Loading AI tools
Специфікація мови програмування (або стандарт чи визначення) є документацією, яка визначає мову програмування, так, щоб користувачі та розробники мови програмування[en] могли дійти згоди, що означають програми на цій мові. Специфікації, як правило, деталізовані та формальні, і в першу чергу використовуються розробниками, при цьому користувачі посилаються на них у разі неоднозначності; специфікації мови C++ часто критикуються користувачами, наприклад, через складність. Відповідна документація включає в себе керівництво по мові програмування[en], яке призначено виключно для користувачів, і обґрунтування мови програмування та пояснює, чому специфікація написана так як є; вони, як правило, більш неформальні, ніж специфікація.
Не всі основні мови програмування мають специфікації, і мови можуть існувати і бути популярними протягом десятиліть без специфікації. Мова може мати одну або більше реалізацій, чия поведінка діє де-факто як стандарт, без того, щоб ця поведінка документувалася в специфікації. Perl (після Perl 5) є відомим прикладом мови без специфікації, тоді як PHP отримав специфікацію лише в 2014 році, після 20 років використання.[1] Мова може бути спочатку реалізована, а потім отримати специфікацію, або спочатку отримати специфікацію, і вже потім реалізована, або ці два процеси можуть відбуватись одночасно, що є поширеною практикою. Це пояснюється тим, що реалізації та специфікації забезпечують перевірку один одного: написання специфікації вимагає точного зазначення поведінки реалізації, а реалізація перевіряє, що специфікація можлива, практична та послідовна. Написання специфікації перед реалізацією здебільшого не відбувалось з часів ALGOL 68 (1968) через несподівані труднощі в реалізації, коли реалізація потім відкладалась. Проте, мови все ще іноді реалізуються і набувають популярності без формальної специфікації: реалізація є необхідною для використання, тоді як специфікація є бажаною, але не істотною.
 |
Алгол 68 був першою (і, можливо, однією з останніх) мовою, яка була повністю формально визначена, перш ніж вона була реалізована |  |
Специфікація мови програмування може мати декілька форм, включаючи наступні:
- Явне визначення синтаксису і семантики мови. Хоча синтаксис зазвичай визначається з використанням формальної граматики, семантичні визначення можуть бути написані природною мовою (наприклад, підхід, прийнятий для мови С), або формальної семантики (наприклад, Standard ML[3] та Scheme[4] специфікації). Відомим прикладом є мова С, яка набула популярності без формальної специфікації, натомість, вона була описана у книзі Мова програмування C (1978), і лише набагато пізніше формально стандартизована в ANSI C (1989).
- Опис поведінки компілятора (іноді званий «транслятор») для мови (наприклад, мова C++ і Fortran). Синтаксис і семантика мови повинні виводитись з цього опису, який може бути написаний природною або формальною мовою.
- Еталонна реалізація[en], іноді написана мовою, що задається (наприклад, Prolog). Синтаксис і семантика мови виражені у поведінці еталонної реалізації.
Синтаксис мови програмування зазвичай описується за допомогою комбінації наступних двох компонентів:
- регулярний вираз, що описує його лексема
- контекстно-вільна граматика, яка описує, як лексеми можуть бути об'єднані, щоб сформувати синтаксично правильну програму.
Формулювання суворої семантики великої, складної, практичної мови програмування є складним завданням навіть для досвідчених фахівців, і кінцева специфікація може бути важкою для розуміння для будь-кого, окрім експертів. Нижче наведено деякі способи опису семантики мови програмування; всі мови використовують принаймні один з цих методів опису, а деякі мови поєднують декілька[5]
- Природна мова: Опис природною мовою людини.
- Формальна семантика: Математичний опис.
- Еталонна реалізація[en]: Опис за допомогою комп'ютерної програми.
- Набір тестів[en]: Опис за допомогою прикладів програм та їх очікуваної поведінки. Хоча деякі специфікації мов створюються за допомогою наборів тестів, на еволюцію деяких специфікацій мови вплинула семантика набору тестів (наприклад, у минулому специфікація Ada була змінена, у відповідності до поведінки комплекту тестів для оцінки відповідності Ада[en] (ACATS)).
Природна мова
Найбільш широко використовувані мови задаються з використанням природних мовних описів їх семантики. Цей опис зазвичай має форму довідника мови. Ці посібники можуть мати сотні сторінок, наприклад, паперова версія довідника «Специфікація мови Java, 3-е видання» містить 596 сторінок.
Неточність природної мови як засобу для опису семантики мови програмування може призвести до проблем з інтерпретацією специфікації. Наприклад, семантики потоків у Java були описані англійською мовою, згодом було виявлено, що специфікація не надає адекватного керівництва по їх реалізації для користувачів.[6]
Формальна семантика
Формальна семантика обґрунтована математичним апаратом. Як наслідок, вони можуть бути більш точними і менш неоднозначними, ніж семантики, описані природною мовою. Однак додаткові описи семантики зроблені природною мовою часто додаються для полегшення розуміння формальних визначень. Наприклад, стандарт ISO для Modula-2[en] містить як формальне, так і визначення природною мовою на сусідніх сторінках.
