Волченков Логическое программирование язык пролог 2015

test3("весеннего"). test4("индиго").

Четыре предложения программы, относящиеся к анализу окончания, соответствуют четырём случаям: окончание может состоять из одной, двух, трёх букв или его вообще нет.

Анализ основы – это «сбор» всех оставшихся букв в один список методом входящей рекурсии.

Процедуру поиска в словаре fid/4 можно взять из кода 7.1. После отработки целевых утверждений

будут возвращены следующие значения переменной Res:

Res = morf(osnova(красн), okonch(pril:pad(именит): chislo(множ), ые))

Res = morf(osnova(распрекрасн), okonch(pril:pad(родит): rod(жен), ой))

Res = morf(osnova(весенн), okonch(pril:pad(родит): rod(муж), его))

Res = morf(osnova(индиго), okonch(void))

101

3.Синтаксический анализ кодов программ для упрощённой модели языка программирования операторного типа

Наш последний пример синтаксического анализатора взят из книги Л. Стерлинг, Э. Шапиро «Искусство программирования на языке Пролог» [7, гл. 23].

Речь пойдет о возможности использования Пролога для написания компиляторов традиционных языков программирования операторного типа (таких, например, как Паскаль). Сразу же может возникнуть следующий вопрос: «Какой смысл использовать для этой цели тихоходный Пролог?»

Ответить на этот вопрос можно так.

Во-первых, Пролог является «тихоходным» сейчас, будучи реализован на компьютерах с традиционной «фон неймановской» архитектурой. В будущем, в случае реализации на многопроцессорных машинах с высокой степенью распараллеливания, грядущие Пролог-системы по быстродействию не должны будут уступать самым эффективным системам программирования.

Во-вторых, даже в наше время «компиляторы» на Прологе могут служить прототипами будущих реальных систем. В силу наглядности, естественности и лаконичности Пролога в задачах символьного преобразования, его изначальной нацеленности на эффективный синтаксический анализ с широким использованием backtracking'а программирование всех этапов компиляции становится очень быстрым и нетрудоёмким делом. А прототип компилятора можно использовать для исследования его принципиальных возможностей, выявления изъянов и недостатков.

Компиляция программы, написанной на языке высокого уровня (здесь мы рассмотрим очень упрощённый вариант Паскаля – «учебный» язык PL) – это символьное преобразование текста этой программы в объектный код – программу на машинном языке. Компиляция обычно содержит несколько этапов: лексический и синтаксический анализ, генерацию кода, ассемблирование и, наконец, вывод объектной программы из абсолютной объектной структуры.

102

Продемонстрируем лишь один из указанных этапов – синтаксический анализ, так как именно он имеет непосредственное отношение к теме лекции.

На вход синтаксического анализатора поступает результат лексического анализа текста на языке PL – так называемый список лек-

сем (tokens).

Для примера рассмотрим три таких списка, соответствующих трем характерным языковым конструкциям:

program factorial; begin

read value; count := 1; result := 1;

while count < value do begin

count := count + 1; result := result * count end;

write result

end

program test1; begin

write x + y - z/2 end

program test2; begin

if a > b then max := a else max := b end

Эти списки таковы:

L1 = [program, factorial, ';', begin, read, value, ';', count, ':=', 1, ';', result, ':=', 1, ';', while, count, '<', value, do, begin, count, ':=', count, '+', 1, ';', result, ':=', result, '*', count, end, ';', write, result, end]

103

L2 = [program, test1, ';', begin, write, x, '+', y, '-', z, '/', 2, end]

L3 = [program, test2, ';', begin, if, a, '>', b, then, max, ':=', a, else, max, ':=', b, end]

Синтаксический анализатор, преобразующий списки такого рода в структуры, поступающие на вход генератора кода, представлен

следующим кодом:

Код 7.6

an_plprogram(ResStructure) --> [program], an_identifier(_), [';'], an_statement(ResStructure).

an_statement((S;Ss)) -->

[begin], an_statement(S), an_rest(Ss).

an_rest((S;Ss)) -->

[';'], an_statement(S), an_rest(Ss). an_rest(void) --> [end].

%Анализ операторов: присваивания (:=),

%условного (if then else),

%цикла с условием (while do), ввода и вывода. an_statement(assign(X, E)) -->

an_identifier(X), [':='], an_expr(E). an_statement(if(T, S1, S2)) -->

[if], an_test(T),

[then], an_statement(S1), [else], an_statement(S2). an_statement(while(T, S)) -->

[while], an_test(T), [do], an_statement(S).

an_statement(read(X)) --> [read], an_identifier(X). an_statement(write(X)) -->

[write], an_expr(X).

