《形式化語言》課件

形式化語言什么是形式化語言精確定義使用嚴(yán)格的語法規(guī)則和語義解釋，確保語言的清晰、無歧義性。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)基于數(shù)學(xué)理論，例如集合論、邏輯學(xué)，保證語言的嚴(yán)謹(jǐn)性。計(jì)算機(jī)處理易于計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理，適用于各種程序設(shè)計(jì)、算法描述和系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)。形式化語言的特點(diǎn)精確性形式化語言使用明確的符號和規(guī)則，避免歧義，確保準(zhǔn)確表達(dá)意思。一致性形式化語言的規(guī)則適用于所有情況，保證語義的統(tǒng)一性和可預(yù)測性?？沈?yàn)證性形式化語言的表達(dá)可以被機(jī)器驗(yàn)證，方便進(jìn)行自動(dòng)分析和處理。可擴(kuò)展性形式化語言易于擴(kuò)展，可以用來描述復(fù)雜的系統(tǒng)或過程。形式化語言的分類正則語言由正則表達(dá)式描述的語言，可以用有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)識(shí)別。上下文無關(guān)語言可以用上下文無關(guān)文法描述的語言，可以用上下文無關(guān)語法分析器識(shí)別。上下文有關(guān)語言可以用上下文有關(guān)文法描述的語言，可以用上下文有關(guān)語法分析器識(shí)別。遞歸可枚舉語言可以用圖靈機(jī)識(shí)別的語言，也稱為類型0語言。正則語言正則語言是可以用正則表達(dá)式描述的語言。定義正則語言是一類由有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)（FSA）識(shí)別的語言。特點(diǎn)正則語言具有有限性、可判定性和封閉性等特點(diǎn)。正則表達(dá)式模式匹配正則表達(dá)式是一種用于描述文本模式的語言。靈活強(qiáng)大它允許開發(fā)者使用簡潔的語法表達(dá)復(fù)雜的搜索和替換規(guī)則。應(yīng)用廣泛在文本編輯器、編程語言、數(shù)據(jù)庫等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。正則表達(dá)式的語法元字符表示特殊含義的字符，例如：.匹配任意單個(gè)字符*匹配前面字符零次或多次+匹配前面字符一次或多次?匹配前面字符零次或一次字符集用方括號表示，匹配其中任何一個(gè)字符，例如：[a-z]匹配所有小寫字母[A-Z]匹配所有大寫字母[0-9]匹配所有數(shù)字分組用括號表示，用于捕獲子表達(dá)式，例如：(ab)+匹配一個(gè)或多個(gè)"ab"字符串正則表達(dá)式的匹配原理1字符匹配匹配單個(gè)字符2量詞匹配匹配多個(gè)字符3分組匹配匹配子表達(dá)式4反向引用引用之前的匹配結(jié)果有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)定義有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)(FSM)是一種數(shù)學(xué)模型，用來描述有限狀態(tài)系統(tǒng)。組成部分FSM由狀態(tài)、輸入、轉(zhuǎn)換和輸出組成。正則語言與有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的關(guān)系正則語言可以用正則表達(dá)式描述的語言，有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)可以識(shí)別正則語言。有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)一種計(jì)算模型，可以識(shí)別正則語言，每個(gè)狀態(tài)代表一個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)可以進(jìn)行一定的操作。語法分析語法分析是編譯器的重要組成部分，負(fù)責(zé)將源代碼轉(zhuǎn)換為抽象語法樹(AST)詞法分析將源代碼中的字符流轉(zhuǎn)換為詞法單元流，例如，關(guān)鍵字、標(biāo)識(shí)符、常量等語法分析根據(jù)語法規(guī)則檢查詞法單元流是否符合語法，并構(gòu)建語法樹上下文無關(guān)語言語法規(guī)則簡單只考慮符號之間的關(guān)系，不考慮語義。強(qiáng)大的表達(dá)能力可以描述各種編程語言和形式系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用在編譯器、解釋器、數(shù)據(jù)庫等領(lǐng)域廣泛使用。自上而下的語法分析從文法開始自上而下的語法分析從文法的開始符號開始。