Тодуа. Методы разработки интерпретатора языка Рефал-2

Методы разработки интерпретатора языка Рефал-2
Автор: Тодуа Антон Романович Научные руководители: к.ф.-м.н. Большакова Е.И. Носков А.А.

Содержание
Страница: 2 из 30
•Язык Рефал
История и основы
•Язык Рефал-2
Основные особенности и примеры
•Принципы реализации Рефал-интерпретатора
Проблемы реализации и представление данных
•Разработка учебного интерпретатора
Организация интерпретатора и данных

Язык Рефал
•Первая версия Рефала была создана в 1966 году В.Ф. Турчиным в качестве метаязыка для описания семантики других языков.
•Диалекты языка Рефал:
–Рефал-2
–Рефал-5
–Рефал-плюс
•Возможные применения:
–Символьные вычисления
–Машинный перевод
–Решение задач искусственного интеллекта
История

Язык Рефал
•Программа – совокупность функций
•Функция – последовательность правил
•Правило – левая часть (образец) и правая часть
•Поле зрения – данные программы
•Функция получает в качестве аргумента часть поля зрения и модифицирует её в соответствии с правилами
Основы

Язык Рефал
•Выражение – последовательность термов
•Терм – символ (метка, число, литера) или выражение в структурных скобках
Данные (выражение)
Примеры символов:
Числа: /0/, /1/, /12345/, /9999/, …
Метки: /label/, /metka/, …
Литеры: 'a', 'b', 'c', 'd', 'z', …
Пример выражения:
/repeat/('i'/assign/'i'/plus//1/)
/until/('i'/equal//10/)

Язык Рефал
Левая и правая части правила функции
•Левая часть правила – в общем случае выражение с переменными
•Правая часть правила – в общем случае выражение с переменными и вызовами функций
Примеры: /for/s1/assign/(v2)/to/(v3)/do/(e4) /PROCEDURE/ e1 (/BEGIN/ e2 /END/) e3
Примеры:
<checkt (e2)s1 <label e2>> <op e3>
<br <ftochar s2> '=' s1e3>

Язык Рефал-2
•Типы переменных – 4 типа: S, W, V, E
Основные особенности
Тип
Допустимое множество значений
S
Один символ
W
Один терм
V
Произвольная непустая последовательность термов
E
Произвольная последовательность термов
•Наличие спецификаторов у переменных
•Наличие именованных спецификаторов
•Возможность указать способ отождествления (правое или левое)

•Спецификатор описывает допустимое множество термов в выражении
•Встроенные спецификаторы (S, F, N, O, L, D, W, B) – описывают стандартные множества
Спецификаторы
Примеры именованных спецификаторов: octal S (/8//9/)L * цифры от 0 до 7 hex S D 'abcdefABCDEF'* шестнадцатеричные цифры Примеры спецификаторов переменных: v:octal:1 * восьмеричное число s(:hex:)2 * шестнадцатеричная цифра e((/end//dot/))X * выражение не содержащее /end/ и /dot/

•Отождествление – сопоставление выражения и образца
•Отождествление термов осуществимо если термы полностью совпадают
•Переменная отождествляется с любым значением из множества допустимых значений переменной данного типа, которое удовлетворяет спецификатору переменной
•Для выражения общего вида результат отождествления не всегда однозначен, поэтому указывается порядок (L или R)
Отождествление
Пример (неоднозначность отождествления):
s1e2(e3)e4 * образец
/foo/'ab'('c')'de'('f')'gh' * выражение

Примеры функций
go = <parens<numbers '1(2(3(4)3)2)1(2)'>>
* Переводит последовательность литер – десятичных цифр в числа
numbers e1v(D)2s((D))3e4 = e1<numb v2>s3<numbers e4>
v(D)1 = <numb v1>
e1 = e1
* Преобразует скобки-литеры в структурные скобки
parens e1')'e2 = <parens <parens2 e1> e2>
e1 = e1
parens2 R e1'('e2 = e1(e2)
* Преобразует скобки-литеры в структурные скобки (другой вариант)
o_parens e1'('e(('('))2')'e3 = <o_parens e1(e2)e3>
e1 = e1
<go>  /1/(/2/(/3/(/4/)/3/)/2/)/1/(/2/)