%Анализ "псевдоарифметических" выражений. an_expr(X) --> an_constant(X).

an_expr(expr(Op, X, Y)) -->

104

an_constant(X), an_arithmetic_op(Op), an_expr(Y).

% Анализ "констант" - идентификаторов и целых чисел an_constant(name(X)) -->

an_identifier(X). an_constant(number(X)) -->

an_integer(X).

an_identifier(X) -->

an_arithmetic_op(Op) --> [Op], {member(Op,['+','-','*','/'])}.

an_comparison_op(Op) --> [Op],

{member(Op,['=','<>','>','>=','<','<='])}.

В результате анализа трех приведенных выше списков лексем получаются следующие три структуры:

1)read(value); assign(count, number(1)); assign(result, number(1)); while(compare('<', name(count), name(value)), (assign(count, expr('+', name(count), number(1))); assign(result, expr('*', name(result), name(count))); void)); write(name(result)); void

2)write(expr('+', name(x), expr('-', name(y), expr('/', name(z), number(2))))); void

3)if(compare('>', name(a), name(b)), assign(max, name(a)), assign(max, name(b))); void

105

Полученные структуры таковы, что их уже можно «чисто технически», то есть, сравнительно легко интерпретировать с точки зрения реализации заложенного в них «алгоритмического смысла»: выполнить генерацию кода, ассемблирование и вывод объектной программы из абсолютной объектной структуры.

Отметим, что рассмотренный пример синтаксического анализатора использует довольно сильные упрощения и «огрубления». Так, арифметические выражения не являются таковыми в привычном толковании: выражение «x*2 + y» здесь будет интерпретироваться как «x*(2 + y)»; константами могут быть только идентификаторы или целые числа и т.д.

Рассмотренный пример завершает тему грамматического разбора на Прологе. В трех лекциях обсуждались различные примеры использования так называемого нисходящего грамматического разбора, идея которого наиболее близка идее самого Пролога. Надо сказать, что нисходящий разбор более эффективен, нежели восходящий, однако в некоторых случаях он неприменим.

О системах восходящего разбора можно прочитать в книге Дж. Малпаса «Реляционный язык Пролог и его применение» [6]. Однако, как считает автор, применение Пролога для реализации восходящих методов синтаксического анализа выглядит несколько искусственным, так как эксплуатирует процедурную сторону Пролога, которая не демонстрирует его преимуществ перед другими языками программирования.

В заключение отметим, что на Прологе написаны интерпретаторы общепринятых языков запросов к базам данных, о чем также можно прочитать в упомянутой книге Дж. Малпаса. Следующая лекция как раз и будет посвящена обсуждению естественной связи, которая просматривается между концепцией реляционных баз данных и Прологом.

106

Лекция 8

Пролог и базы данных

Будучи языком, основанном на логике предикатов первого порядка, Пролог может быть легко приспособлен для интерпретации моделей реляционных баз данных. В настоящей лекции затронуты вопросы, связанные с так называемыми дедуктивными базами данных. Рассмотрены понятия экстенсиональной и интенсиональной базы данных. Обсуждается трактовка фактов и правил Пролога как данных, возможность их изменения в ходе работы программы. Рассказывается о том, как писать утилиты для пользователя, работающего со сложными фактами; об интерпретации операций реляционной алгебры на Прологе на примере операции проекции с использованием глобальных переменных; о некоторых других применениях глобальных переменных.

1. Пролог и реляционные базы данных

Общепринятое понятие базы данных неразрывно связано с по-

нятием системы управления базой данных (СУБД). Под первым понимается совокупность взаимосвязанных данных, используемых одним или несколькими приложениями под управлением некоторой СУБД. Под вторым понимается программная система, обеспечивающая определение физической и логической структуры базы данных, ввод информации и доступ к ней.

В Прологе понятие «база данных» имеет несколько иной, более «узкий» смысл. Как было отмечено в Лекции 2, базой данных Пролога называется множество определений предикатов или просто определений – упорядоченных совокупностей фактов и правил, которые в равной степени доступны Пролог-системе, осуществляющей логический вывод, то есть интерпретацию утвержденийзапросов.

Напомним, что каждое определение базы данных Пролога имеет как декларативную, так и процедурную интерпретацию. Иными словами, с одной стороны, определение базы данных описывает логические свойства некоторой предметной области или проблемной среды, а с другой – может трактоваться как процедура (описание процесса обработки некоторых структур данных). В данной

107

лекции будет идти речь о базах данных Пролога в контексте декларативной трактовки входящих в них определений.

Следуя указанной трактовке, можно проследить связь баз данных Пролога с так называемыми реляционными базами данных, под которыми будем подразумевать, следуя общепринятому пониманию, базы данных в «широком» смысле, логически организованные как набор отношений (двумерных таблиц).

