Opis składni języka: Notacje i gramatyki

Kurs: Wstęp do programowania
Lekcja 2: Podstawy składni języka programowania
Temat 1: Opis składni języka: Notacje i gramatyki

⇓ spis treści ⇓

Składnia języka programowania to zbiór reguł, które definiują, jak należy zapisywać instrukcje, aby były poprawnie interpretowane przez kompilator lub interpreter. Każdy język programowania ma swoje własne zasady składniowe, które muszą być przestrzegane, aby kod działał zgodnie z oczekiwaniami. Składnia, podobnie jak gramatyka w językach naturalnych, narzuca strukturę i formę, dzięki której komunikacja z komputerem jest możliwa. Zrozumienie tych reguł to pierwszy krok do opanowania jakiegokolwiek języka programowania.

Czym jest składnia języka programowania?

Składnia definiuje formę i sposób zapisu instrukcji, które komputer może rozumieć i wykonywać. Na przykład, w języku C++, aby zadeklarować zmienną, musimy przestrzegać określonego formatu, takiego jak:

int liczba = 5;

Jeśli naruszymy te zasady – na przykład, zapomnimy o średniku na końcu – kompilator zgłosi błąd składniowy. Dlatego tak ważne jest, aby zrozumieć, jak działa składnia w wybranym języku.

Składnia w programowaniu różni się od semantyki, która opisuje, co kod oznacza i jak działa. Składnia to forma, a semantyka to znaczenie. Błędy składniowe to te, które wynikają z nieprawidłowego zapisu kodu, na przykład brakującego nawiasu, podczas gdy błędy semantyczne dotyczą logiki działania programu. W tej lekcji skupimy się wyłącznie na składni i jej formalnym opisie.

Jak opisuje się składnię języków programowania?

Opis składni języka programowania jest niezwykle ważny dla twórców kompilatorów i interpretatorów. Aby precyzyjnie określić, jakie formy są poprawne, używa się specjalnych narzędzi, takich jak gramatyki formalne i notacje, które pozwalają na jednoznaczne przedstawienie reguł języka. Dwie najważniejsze koncepcje w tej dziedzinie to gramatyki bezkontekstowe oraz notacja BNF (Backus-Naur Form).

Gramatyki bezkontekstowe

Gramatyka bezkontekstowa to rodzaj gramatyki formalnej, która jest używana do definiowania składni większości języków programowania. Termin „bezkontekstowa” oznacza, że reguły gramatyczne mogą być stosowane niezależnie od kontekstu, w którym się znajdują. Każda reguła gramatyki bezkontekstowej składa się z symboli nieterminalnych i terminalnych.

Symbole terminalne: To podstawowe elementy, które nie mogą być już dalej dzielone. W języku programowania są to na przykład znaki, takie jak ;, +, =, słowa kluczowe, takie jak int, if, else, czy literały, jak 5 lub "tekst".
Symbole nieterminalne: To elementy, które mogą być dalej rozwijane zgodnie z regułami gramatyki. Na przykład, w gramatyce języka programowania może istnieć symbol nieterminalny wyrażenie, który może być rozwinięty w różne formy, takie jak liczba + liczba lub zmienna * liczba.

Reguły gramatyczne są definiowane za pomocą produkcji, które określają, jak symbole nieterminalne mogą być przekształcane w symbole terminalne lub inne symbole nieterminalne. Oto przykład prostej gramatyki bezkontekstowej:

<wyrażenie> ::= <liczba> | <zmienna> | <wyrażenie> + <wyrażenie>
<liczba> ::= 0 | 1 | 2 | ... | 9
<zmienna> ::= a | b | c | ... | z

W powyższym przykładzie wyrażenie może być pojedynczą liczbą, zmienną lub sumą dwóch wyrażeń. Tego rodzaju gramatyki są podstawą dla kompilatorów, które muszą analizować i rozpoznawać różne konstrukcje składniowe w kodzie.

Notacja BNF (Backus-Naur Form)

BNF to standardowa notacja używana do opisywania składni języków programowania. Została opracowana przez Johna Backusa i Petera Naura w latach 60. XX wieku podczas prac nad językiem ALGOL. Notacja BNF jest bardzo zwięzła i jednoznaczna, co czyni ją idealnym narzędziem do formalnego opisu składni.