Принципы реализации Рефал-интерпретатора
Представление поля зрения (выражения)
PREV
NEXT
TAG
CODE
PREV
NEXT
TAG
CODE
PREV
NEXT
TAG
CODE
TAG – тип звена: TAGO (литера), TAGF (метка), TAGN (число), TAGLB (левая структурная скобка), TAGRB (правая структурная скобка), TAGK (левая функциональная скобка), TAGD (правая функциональная скобка) CODE – значение звена (зависит от типа звена)
Двусвязный список звеньев:

Проблема выполнения отождествления
•В общем случае отождествление VE-переменных – переборная задача. Следовательно, алгоритм отождествления имеет высокую сложность.
•В некоторых случаях перебор можно сократить.
•Необходим предварительный анализ левой части
Пример: e1'+'e2'*'e3
В данном случае если удлинение e2 невозможно, то удлинять e1 нет смысла

Проблема лишнего копирования переменных
•Значение одной и той же переменной может входить в левую и правую части несколько раз
•Если вхождений значений переменной в правой части не больше чем в левой, то при формировании результата её значение копировать не нужно
•Необходим предварительный анализ правой части
Пример: e1 s2 s2 w3 = w3 e1 w3 s2 w3
значения e1 и s2 копировать не нужно,
значение w3 нужно скопировать два раза.

Проблема повторного выполнения отождествления
•Последовательность действий отождествления, выполняемая для разных соседних предложений функции, может частично совпадать
•При переходе на следующее предложение нет необходимости повторять уже выполненные действия
Пример: /1/s1(w5e2/3/)e4s1eQ = …
/1/sQ(wXeZ/3/)e1 = …
/1/sDvQ = …

Решение проблем – внутренний язык
•Предварительный анализ можно и нужно выполнять до начала выполнения программы
•Результат выполнения предварительного анализа удобно представлять как последовательность заранее известных команд, имеющих простую семантику
•Вычисление функции – последовательное выполнение команд
•Совокупность команд – внутренний язык

Внутренний язык
•Был предложен Романенко С.А. в книге «Реализация Рефала-2»
•Содержит порядка 40 команд
•Команды делятся на 6 групп по количеству и типу аргументов :
–Без аргументов
–С одним аргументом – числом
–С двумя аргументами – числами
–С одним аргументов – символом
–С одним аргументом – спецификатором
–С одним аргументом – адресом команды

Структуры для внутреннего языка
•В процессе выполнения команд используются:
–Указатели на начало и конец отождествляемого подвыражения поля зрения
–Таблица звеньев. В процессе отождествления в таблицу добавляются указатели на звенья из отождествляемого подвыражения
–Стек переходов. Используется при последовательном удлинении VE-переменных для сохранения текущего состояния и для передачи управления с одного предложения на другое

Примеры команд внутреннего языка
Команда
Аргументы
Назначение
LSC (RSC)
Символ
Отождествление символа слева (справа)
LS (RS)
Нет
Отождествление S-переменной слева (справа)
LW (RW)
Нет
Отождествление W-переменной слева (справа)
LB (RB)
Нет
Отождествление скобок слева (справа)
SB
2 Числа
Смена границ отождествляемого подвыражения
CE
Нет
Отождествление закрытого вхождения E-переменной
PLE (PRE)
Нет
Начало отождествления E-переменной слева (справа)
LE (RE)
Нет
Отождествление VE-переменной слева (справа)
EOE
Число
Уменьшение глубины стека переходов
SJUMP
Команда
Добавление точки возврата в стек переходов
LSD (RSD)
Число
Отождествление повторного вхождения S-переменной слева (справа)

Перевод на внутренний язык левой части
•При переводе левой части правила в дополнение к тривиальному алгоритму используется:
–Разложение левой части правил на независимые части: (s1e2w3)eXsY  s1e2w3 и eXsY
–Выделение независимо удлиняющегося выражения: e1'+'e2'*'e3 (если отождествление e2 невозможно нет смысла удлинять e1)
–Наличие спецификаторов у переменных: e(N)1 e(O)2 (Значение e1 – самая длинная последовательность чисел с левого конца отождествляемого подвыражения)

Примеры перевода левой части на внутренний язык
* Отождествление независимых частей
(s1e2w3)eXsY
LB; LS; RW; CE; SB(3, 1); RS; CE;
* Отождествление без лишних удлинений e1
e1'+'e2'*'e3
PLE; LE; LSC('+'); EOE(1);
PLE; LE; LSC('*'); CE;
* Отождествление e1 без использования стека переходов
e(N)1 e(O)2
LMAX(спецификатор: N); CE;

Перевод на внутренний язык правой части
•Перевод правой части осуществляется слева направо. Каждому элементу правой части ставится в соответствие определённая команда:
Символ S
NS(S)
Левая структурная или функциональная скобка
LB
Правая структурная скобка
RB
Правая функциональная скобка
BRACT
Переменная типа S
MOVES или COPYS
Переменная типа W или V
MOVEV или COPYE
Переменная типа E
MOVEE или COPYE
•Выбор команды MOVE или COPY делается на основе информации, накопленной при переводе левой части.

