Download (1405Kb)

Kapitel 1
Einleitung
Eine Programmiersprache besteht aus zwei Komponenten: ihrer Syntax und ihrer Semantik.
Die Syntax beschreibt die Struktur eines wohlgeformten Programms, d.h. sie besagt, welcher Text
überhaupt ein Programm ist. Diese Eigenschaft muß entscheidbar sein.
Die Semantik ordnet jedem Programm seine Bedeutung zu. Hierbei ist zu beachten, daß einerseits
diese Zuordnung selbst als Semantik der Programmiersprache, andererseits aber auch die Bedeutung
eines Programms als Semantik des Programms bezeichnet wird. Im allgemeinen besitzen mehrere
verschiedene Programme die gleiche Semantik.
Lehrbücher vermitteln die Semantik einer Programmiersprache durch Erklärungen und Beispiele.
Zum Erlernen einer neuen Programmiersprache ist eine derartige informale Beschreibung sicherlich
gut geeignet. Eine vollständige, eindeutige und möglichst nicht zu umfangreiche Definition der
Semantik einer Programmiersprache ist so jedoch nicht erreichbar. Die eingeschränkte Portabilität
von Programmen — auch bei standardisierten Programmiersprachen wie Fortran, Pascal oder C
— zeigt das Problem in der Praxis auf. Einige Aspekte werden in solchen Semantiken oft auch
überhaupt nicht definiert, wie beispielsweise das Verhalten beim Zugriff auf ein Array-Element mit
einem Index außerhalb des vorgegebenen Bereichs. Dies widerspricht jedoch unserer Forderung, daß
die Semantik jedem syntaktisch korrekten Programm eine Bedeutung zuordnen soll. Da das Vorhandensein
eines fehlerhaften Array-Zugriffs auch nicht entscheidbar ist, kann ein solches Programm
auch nicht als syntaktisch fehlerhaft betrachtet werden.
Dagegen bauen formale Semantiken auf bekannten, wohlverstandenen mathematischen Strukturen
auf. Sie ermöglichen die eindeutige und vollständige Definition einer Semantik zur Standardisierung
einer Programmiersprache. Damit unterstützen sie die Entwicklung korrekter Interpreter
und Compiler. Im Zusammenhang mit der Implementierung stehen auch semantikerhaltende
Transformationen eines Programms zu Optimierungszwecken, deren Korrektheit erst mit formalen
Semantiken beweisbar ist. Zur formalen Verifikation von Programmen sind formale Semantiken unverzichtbar.
Schließlich führt eine formale Semantik auch zu einem viel größeren Verständnis einer
Programmiersprache.
Imperative Programmiersprachen sind am Modell der Von-Neumann-Maschine orientiert. Ihre
Semantiken lassen sich zwar formal beschreiben — insbesondere mit den sogenannten axiomatischen
Semantiken —, aber in der Praxis sind derartige Semantiken sehr aufwendig und daher kaum
einsetzbar.
Funktionale Programme sind dagegen maschinenunabhängige Spezifikationen. Wir wollen hier
auf die Schilderung der sich daraus ergebenden Vorteile bezüglich der Anwendungsnähe und flexibleren
Implementierbarkeit verzichten. Da funktionale Programmiersprachen aus mathematischen