Limbaje Formale Automate si Compilatoare

Limbaje Formale, Automate si Compilatoare

Curs 1

LFAC (2013-14) Curs 1 1 / 34

Limbaje Formale, Automate si Compilatoare

Curs:

O.Captarencu: [email protected],

http://www.infoiasi.ro/ ˜ otto/lfac.html

Gh. Grigoras: [email protected]

Laboratoare:

O.Captarencu

A. Moruz: [email protected]

C. Lita: [email protected]

Pagina cursului:

http://www.infoiasi.ro/ ˜ otto/lfac.html

LFAC (2013-14) Curs 1 2 / 34

http://www.infoiasi.ro/~otto/lfac.html

http://www.infoiasi.ro/~otto/lfac.html

Evaluare

7 seminarii, 6 laboratoare;

AS = activitatea la seminar (max 10 puncte);

AL = activitatea la laborator (max 10 puncte);

T1,T2 teste scrise ın saptamanile 8, respectiv ın sesiune;

Punctajul final se obtine astfel:

P = 3 ∗ AS + 3 ∗ AL + 2 ∗ T 1 + 2 ∗ T 2

Conditii miminale de promovare: AS ≥ 5, AL ≥ 5;

Punctaj minim pentru promovare: P ≥ 50;

Nota finala se va stabili conform criteriilor ECTS;

LFAC (2013-14) Curs 1 3 / 34

Evaluare

AS = activitatea la seminar (max 10 puncte)

8 puncte din 2 teste scrise2 puncte activitatea la seminar

AL = activitatea la laborator (max 10 puncte)

1 test scris, 2 teme laborator (note de la 0 la 10)

AL = media celor 3 note

LFAC (2013-14) Curs 1 4 / 34

Tematica cursului I

Limbaje si gramatici

Limbaje regulate; gramatici, automate , expresii regulate

Limbaje independente de context; gramatici, automate pushdown

Masini Turing

LFAC (2013-14) Curs 1 5 / 34

Tematica cursului II

Limbaje de programare: proiectare si implementare

Analiza lexicala

Analiza sintactica

Traducere ın cod intermediar

LFAC (2013-14) Curs 1 6 / 34

Tematica seminarului

Exemple de limbaje si gramatici

Automate finite deterministe, nedeterministe, cu epsilon-tranzitii -

Exemple

Expresii regulate

Gramatici independente de context, arbori de derivare, eliminarea

simbolurilor inutile, eliminarea regulilor de stergere, a

redenumirilor

Forma normala Chomsky, algoritmul CYK

Automate pushdown - exemple

LFAC (2013-14) Curs 1 7 / 34

Tematica laboratorului

Analiza lexicala folosind instrumente de tip LEX

Analiza sintactica folosind instrumente de tip YACC

Interpretor construit cu LEX si YACC

LFAC (2013-14) Curs 1 8 / 34

Bibliografie

Grigoras, Gh. Constructia compilatoarelor - Algoritmi fundamentali, Ed.

Universitatii Al. I. ”Cuza Iasi”, ISBN 973-703-084-2, 274 pg., 2005

Jucan Toader - Limbaje formale si automate, Editura Matrix Rom, Bucuresti,

1999, 162 p.

Jucan Toader, Stefan Andrei Limbaje formale si teoria automatelor. Teorie si

practica, Editura Universitatii Al. I. Cuza, Iasi, 2002, 327p.

Hopcroft, John E.; Motwani, Rajeev; Ullman, Jeffrey D. (2006).Introduction to

Automata Theory, Languages, and Computation(3rd ed.). Addison-Wesley

Stoughton Alley, Formal Language Theory, Kansas State University, Draft of Fall

2007.

Manual LEX, Manual FLEX, Manual YACC, Manual Bison,

Compiler Construction using Flex and Bison

LFAC (2013-14) Curs 1 9 / 34

http://dinosaur.compilertools.net/lex/index.html

http://dinosaur.compilertools.net/flex/index.html

http://dinosaur.compilertools.net/yacc/index.html

http://dinosaur.compilertools.net/bison/index.html

http://foja.dcs.fmph.uniba.sk/kompilatory/docs/compiler.pdf

Limbaje formale

Curs 1

1 Limbaje formale

2 Gramatici

3 Ierarhia lui Chomsky

4 Gramatici si limbaje de tip 3 (regulate)

Proprietati de ınchidere

LFAC (2013-14) Curs 1 10 / 34

Limbaje formale

Alfabet, cuvant, multime de cuvinte

Alfabet: V o multime finita (elemente lui V = simboluri )

Simbolurile le vom nota a, b, etc.