逐步匹配嘗試匹配輸入符號，使用文法規(guī)則逐步構(gòu)建語法分析樹?；厮萑绻ヅ涫?，則回溯到之前的狀態(tài)，嘗試其他匹配方式。自下而上的語法分析1詞法分析將源代碼分解成詞法單元。2語法分析根據(jù)文法規(guī)則，將詞法單元組裝成語法樹。3語義分析檢查語法樹的語義正確性。4代碼生成將語法樹轉(zhuǎn)換為目標(biāo)代碼。自底向上的語法分析算法1移進(jìn)-歸約將輸入符號移入分析棧，并嘗試將棧頂?shù)姆栃蛄袣w約為非終結(jié)符。2LR分析LR分析是一種強(qiáng)大的自底向上的語法分析方法，可以識(shí)別廣泛的上下文無關(guān)語言。3SLR分析SLR分析是LR分析的一種簡化版本，它使用狀態(tài)機(jī)來進(jìn)行語法分析。自頂向下的語法分析算法1預(yù)測分析根據(jù)當(dāng)前符號和預(yù)測表，選擇合適的產(chǎn)生式2回溯如果預(yù)測失敗，回溯到上一個(gè)狀態(tài)，嘗試其他產(chǎn)生式3遞歸下降使用遞歸函數(shù)模擬語法分析過程語法分析樹語法分析樹是一種樹形結(jié)構(gòu)，它表示一個(gè)句子或表達(dá)式如何根據(jù)文法規(guī)則進(jìn)行推導(dǎo)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)語法符號，每個(gè)邊代表一個(gè)產(chǎn)生式規(guī)則。根節(jié)點(diǎn)代表句子的起始符號，葉子節(jié)點(diǎn)代表句子的終結(jié)符。語法分析樹可以幫助我們理解句子的語法結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行語義分析和代碼生成。它也是語法分析器的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文法的范式范式是一種簡化文法表示的形式，可以使文法更易于理解和分析。范式可以保證文法中所有產(chǎn)生式都滿足一定的結(jié)構(gòu)要求，從而簡化文法分析過程。一些常用的語法分析算法需要文法滿足特定的范式條件才能正常工作。上下文無關(guān)文法的范式譜式范式以BNF或EBNF表示的上下文無關(guān)文法可以轉(zhuǎn)換為譜式范式。Chomsky范式所有上下文無關(guān)文法都可以轉(zhuǎn)換為Chomsky范式，它是研究上下文無關(guān)語言的重要工具。譜式范式譜式范式是一種上下文無關(guān)文法的范式，它將每個(gè)產(chǎn)生式寫成以下形式：A→aBA→a其中A是非終結(jié)符，a是終結(jié)符，B是非終結(jié)符。優(yōu)點(diǎn)譜式范式具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單易于理解便于語法分析范式轉(zhuǎn)換語法分析將輸入的程序代碼轉(zhuǎn)化為語法分析樹。范式轉(zhuǎn)換將語法分析樹轉(zhuǎn)化為特定范式的語法分析樹。語義分析對范式轉(zhuǎn)換后的語法分析樹進(jìn)行語義檢查。代碼生成根據(jù)語義分析的結(jié)果生成目標(biāo)代碼。語義分析語義分析是編譯器中重要的一個(gè)階段，它負(fù)責(zé)檢查源程序的語義是否正確。類型檢查檢查變量類型是否匹配，例如，將整型變量賦值給字符串類型變量。表達(dá)式求值計(jì)算表達(dá)式的值，例如，計(jì)算算術(shù)表達(dá)式、邏輯表達(dá)式等。語義分析的基本概念語義檢查驗(yàn)證程序代碼是否符合語法規(guī)則和語義規(guī)則，例如類型匹配、變量聲明等。語義解釋將程序代碼中的符號和表達(dá)式轉(zhuǎn)換為機(jī)器可理解的形式，例如將變量名轉(zhuǎn)換為內(nèi)存地址。語義分析的作用確保程序代碼的正確性和邏輯一致性，為后續(xù)的代碼生成和執(zhí)行階段做好準(zhǔn)備。屬性文法屬性每個(gè)語法符號都關(guān)聯(lián)一個(gè)屬性集合語義規(guī)則定義屬性值之間的依賴關(guān)系屬性計(jì)算根據(jù)語義規(guī)則計(jì)算屬性值語義分析的算法1類型檢查確保變量類型一致2表達(dá)式求值計(jì)算表達(dá)式結(jié)果3控制流分析識(shí)別程序控制流解釋執(zhí)行逐行執(zhí)行解釋器逐行讀取并執(zhí)行源代碼，無需先將代碼編譯成機(jī)器碼。靈活性和交互性解釋執(zhí)行允許程序員在運(yùn)行時(shí)修改代碼，并立即看到效果。平臺(tái)依賴性解釋執(zhí)行的程序通常依賴于特定的解釋器，在不同平臺(tái)上可能需要不同的解釋器。編譯執(zhí)行編譯器將源代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼。鏈接器將編譯后的代碼與庫文件合并，生成可執(zhí)行文件。優(yōu)點(diǎn)執(zhí)行效率更高，可以執(zhí)行更復(fù)雜的程序。缺點(diǎn)編譯時(shí)間較長，需要專門的編譯環(huán)境。總結(jié)與展望知識(shí)體