Действительно, отношение как двумерная таблица, имеющая n строк, m столбцов и имя p, может быть представлено с помощью n фактов, имеющих спецификацию p/m. Строго говоря, отношение не есть таблица, так как строки в таблице (как и факты в определении Пролога) упорядочены, чего нельзя сказать об элементах множества, коим является отношение. Таким образом, определения Пролога даже ближе к таблицам, чем отношения в строгом понимании.

2. Экстенсиональная и интенсиональная базы данных

Пролог позволяет хранить данные не только в явном виде в форме последовательностей фактов, о чем было только что сказано, но и неявно в форме правил, с помощью которых логически (дедуктивно) эти данные могут быть выведены, если в них обнаружится потребность. В первом случае говорят об экстенсиональной базе данных (ЭБД), во втором – об интенсиональной базе данных (ИБД).

Следует отметить, что для пользователя нет никакой разницы, к какой базе данных, ЭБД или ИБД, он обращается со своим запросом. Ответ на него будет получен как одно из возможных решений, построенных в результате логического вывода.

Соединение идеологии реляционных баз данных с возможностями логического программирования, которыми, бесспорно, обладает язык Пролог, приводит к так называемым дедуктивным базам данных.

Пример 8.1.

Пусть ЭБД содержит факты

parent('Иван', 'Галина'). parent('Дарья', 'Галина'). parent('Дарья', 'Софья'). parent('Галина', 'Николай'). parent('Николай', 'Елена').

108

ИБД содержит правила

ancestor(X, Y) :- parent(X, Y).

ancestor(X, Y) :- parent(X, Z), ancestor(Z, Y).

При ответе на запрос пользователя

?-ancestor(X, 'Елена').

будет использована одна из строк (один из кортежей) неявно присутствующего в ИБД отношения ancestor/2:

ancestor('Николай', 'Елена').

Многократно вынуждаемый возврат – требование поиска других ответов на данный запрос – побудит использовать другие строки этого отношения (но, разумеется, не все, всего их в данном отношении 10):

ancestor('Галина', 'Елена'), ancestor('Иван', 'Елена'), ancestor('Дарья', 'Елена').

Надо сказать, что при поиске ответа на запрос отношение целиком не строится – ищется лишь одна его строка.

В адрес Пролога высказывается критика относительно его возможностей для реализации дедуктивных баз данных. В частности, Л. А. Калиниченко, редактор перевода книги «Логическое программирование и базы данных» [8], утверждает, что Пролог, якобы, не может выдавать в качестве ответа на запрос всё множество кортежей, а выдает лишь отдельные кортежи.

На это замечание можно возразить (по крайней мере, по отношению к системам LPA Prolog): такие встроенные предикаты как bagof/3 и setof/3 позволяют получать сразу все множество ответов на данный запрос!

Ввиду того, что факты и правила определений Пролога можно трактовать как данные (ЭБД и ИБД), необходимо рассмотреть возможности внесения изменений в эти базы данных. Для этой цели

109

служат «встроенные» предикаты Пролога: assert/1, asserta/1, retract/1.

Первые два из них предназначены для добавления в базу данных Пролога новых фактов и правил. Они безвозвратного действия, первый из них добавляет факт или правило в конец соответствующего определения, второй – в начало. (Для предиката assert/1 есть синоним: assertz/1.)

Третий предикат возвратного действия, с помощью него из базы данных удаляется факт или правило, сопоставимое с его аргументом. Если таковых нет, цель retract/1 дает отказ.

К сожалению, предикаты добавления в базу данных могут создавать «дубликаты» – повторяющиеся факты. Чтобы избежать это-

го, можно определить другой предикат добавления фактов (код

8.1).

Код 8.1

assert_new_fact(Fact) :- call(Fact), !.

assert_new_fact(Fact) :- !, assert(Fact).

3. Глобальные переменные

Одно из применений перечисленных выше предикатов – реализация механизма глобальных переменных в Прологе.

По этому поводу необходимо сделать следующее замечание. В Прологе все переменные принципиально являются локальными – они локализованы внутри одного утверждения (факта, правила или целевого утверждения). Как только переменная «означивается», все ее вхождения в данное утверждение получают то же значение.

Иногда бывает крайне желательно передавать какие-то значения из одного места программы в другое, явно не связанное с первым. Для этой цели можно предложить такой механизм: в базу данных с помощью предиката assert/1 заносится факт bag/2, первый аргумент которого – это имя глобальной переменной, а второй – ее значение. В ходе работы программы можно, по необходимости, извлекать по имени глобальной переменной ее значение, используя всё

110