LFAC (2013-14) Curs 1 11 / 34

Limbaje formale




Cuvant: sir finit de simboluri

cuvintele le vom nota u, v , w ...

cuvantul nul notat ǫ sau λ

LFAC (2013-14) Curs 1 11 / 34

Limbaje formale







Lungimea unui cuvant u: numarul simbolurilor sale. Notatie: |u|

|ǫ| = 0

LFAC (2013-14) Curs 1 11 / 34

Limbaje formale








|ǫ| = 0

V ∗ - multimea tuturor cuvintelor peste alfabetul V , inclusiv ǫ

{0, 1}∗ = {ǫ, 0, 1, 00, 01, 10, 11, 000, 001, ...}

LFAC (2013-14) Curs 1 11 / 34

Limbaje formale








|ǫ| = 0

V ∗ - multimea tuturor cuvintelor peste alfabetul V , inclusiv ǫ

{0, 1}∗ = {ǫ, 0, 1, 00, 01, 10, 11, 000, 001, ...}

V+ - multimea tuturor cuvintelor nenule peste alfabetul V

{0, 1}+ = {0, 1, 00, 01, 10, 11, 000, 001, ...}

LFAC (2013-14) Curs 1 11 / 34

Limbaje formale

Concatenarea a doua cuvinte x , y : cuvantul x · y obtinut dinsimbolurile lui x , ın ordinea ın care apar, urmate de cele ale lui yde asemenea ın ordinea ın care apar:

x = 0100, y = 100, x · y = 0100100

x = 000, y = ǫ, x · y = 000

LFAC (2013-14) Curs 1 12 / 34

Limbaje formale


x = 0100, y = 100, x · y = 0100100

x = 000, y = ǫ, x · y = 000

Concatenarea este asociativa

ǫ este element neutru

LFAC (2013-14) Curs 1 12 / 34

Limbaje formale


x = 0100, y = 100, x · y = 0100100

x = 000, y = ǫ, x · y = 000



(V ∗, ·) este monoid, se numeste monoidul liber generat de V

LFAC (2013-14) Curs 1 12 / 34

Limbaje formale


x = 0100, y = 100, x · y = 0100100

x = 000, y = ǫ, x · y = 000




Cuvantul v este un prefix al cuvantului u daca ∃w ∈ V ∗,u = vw ;

daca w ∈ V+ , atunci v este un prefix propriu

LFAC (2013-14) Curs 1 12 / 34

Limbaje formale


x = 0100, y = 100, x · y = 0100100

x = 000, y = ǫ, x · y = 000




Cuvantul v este un prefix al cuvantului u daca ∃w ∈ V ∗,u = vw ;

daca w ∈ V+ , atunci v este un prefix propriu

Cuvantul v este un sufix al cuvantului u daca ∃w ∈ V ∗,u = wv ;

daca w ∈ V+, atunci v este un sufix propriu

LFAC (2013-14) Curs 1 12 / 34

Limbaje formale

Limbaj formal

Fie V un alfabet. O submultime L ⊆ V ∗ este un limbaj (formal)

peste alfabetul V (sau V-limbaj) daca L are o descriere finita.

O descriere poate fi:

LFAC (2013-14) Curs 1 13 / 34

Limbaje formale

Limbaj formal



O descriere poate fi:- neformala (ın limbaj natural):

multimea cuvintelor peste alfabetul {0, 1} care contin un numar par

de 0 .

L = {x ∈ V+ : |x |este par}.

{anbn|n ∈ N}.

{w ∈ {0, 1}∗|w se termina in 00}.

LFAC (2013-14) Curs 1 13 / 34

Limbaje formale

Limbaj formal



O descriere poate fi:- neformala (ın limbaj natural):

multimea cuvintelor peste alfabetul {0, 1} care contin un numar par

de 0 .