Расстановка операций перехода
•Последовательности команд внутреннего языка, полученные в результате перевода левой части, могут иметь общий префикс, т.е.
A
B
D
G
C
E
F
I
H
A
A
A
B
D
G
B
E
H
C
F
I

•Действия выполняемые интерпретатором при переходе на следующее правило будут частично повторяться. Для оптимизации добавляются команды перехода.

Пример перевода функции на внутренний язык
func sXv(D)2sXe1wY = <foo sXwY>e1<bar sXwY>
sXeZwY = <foo eZ>eZ
sXe1 = sX
* Перевод первого предложения
LS; SJUMP(МЕТКА2); RW; SJUMP(МЕТКА1);
PLV; LESPC(спецификатор: D); LSD(2); CE; EOR;
LB; NS(/foo/); MOVES(2); MOVEV(4); BRACT; MOVEE(7);
LB; NS(/bar/); MOVES(2); MOVEV(4); BRACT; EOS;
* Перевод второго предложения
МЕТКА1:
CE; EOR; LB; NS(/foo/); MOVEE(6); BRACT; COPYE(6); EOS;
* Перевод третьего предложения
МЕТКА2:
CE; EOR; MOVES(2); EOS;

…
…
…
Разработка учебного интерпретатора
Структура модулей интерпретатора
Файл *.ref
Парсер
Функция 1
Функция 2
Функция N
Транслятор
Команда
Команда
Команда
Метка 1
Метка 2
Метка N
Таблица
меток
Интерпретатор
команд
Метка I – имя функции

Назначение модулей интерпретатора
•Парсер:
–Производит лексический и синтаксический разбор
–Формирует таблицу функций
–Переводит функции во внутреннее представление
–Определяет стартовую (entry) функцию
•Транслятор:
–Переводит функции на внутренний язык команд
•Интерпретатор команд:
–Исполняет команды внутреннего языка
–Вызывает стартовую функцию

Внутреннее представление выражения
Type
Value
Type
Value
Type
Value
enum Type {
T_char,
T_label,
T_number,
T_variable,
T_left_paren,
T_right_paren,
T_left_bracket,
T_right_bracket
};
union Value { TChar c; TLabel label; TNumber number; CLink* paired_paren; TVariableName variable_name; };
ВЫРАЖЕНИЕ

Внутреннее представление функции
Правило
Правило
Выражение (правая часть)
Выражение
(левая часть)
Таблица переменных
Флаг: right?
Функция
Выражение
(правая часть)
Выражение
(левая часть)
Флаг: right?
Выражение
(правая часть)
Выражение (левая часть)
Флаг: right?
Правило
0
Тип (s, w, v, e)
Спецификатор
1
Тип (s, w, v, e)
Z
Тип (s, w, v, e)
…

Set of chars
Внутреннее представление спецификатора
True (include) or False (except)
example S /0//1/('xz')/label_1/O('qf'/label_2//3/)/4/
Set of labels
Set of numbers
Structured terms
Set of chars:
{'x', 'z'}
False (except)
Set of labels: {/label_1/}
True (include)
Set of numbers:
{0, 1, 4}
True (include)
Structured terms
False (except)
Пример

Построение спецификатора
class CQualifierBuilder {
public:
void Get(CQualifier* qualifier) const;
bool IsNegative() const;
void Reset();
void Label(TLabel label);
void Number(TNumber number);
void Char(TChar c);
void Qualifier(const CQualifier& qualifier);
void Negative();
void S(); void F(); void N(); void O();
void L(); void D(); void W(); void B();
}

Заключение
•Реализовано на данный момент:
–Внутреннее представление выражений и функций
–Внутренний язык команд
–Парсер (частично)
–Интерпретатор команд
–Спецификаторы
•Не реализовано:
–Транслятор на внутренний язык команд
•Исходный код: github.com/cmc-msu-ai/refal

Тодуа. Методы разработки интерпретатора языка Рефал-2

More Related Content

What's hot

More from Спецсеминар "Искусственный Интеллект" кафедры АЯ ВМК МГУ

Тодуа. Методы разработки интерпретатора языка Рефал-2