Мова та метамова
1. Мова: вирази та їх семантика
У попередніх розділах було описано означення, вирази й оператори мови Паскаль. Очевидно, всі вони мають визначену структуру, або синтаксис. Не можна, наприклад, ім'я типу в означенні записати перед іменами змінних, або написати вираз із двома відкриваючими й однією закриваючою дужками. Якщо в нашій програмі будуть подібні дурниці, то її трансляція завершиться невдало, і замість машинної програми ми одержимо образливі повідомлення про помилки.
Очевидно, що правила запису Паскаль-програм існують, і якимсь чином вони втілені в трансляторі його авторами. Але щоб "навчити комп'ютер" хоча б відрізняти правильні програми від неправильних, необхідно чітке формулювання правил їхнього запису. Ось чому ми почнемо знайомитися з формальними системами описання структури конструкцій мов програмування.
Мова Паскаль, як і всяка мова, – це система позначень, призначена для передачі якогось змісту. Кожна мова починається з алфавіту і містить у собі правила утворення найпростіших виразів мови (лексем) і правила побудови складніших виразів із більш простих. Ці дві групи правил називаються відповідно лексичною та синтаксичною системами мови.
Виразам мови, починаючи від найпростіших, ставиться у відповідність позначений ними зміст, що й є їхньою семантикою. Наприклад, у мовах програмування семантика числової сталої – це число, подане в комп'ютері, семантика імені змінної – це ділянка пам'яті, стани якої можна змінювати, семантика оператора – дії комп'ютера з виконання цього оператора.
Правила, за якими виразам мови зіставляється зміст, утворюють семантичну систему мови. Розуміти мову – значить уміти зіставити виразу його зміст. Можна сказати, що комп'ютер "розуміє" мову Паскаль за допомогою "перекладача" – програми-транслятора (утім, translator і є англійське "перекладач").
Все сказане стосується не лише мов програмування. І природні мови, і мови запису нот, креслень або географічних карт теж мають алфавіт та правила побудови й "осмислення" виразів. Усім добре знайомі описи структури "правильних" виразів цих мов, починаючи від букварів і шкільних підручників з граматики.
Існують такі описання структури і для мов програмування, причому структура в них задається свого роду формулами, тобто з "математичною точністю". Вивчення однієї з таких систем опису структури ми й почнемо.
2. Метамова БНФ
У кожній мові є своя система понять. Наприклад, будь-який конкретний оператор є представником загального поняття "оператор", будь-яке ім'я – представником поняття "ім'я" тощо. Представники понять, тобто конкретні оператори або імена – це вирази деякої структури (синтаксису). Наприклад, усі імена – це послідовності букв і цифр, що починаються з букви, цілі сталі – послідовності цифр, а кожний оператор присвоювання складається з імені, знака ":=" і виразу. Остання фраза по суті містить три правила: вони описують синтаксис представників понять "ім'я", "стала", "оператор присвоювання" і називаються синтаксичними.
Дамо синтаксичним правилам чіткішу форму. Позначимо поняття словами в <кутових дужках>. Це позначення розглядається як неподільне і називається нетермінальним символом, або нетерміналом, наприклад, <оператор> або <ім'я>. Символи й лексеми мови будемо брати в 'апострофи' або виділяти жирним шрифтом, наприклад, program або ':='. Вони також розглядаються як неподільні і називаються термінальними символами, або терміналами.
Відзначимо, що "термінальний" означає "остаточний", тобто термінали – це і є "остаточні" символи мови. "Нетермінальний", тобто "неостаточний", символ не є символом мови. Він є позначенням представників якогось поняття, а їх структура повинна бути описана синтаксичними правилами. Наприклад, вигляд терміналів '+', ':=' або program зафіксовано в мові Паскаль, а структуру представників понять <оператор присвоювання> або <ім'я> треба описати.
Послідовність, складена з терміналів і нетерміналів, називається метавиразом, наприклад, <ім'я> ':=' <вираз>. Елементи метавиразу, тобто нермінальні й нетермінальні символи, для наочності іноді будемо відокремлювати пропусками. Порожню послідовність позначимо кутовими дужками <>.