L = {x ∈ V+ : |x |este par}.

{anbn|n ∈ N}.

{w ∈ {0, 1}∗|w se termina in 00}.

- formala (descriere matematica):

o descriere inductiva a cuvintelor

o descriere generativa a cuvintelor (gramatica generativa)

o descriere a unei metode de recunoastere a cuvintelor din limbaj

(automat finit, automat pushdown, etc.)

LFAC (2013-14) Curs 1 13 / 34

Limbaje formale

Operatii cu limbaje

Operatiile cu multimi (reuniune, intersetie etc)

Produs de limbaje: L1 · L2 = {uv |u ∈ L1, v ∈ L2}

Iteratia (produsul Kleene): L∗ =⋃

n≥0 Ln, unde:

L0 = {ǫ}

Ln+1 = LnL

LR = {wR |w ∈ L}; daca w = a1a2 . . . an, atunci wR = an . . . a2a1

LFAC (2013-14) Curs 1 14 / 34

Gramatici

Curs 1

1 Limbaje formale

2 Gramatici




LFAC (2013-14) Curs 1 15 / 34

Gramatici

Gramatici

Definitie 1

O gramatica este un sistem G = (N,T ,S,P), unde:1 N si T sunt doua alfabete disjuncte

N este multimea neterminalilor

T este multimea terminalilor

2 S ∈ N este simbolul de start (neterminalul initial)

3 P este o multine finita de reguli (productii) de forma x → y, unde

x , y ∈ (N ∪ T )∗ si x contine cel putin un neterminal.

LFAC (2013-14) Curs 1 16 / 34

Gramatici

Derivare

Fie G = (N,T ,S,P) o gramatica si u, v ∈ (N ∪ T )∗.

Spunem ca v este derivat direct (ıntr-un pas) de la u prin aplicarea

regulii x → y , si notam u ⇒ v , daca ∃p,q ∈ (N ∪ T )∗ astfel ıncat

u = pxq si v = pyq

LFAC (2013-14) Curs 1 17 / 34

Gramatici

Derivare




u = pxq si v = pyq

Daca u1 ⇒ u2 . . . ⇒ un, n > 1, spunem ca un este derivat din u1 ın

G si notam u1 ⇒+ un.

LFAC (2013-14) Curs 1 17 / 34

Gramatici

Derivare




u = pxq si v = pyq

Daca u1 ⇒ u2 . . . ⇒ un, n > 1, spunem ca un este derivat din u1 ın

G si notam u1 ⇒+ un.

Scriem u ⇒∗ v daca u ⇒+ v sau u = v .

LFAC (2013-14) Curs 1 17 / 34

Gramatici

Limbaj generat

Definitie 2

Limbajul generat de gramatica G este:

L(G) = {w ∈ T ∗|S ⇒+ w}

LFAC (2013-14) Curs 1 18 / 34

Gramatici

Limbaj generat

Definitie 2

Limbajul generat de gramatica G este:

L(G) = {w ∈ T ∗|S ⇒+ w}

Definitie 3

Doua gramatici G1 si G2 sunt echivalente daca L(G1) = L(G2)

LFAC (2013-14) Curs 1 18 / 34

Gramatici

Exemplu

L = {anbn|n ≥ 1}

Definitia inductiva:

- ab ∈ L- Daca X ∈ L, atunci aXb ∈ L

- Nici un alt cuvant nu face parte din L

LFAC (2013-14) Curs 1 19 / 34

Gramatici

Exemplu

L = {anbn|n ≥ 1}

Definitia inductiva:

- ab ∈ L- Daca X ∈ L, atunci aXb ∈ L

- Nici un alt cuvant nu face parte din L

Definitia generativa:

- G = ({X}, {a, b},X ,P), unde P = {X → aXb,X → ab}- Derivarea cuvantului a3b3:

X ⇒ aXb ⇒ aaXbb ⇒ aaabbb

LFAC (2013-14) Curs 1 19 / 34

Gramatici

Exemplu

L = {anbncn|n ≥ 1}

G = (N,T ,S,P), N = {S,X}, T = {a,b, c}, P consta din:

- (1) S → abc

- (2) S → aSXc- (3) cX → Xc

- (4) bX → bb

Derivarea cuvantului a3b3c3: S ⇒(2) aSXc ⇒(2) aaSXcXc ⇒(1)

aaabcXcXc ⇒(3) aaabXccXc ⇒(4) aaabbccXc ⇒(3)

aaabbcXcc ⇒(3) aaabbXccc ⇒(4) aaabbbccc = a3b3c3

LFAC (2013-14) Curs 1 20 / 34

Ierarhia lui Chomsky

Curs 1

1 Limbaje formale

2 Gramatici




LFAC (2013-14) Curs 1 21 / 34


Clasificarea gramaticilor

1 Gramatici de tip 0 (generale)

Nu exista restrictii asupra regulilor

LFAC (2013-14) Curs 1 22 / 34





2 Gramatici de tip 1 (dependente de context)

reguli de forma pxq → pyq unde x ∈ N, y 6= ǫ, p, q ∈ (N ∪ T )∗

S → ǫ, caz ın care S nu apare ın dreapta productiilor

LFAC (2013-14) Curs 1 22 / 34








3 Gramatici de tip 2 (independente de context)

reguli de forma A → y unde A ∈ N si y ∈ (N ∪ T )∗

LFAC (2013-14) Curs 1 22 / 34








3 Gramatici de tip 2 (independente de context)

reguli de forma A → y unde A ∈ N si y ∈ (N ∪ T )∗

4 Gramatici de tip 3 (regulate)

A → u sau A → uB unde A,B ∈ N si u ∈ T ∗.

LFAC (2013-14) Curs 1 22 / 34


Exemple

Ce tip au urmatoarele gramatici?

G = (N,T ,S,P), N = {S,A,B}, T = {a,b, c}, P:

(1)S → aaAc

(2)aAc → aAbBc

(3)bB → bBc

(4)Bc → Abc

(5)A → a

G = (N,T ,S,P), N = {S,X}, T = {a,b, c}, P:

(1)S → abc

(2)S → aSXc

(3)cX → Xc

(4)bX → bb

LFAC (2013-14) Curs 1 23 / 34


Exemple

FieG = ({E}, {a,+,−, (, )},E , {E → a,E → (E +E),E → (E −E)}).

Ce tip are gramatica G ?Construiti derivari din E pentru cuvintele (a + a) si ((a + a)− a)

Cuvantul (a + a − a) poate fi derivat din E?Descrieti limbajul L(G)

Fie G = ({A,B}, {a,b},A, {A → aA,A → B,B → bB,B → ǫ})

Ce tip are gramatica G ?Descrieti limbajul L(G)

LFAC (2013-14) Curs 1 24 / 34



Un limbaj L este de tipul j daca exista o gramatica G de tipul j

astfel ıncat L(G) = L, unde j ∈ {0,1,2,3}.

Vom nota cu Lj clasa limbajelor de tipul j , unde j ∈ {0,1,2,3}.

Ierarhia lui Chomsky: L3 ⊂ L2 ⊂ L1 ⊂ L0

Incluziunile sunt stricte:

orice limbaj de tip j + 1 este si de tip j ∈ {0, 1, 2}exista limbaje de tip j care nu sunt de tip j + 1, j ∈ {0, 1, 2}

LFAC (2013-14) Curs 1 25 / 34


Proprietati

Fiecare din familiile Lj cu 0 ≤ j ≤ 3 contine toate limbajele finite.

Fiecare din familiile Lj cu 0 ≤ j ≤ 3 este ınchisa la operatia de

reuniune:

L1,L2 ∈ Lj =⇒ L1 ∪ L2 ∈ Lj ,

∀j : 0 ≤ j ≤ 3

LFAC (2013-14) Curs 1 26 / 34

Gramatici si limbaje de tip 3 (regulate)

Curs 1

1 Limbaje formale

2 Gramatici




LFAC (2013-14) Curs 1 27 / 34


Gramatici de tip 3

O gramatica G = (N,T ,S,P) este de tip 3, daca regulile sale sunt

de forma A → u sau A → uB unde A,B ∈ N si u ∈ T ∗.

