Semantische Analyse und attributierte Grammatiken

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WestfälischeWilhelms-Universität Münster

WIRTSCHAFTSINFORMATIK

Semantische Analyse und Semantische Analyse und attributierte Grammatikenattributierte Grammatiken

Sarah Al-Itaibi

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1. Einordnung der semantischen Analyse in die Phasen des Übersetzers

2. Einführung in die semantische Analyse des Quellprogramms

3. Zentrale Aufgaben der semantischen Analyse

4. Einführung in attributierte Grammatiken

5. Auswertung semantischer Regeln

6. Zusammenfassung

GliederungGliederung

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Einordnung der semantischen Analyse Einordnung der semantischen Analyse in die Phasen des Übersetzersin die Phasen des Übersetzers

Phasen des Übersetzers:Lexikalische Analyse

Code-Optimierung

Code-Erzeugung

Zwischencode-Erzeugung

Semantische Analyse

Syntaxanalyse

Quellprogramm

Zielprogramm

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Einführung in die semantische Analyse Einführung in die semantische Analyse des Quellprogrammsdes Quellprogramms

Aufbau einer künstlichen Sprache erfolgt nach festen Regeln (Syntax, Grammatik).

Wörter und Sätze besitzen wohldefinierte Bedeutungen (Semantik).

Wichtige Aufgabe bei der Übersetzung: Beibehaltung des Bedeutungsgehaltes.

Beispiele aus der deutschen Sprache:1. Der Hecht frisst die Forelle.

2. Das Plankton frisst den Hecht.

Die Wirkung eines Satzes ergibt sich aus seiner Bedeutung.

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Semantische Analyse überprüft, ob die Teile eines Programms von der Bedeutung her zusammenpassen.

Beispiel: Überprüfung der Anzahl der Parameter bei Prozeduraufrufen.

Typüberprüfung bei Zuweisungen: Volumen := Fläche * Höhe

Quellprogramm wird auf semantische Fehler untersucht: Beispiel: Zuweisen eines Buchstabens an eine Integer-Variable

(Typkonflikt).

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Eingabe: Syntaxbaum.

Ergänzung des Syntaxbaums um semantische Informationen

(Attribute) Bewerteter Syntaxbaum.

Verschmelzung von Syntaxanalyse und semantischer Analyse

Übergabe eines Syntaxbaumes ist hinfällig.

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Unterscheidung zwischen statischer und dynamischer semantischer Analyse.

1. Statische semantische Analyse:- Zur Übersetzungszeit

- Semantische Eigenschaften werden mit Hilfe des Programmtextes bestimmt

- Semantische Eigenschaften: Deklaration jedes verwendeten Bezeichners Abwesenheit von Doppeldeklarationen Korrekte Verwendung jeder Variable entsprechend ihres

Datentyps

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2. Dynamische semantische Analyse:

Zur Laufzeit.

Semantische Eigenschaften werden durch Ausführung des Programms mit Eingabedaten herausgefunden

Der Typ eines Ausdrucks wird erst bei der Auswertung, zur Laufzeit, bekannt.

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Zentrale Aufgaben der semantischen AnalyseZentrale Aufgaben der semantischen Analyse

1. Bezeichneridentifikation:- Zur Identifikation dienen Definitionen und Gültigkeitsregeln der

Programmiersprache.

- Definition: Einführung des Bezeichners als Benennung eines Objektes.

- Aufgabe: Zu jedem angewandten Auftreten des Bezeichners die

gültige Definition bestimmen.

- Jede Definition eines Bezeichners hat einen Gültigkeitsbereich.

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Gültigkeitsbereich einer Definition ist der Abschnitt des Quellprogramms, in dem Anwendungen des Bezeichners dieser Definition zugeordnet werden.

Gültigkeitsregeln bestimmen Gültigkeitsbereich.

Beispiele für Gültigkeitsregeln: Verdeckungsregel. Keine Anwendung eines Bezeichners vor seiner Definition.

Als Hilfsmittel dient die Symboltabelle.

Charakteristische Fehlersituationen: Unzulässige Mehrfachdefinitionen im gleichen Block. Angewandte Bezeichner ohne gültige Definition.

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2. Typüberprüfung:- Typinformationen können bei der Codegenerierung benötigt

werden.

- Sicherstellung der Typkonsistenz eines Programms.