Мови програмування, чия семантика описується формально, можуть скористатися багатьма перевагами. Наприклад:
- Формальна семантика дає можливість математичних доказів коректності програми;
- Формальна семантика полегшує розробку системи типізації, і докази доцільності цих систем типізації;
- Формальна семантика може встановлювати однозначні і єдині стандарти для реалізації мови.
Автоматична підтримка інструментів може допомогти реалізувати деякі з цих переваг. Наприклад, автоматизоване доведення теорем або перевірка теорем може збільшити впевненість програміста (або розробника мови) у правильності доведень щодо програми (або самої мови). Потужність і масштабованість цих інструментів значно варіюються: повна формальна верифікація є затратною по обчисленням, зазвичай, не масштабується для програм, розмір яких перевищує декілька сотень рядків, і може вимагати участі програміста; більш легкі інструменти, такі як перевірка моделі вимагають менших ресурсів і використовуються для програм, що містять десятки тисяч рядків; багато компіляторів застосовують статичні системи типізації до будь-якої програми, яку вони компілюють.
Еталонна реалізація
Еталонна реалізація є єдиною реалізацією мови програмування, яка позначається як авторитетна. Поведінка цієї реалізації проводиться для визначення належної поведінки програми написаній на цій мові. Цей підхід має кілька привабливих особливостей. По-перше, вона точна, і тому не вимагає людської інтерпретації: суперечки щодо сенсу програми можуть бути вирішені просто шляхом виконання програми на еталонної реалізації (за умови, що реалізація веде себе детерміновано для цієї програми).
З іншого боку, визначення семантики мови за допомогою еталонної реалізації також має ряд потенційних недоліків. Головне з них полягає в тому, що воно обмежує обмеження еталонної реалізації з властивостями мови. Наприклад, якщо в еталонній реалізації є помилка, то цю помилку слід вважати авторитетною поведінкою. Іншим недоліком є те, що програми, написані на цій мові, можуть покладатися на примхи в еталонної реалізації, перешкоджаючи портативності в різних реалізаціях.
Тим не менш, кілька мов успішно застосували підхід до базової реалізації. Наприклад, інтерпретатор Perl вважається таким, що визначає авторитетну поведінку програм Perl. У випадку з Perl, модель з відкритим вихідним кодом поширення програмного забезпечення сприяла тому, що ніхто ніколи не створював іншу реалізацію мови, тому питання, пов'язані з використанням еталонної реалізації для визначення семантики мови, є спірними.
Набір тестів
Визначення семантики мови програмування з точки зору тестового набору передбачає написання декількох прикладних програм мовою, а потім опис того, як ці програми повинні поводитися — можливо, записуючи їх правильні виходові значення. Програми, а також їхні виходові значення, називаються «набором тестів» мови. Будь-яка правильна реалізація мови повинна виробляти точні виходові дані на тестових програмах.
Головною перевагою такого підходу до семантичного опису є те, що легко визначити, чи передає мова реалізація набору тестів. Користувач може просто виконати всі програми в тестовому наборі і порівняти виходи з бажаними виходами. Проте під час використання самого підходу тестовий набір має і великі недоліки. Наприклад, користувачі хочуть запускати власні програми, які не є частиною тестового набору. Дійсно, реалізація мови, яка могла б «тільки» запускати програми у своєму тестовому наборі, була б в основному марною. Але набір тестів сам по собі не описує, як реалізація мови повинна поводитися з будь-якою програмою, яка не знаходиться в тестовому наборі; визначення того, що поведінка вимагає екстраполяції з боку виконавця, різні виконавці можуть не погодитися. Крім того, важко використовувати набір тестів для тестування поведінки, яке призначено або дозволено бути недетермінованим програмуванням[en].
Тому, у звичайній практиці, набори тестів використовуються тільки в поєднанні з однією з інших технічних умов специфікації мови, таких як опис природною мовою або посилання на еталонну реалізацію.
Специфікації мов програмування
Приклади специфікацій мов програмування:
- Специфікації написані здебільшого формально (математично):
- The Definition of Standard ML, revised edition [Архівовано 16 лютого 2019 у Wayback Machine.] — формальне визначення в стилі операційної семантики.
- Scheme R5RS [Архівовано 18 лютого 2005 у Wayback Machine.] — формальне визначення в стилі денотаційної семантики
- Специфікації написані природною мовою:
- Algol 60 report [Архівовано 25 червня 2007 у Wayback Machine.]
- Ada 95 reference manual [Архівовано 23 березня 2019 у Wayback Machine.]
- Java language specification [Архівовано 26 лютого 2009 у Wayback Machine.]
- Draft C++ standard [Архівовано 18 грудня 2018 у Wayback Machine.]
- Специфікації з використанням набору тестів:
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