Exemplu: G = ({D}, {0,1, . . . ,9},D,P)

Unde P este:

D → 0D|1D|2D| . . . |9D

D → 0|1| . . . |9

LFAC (2013-14) Curs 1 28 / 34


Exemple

Fie gramatica G = ({A,B}, {l ,d},A,P)

unde P este:

A → lB, B → lB|dB|ǫ (l = litera, d = cifra)

LFAC (2013-14) Curs 1 29 / 34


Exemple


unde P este:


L(G): multimea identificatorilor

LFAC (2013-14) Curs 1 29 / 34


Exemple


unde P este:



Fie gramatica G = ({A,B}, {+,−,d},A,P)

unde P este:

A → +dB| − dB|dB, B → dB|ǫ (d = cifra)

LFAC (2013-14) Curs 1 29 / 34


Exemple


unde P este:



Fie gramatica G = ({A,B}, {+,−,d},A,P)

unde P este:

A → +dB| − dB|dB, B → dB|ǫ (d = cifra)

L(G): multimea constantelor ıntregi

LFAC (2013-14) Curs 1 29 / 34


Forma normala

O gramatica de tip 3 este ın forma normala daca regulile sale sunt

de forma A → a sau A → aB, unde a ∈ T , si eventual S → ǫ ( caz

ın care S nu apare ın dreapta regulilor).

Pentru orice gramtica de tip 3 exista o gramatica echivalenta ın

forma normala

Se poate arata ca pot fi eliminate regulile de forma A → B (redenumiri) si cele de

forma A → ǫ (reguli de stergere), cu exceptia, eventual a regulii S → ǫ

Orice regula de forma A → a1a2 . . . an se ınlocuieste cu A → a1B1, B1 → a2B2,...,

Bn−2 → an−1Bn−1, Bn−1 → an n > 1, B1, . . . ,Bn−1 fiind neterminali noi

Orice regula de forma A → a1a2 . . . anB se ınlocuieste cu A → a1B1,

B1 → a2B2,...,Bn−2 → an−1Bn−1, Bn−1 → anB, n > 1, B1, . . . ,Bn−1 fiind

neterminali noi

Transformarile care se fac nu modifica limbajul generat de gramatica

LFAC (2013-14) Curs 1 30 / 34

Gramatici si limbaje de tip 3 (regulate) Proprietati de ınchidere

Fie L,L1,L2 limbaje regulate: exista gramaticile G,G1,G2 de tip 3

astfel ca L = L(G),L1 = L(G1) si L2 = L(G2).

Atunci, urmatoarele limbaje sunt de asemenea regulate:

1 L1 ∪ L2

2 L1 · L2

3 L∗

4 LR

5 L1 ∩ L2

6 L1 \ L2

LFAC (2013-14) Curs 1 31 / 34


Inchiderea la reuniune

Fie G1 = (N1,T1,S1,P1) si G2 = (N2,T2,S2,P2) gramatici de tip 3 cu

L1 = L(G1), L2 = L(G2).

Presupunem N1 ∩ N2 = ∅ si gramaticile ın forma normala

Inchiderea la reuniune: se arata ca L1 ∪ L2 ∈ L3:

Gramatica G = (N1 ∪N2 ∪{S},T1 ∪T2,S,P1 ∪P2 ∪{S → S1,S → S2})

este de tip 3 si genereaza limbajul L1 ∪ L2

LFAC (2013-14) Curs 1 32 / 34


Inchiderea la produs

Gramatica G = (N1 ∪ N2,T1 ∪ T2,S1,P) unde P consta din:

regulile de forma A → aB din P1

reguli A → aS2 pentru orice regula A → a din P1

toate regulile din P2

este de tip 3 si genereaza limbajul L1L2

LFAC (2013-14) Curs 1 33 / 34


Inchiderea la iteratie

Fie G = (N,T ,S,P) de tip 3 care genereaza L (L = L(G)).

Presupunem ca simbolul de start S nu apare ın partea dreapta a

vreunei reguli.

Gramatica G′ = (N,T ,S,P ′) unde P ′ consta din

reguli A → aB din P

reguli A → aS, pentru orice regula A → a din P

regula S → ǫ

este de tip 3 si genereaza L∗

LFAC (2013-14) Curs 1 34 / 34

Limbaje Formale Automate si Compilatoare

Documents

Transcript of Limbaje Formale Automate si Compilatoare