- Überprüfung der Typkonsistenz erfolgt durch einen bottom-up Durchlauf des Baumes.

- Typanpassung von Ausdrücken.

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Einführung in attributierte GrammatikenEinführung in attributierte Grammatiken

Eine attributierte Grammatik ist die am häufigsten verwendete Technik zur formalen Beschreibung von Übersetzungsprozessen.

Sie wurden von Knuth im Jahre 1968 eingeführt.

Definition:Sie ist ein Quadrupel AG = (G, A, R, K) bestehend aus:

1. Einer kontextfreien Grammatik G = (VN, VT, P, S).

2. Einer endlichen Attributmenge A.

3. einer endlichen Menge semantischer Regeln R.

4. einer endlichen Menge von Kontextbedingungen K.

Jedem Symbol X aus VN VT werden null oder mehr Attribute zugeordnet

Jeder Produktionsregel p aus P werden ebenfalls null oder mehr semantische Regeln und Kontextbedingungen zugeordnet.

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Folgendes Beispiel dient dem intuitiven Verständnis der attributierten Grammatiken:

Produktionsregel:

pOpr: Ausdruck lOpd Opr rOpd

Semantische Regel:

Ausdruck.Typ:= opr_identif(Opr.Symbol, lOpd.Type, rOpd.Type)

Ausschnitt eines bewerteten Syntaxbaumes:

Typreal

Symbol+

Typinteger

Typreal

LOpd

Opr

rOpd

pOpr

Ausdruck

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Jedes Attribut hat einen Namen und einen Wert.

Attribute können repräsentieren: String, Zahl, Typ oder einen Speicherplatz.

Attributarten:1. Synthetisierte Attribute:

Werden bei der Erkennung eines Symbols erzeugt. Wert errechnet sich aus den Werten der Attribute der

Nachfolgerknoten. Lexikalischer Analysator bestimmt die synthetisierten Attribute der

Terminalsymbole. Mittels dieser Attribute können semantischen Informationen von

den Blättern bis zur Wurzel weitergereicht werden.

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2. Ererbte Attribute: Werden einem Nichtterminalsymbol vor seiner Erkennung

mitgegeben. Wert errechnet sich aus den Werten der Attribute des

Vorgängerknotens und/oder Geschwisterknoten. Startsymbol hat keine ererbten Attribute. Mittels dieser Attribute können semantische Informationen von den

Nachfolgern der Wurzel bis zu den Blättern vererbt werden.

Auswertung der Attribute: Code generieren.

Informationen in einer Symboltabelle abspeichern.

Fehlermeldungen ausgeben.

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Kontextbedingungen: Sind Bedingungen der statischen Semantik für die Attribute. Beschreiben Beziehungen zwischen Attributen bzw. Elementen der

Sprache. Zeitpunkt der Prüfung wird durch ihre Stellung in der Grammatikregel

festgelegt. Ein Syntaxbaum repräsentiert ein übersetzbares Programm, wenn alle

Kontextbedingungen erfüllt sind. Bedingung wird durch eine Relation zwischen Attributen ausgedrückt. Zum Beispiel:

„In einer Wertzuweisung müssen linke und rechte Seite vom selben Typ sein“

Beispiel: Bedingung einer Sprache: „alle Variablen müssen explizit deklariert

sein“. PROCEDURE P

VAR a, b : INTEGERx := yEND P

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Auswertung semantischer RegelnAuswertung semantischer Regeln

Bei der Auswertung muss der Syntaxbaum auf bestimmten Wege durchlaufen werden und dabei müssen die semantischen Regeln ausgewertet werden.

Sämtliche Attributwerte, von denen eine semantische Regel oder Kontextbedingung abhängt, müssen berechnet sein, vor Anwendung der Regel.

Bei zyklischen Abhängigkeiten zwischen Attributen können deren Werte effektiv nicht berechnet werden.

Zu jedem Syntaxbaum, der Attribute enthält, gibt es einen Abhängigkeitsgraphen.

Abhängigkeitsgraph zeigt die Abhängigkeit zwischen den Attributen des Baumes, die sich aus den semantischen Regeln ergeben.

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Attribute bilden Knoten des Graphen.

Gerichtete Kanten geben die in den semantischen Regeln ausgedrückten Abhängigkeiten an.

Attributierte Grammatik heißt wohldefiniert, wenn die Abhängigkeitsgraphen zu allen Syntaxbäumen zyklenfrei sind.