W BNF symbole nieterminalne są zapisywane w nawiasach ostrych <, >, a symbole terminalne bez nawiasów. Produkcje gramatyczne są zapisywane w formie:

<symbol_nieterminalny> ::= <symbol_terminalny> | <symbol_nieterminalny>

Poniżej znajduje się przykład użycia notacji BNF do opisania składni prostych wyrażeń:

<wyrażenie> ::= <liczba> | <wyrażenie> + <wyrażenie> | <wyrażenie> * <wyrażenie>
<liczba> ::= 0 | 1 | 2 | ... | 9

W powyższym przykładzie wyrażenie może być pojedynczą liczbą lub sumą bądź iloczynem dwóch wyrażeń. Dzięki notacji BNF możemy precyzyjnie opisać, jak wyglądają poprawne konstrukcje składniowe w języku programowania.

Rozszerzenia BNF: EBNF i inne notacje

W praktyce często używa się rozszerzonej wersji BNF, zwanej EBNF (Extended Backus-Naur Form), która jest bardziej zwięzła i oferuje dodatkowe możliwości, takie jak określanie powtarzalności i opcjonalności elementów. EBNF pozwala na użycie symboli takich jak:

[]: oznacza element opcjonalny,
{}: oznacza powtarzający się element,
|: oznacza alternatywy.

Oto przykład użycia EBNF:

<wyrażenie> ::= <liczba> { ("+" | "-") <liczba> }

W powyższym przykładzie wyrażenie może być pojedynczą liczbą lub liczbą, po której następuje jedno lub więcej wyrażeń w postaci dodawania lub odejmowania innych liczb.

Inne notacje do opisu składni

Oprócz BNF i EBNF istnieją również inne notacje, takie jak ABNF (Augmented Backus-Naur Form), która jest używana w specyfikacjach protokołów internetowych, oraz różne systemy wyrażeń regularnych stosowane do analizy tekstów. Każda z tych notacji ma swoje zastosowania i jest używana w różnych kontekstach programistycznych.

Dlaczego składnia jest tak ważna?

Składnia jest kluczowa dla każdego programisty, ponieważ każde naruszenie reguł składniowych prowadzi do błędów kompilacji lub działania programu. Kompilatory są bardzo rygorystyczne w stosunku do składni, ponieważ muszą jednoznacznie zrozumieć kod, aby móc go przetłumaczyć na język maszynowy. Nawet najmniejszy błąd, taki jak brakujący średnik, może spowodować, że program nie będzie się kompilował.

Ponadto składnia jest fundamentem współczesnych narzędzi programistycznych, takich jak edytory kodu, które oferują podpowiedzi składniowe i automatyczne formatowanie. Zrozumienie składni pozwala lepiej korzystać z tych narzędzi i pisać kod bardziej efektywnie.

Przykłady składni w różnych językach programowania

Język C++

W C++ składnia jest dość rygorystyczna i wymaga m.in. deklarowania typów zmiennych. Przykład składni w C++:

#include <iostream>

int main() {
    int liczba = 10;
    std::cout << "Liczba to: " << liczba << std::endl;
    return 0;
}

W powyższym przykładzie każda instrukcja musi kończyć się średnikiem, a bloki kodu są oznaczane klamrami {}. Nawet jedno drobne przeoczenie, takie jak brak średnika, spowoduje błąd składniowy.

Język Python

W Pythonie składnia jest bardziej zwięzła i wykorzystuje wcięcia do oznaczania bloków kodu zamiast nawiasów klamrowych:

def funkcja():
    liczba = 10
    print("Liczba to:", liczba)

Brak odpowiednich wcięć lub nieprawidłowe ich użycie również spowoduje błąd składniowy, mimo że w Pythonie nie używa się średników ani klamr.

Podsumowanie

Opis składni języka programowania za pomocą formalnych notacji, takich jak BNF czy EBNF, jest niezbędny dla zrozumienia, jak działa kompilator oraz jak pisać poprawny kod. Składnia zapewnia, że programy są czytelne dla komputera i mogą być bezbłędnie przetwarzane. Dzięki tej lekcji zrozumiesz, jak ważne jest przestrzeganie reguł składniowych i jak narzędzia te pomagają w tworzeniu solidnych, bezbłędnych programów.

Następny temat ==> Składnia i semantyka: Co oznaczają instrukcje?