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.

Изложение языков Паскаль и Си в данном учебном пособии будет соответствовать этой схеме.

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: ведь из грамотно написанных слов можно составить абсолютно бессмысленную фразу. Например, в салоне самолета засветилось табло, на котором написано: Fasten belts! (Пристегните ремни!). Зная правила чтения английского языка, вы, к зависти соседа, правильно прочитаете эту фразу. Однако смысл ее вам может быть непонятен, и поэтому соответствующих действий вы не предпримете, за что получите замечание от стюардессы. 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:

<двоичная цифра>::=0|1

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:

<двоичный код>::=<двоичная цифра>|<двоичный

код><двоичная цифра>

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. В следующем разделе, посвященном Паскалю, мы также будем пользоваться синтаксическими диаграммами. В литературе по языку Си использование синтаксических диаграмм не принято. Поэтому в гл. 4 будет применяться традиционный для этого языка способ описания правил синтаксиса.