантику терминальных и нетерминальных символов правой части, формирует семантику результата и размещает ее в семантических таблицах, связывая ее через ссылку с нетерминалом левой части. Таким образом, семантическая составляющая транслятора тоже является фрагментарной (набор семантических процедур, соответствующих правилам грамматики) и объединяется в единое целое только в рамках синтаксического дерева.

Задача семантического анализа, т.е. «описания смысла» фразы относится скорее к области искусственного интеллекта. Ее неформализуемость означает, что она не имеет формальных средств описания, например, языков. Следовательно, семантическая модель языка разрабатывается в каждом случае уникально, здесь отсутствует общий подход, а имеет место набор частных решений и рекомендаций. Отсюда и уникальность семантики языка.

Замечание. Исторически сложилось, что в описание семантической фазы трансляции часто попадают разделы, связанные со структурами данных и алгоритмами их обработки, например, такие как хеширование (размещение и поиск вычислением адреса), двоичный поиск в таблицах. На самом деле они не имеют никакого отношения к основной идее: множества объектов внутреннего представления программы могут быть реализованы и в виде списков, деревьев и т.п..