Ein Abhängigkeitsgraph setzt sich immer aus den produktionslokalen Abhängigkeitsgraphen der angewandten Produktionen zusammen.

Beispiel einer attributierten Grammatik zur Umrechnung von Binärzahlen in Dezimalzahlen:

Attribut v: berechneter Wert. Attribut r: Rang bzw. relative Position des BIT zum binären Punkt. Attribut l: Länge des Bit-String.

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Attribute Grammar Bin_to_Dec:Nonterminals: {N, BIN, BIT}Attributes: syn l with BIN domain int;

Syn v with N, BIN, BIT domain real;Inh r with BIN, BIT domain int;

Production: Semantik Functions:

1: N BIN.BIN N.v = BIN1.v + BIN2.v

BIN1.r = 0

BIN2.r = -BIN2.l

2: BIN BIN BIT BIN0.v = BIN1.v + BIT.v

BIN0.l = BIN1.l + 1

BIN1.r = BIN0.r + 1

BIT.r = BIN0.r

3: BIN ε BIN.v = 0 BIN.l = 0

4: BIT 1 BIT.v = 2BIT.r

5: BIT 0 BIT.v = 0

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Produktionslokale Abhängigkeitsgraphen:

Dp(1):

Dp(5):Dp(4):Dp(3):

Dp(2):

N v

BINr v l BIN v BINv

BINv l

l l

r

rr. BITr v

BINr v l r BIT v

1

BIT vr

0

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Syntaxbaum mit Abhängigkeitsgraph zum Wort „10.01“:

N v

.BINr v l BINr lv

BIN BIN vv ll rr BITBIT rr vv

0 1

rrrr BIN BIN vv vv ll BITBIT

1 0

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Auswertung erfolgt:1. Nach erhalten des um die Attribute erweiterten Syntaxbaumes.2. Parallel zur Syntaxanalyse, gesteuert durch den Parser.

Auswertungsschritte bei gegebenem Syntaxbaum:1. Bildung des Abhängigkeitsgraphen und test auf Zyklenfreiheit.2. Bestimmung der Auswertungsordnung (Besuchsfolge, topologische

Sortierung).3. Auswertung der Attribute gemäß der Auswertungsordnung.

Findet die Auswertung währen der Syntaxanalyse statt, dann ist die Auswertungsreihenfolge abhängig von der Reihenfolge, in der die Knoten erzeugt werden.

Ordnung der Attribute im vorherigen Beispiel: Für BIN: l r v Für BIT: r v

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Auswertung des Beispiels:1. Top-down Durchlauf, gefolgt von einem bottom-up Durchlauf zur

Auswertung von l.

2. Top-down Durchlauf zur Auswertung von r.

3. Bottom-up Durch lauf zur Berechnung von v.

N

.BIN

BIN BIN BITBIT

0 1

BIN BIN BITBIT

1 0

BIN (v = 0,25; l = 2; r = -2)

(v = 0; l = 1; r = -1)

(v = 0,25;r = -2)

(v = 2; l = 2; r = 0)

(v = 2,25)

(v = 2; l = 1; r = 1)

(v = 0; r = 0)

(v = 0; l = 0; r = 2)

(v = 0; l = 0; r = 0)

(v = 0; r = -1)

(v = 2; r = 1)

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Syntaxgesteuerte Definition: Notation um semantische Regeln mit Produktionsregeln zu verbinden.

Seiteneffekte in semantischen Regeln erlaubt, wie das Drucken eines Wortes.

Beispiel: S-attributierte Definition

L-attributierte Definition

Restriktion bei L-attributierten Definitionen: Jedes ererbte Attribut eines Knotens hängt nur von ererbten Attributen

des Vaterknotens und der linken Geschwisterknoten ab.

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ZusammenfassungZusammenfassung

Semantische Analyse notwendig um den Bedeutungsgehalt beizubehalten.

Wichtigste Aufgaben der semantischen Analyse sind die Typüberprüfung und die Bezeichneridentifikation.

Attributierte Grammatiken dienen der Verbreitung semantischer Informationen in Syntaxbäumen.

Attributierte Grammatiken definieren, wie in einem beliebigen Syntaxbaum alle Attribute berechnet werden können.

Auswertung der Attribute kann parallel zur Syntaxanalyse erfolgen oder nach erhalt des attributierten Syntaxbaumes.

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