4 Statics | 静态语义

约 1042 个字 预计阅读时间 3 分钟

大多数编程语言（无论是编译型还是解释型）从代码到执行之间都可以分为两个阶段：静态 (static) 阶段和 动态 (dynamic) 阶段。静态阶段由 parsing（满足语法） 和 type checking（满足静态语义） 组成，以保证程序是 well-formed 的；动态阶段由 well-formed 程序的执行组成，如果能够正确运行，则程序是 well-behaved 的。

当且仅当 well-formed 的程序在执行时是 well-behaved 的，我们称这种编程语言是 安全 (safe) 的。

书中定义了 E 语言，它的抽象和具体语法如下面的 语法表 (syntax chart) 所示：

上表中规定了一系列 operators 和它们的 arities，例如 let 的 arity 就是 (Exp, Exp.Exp)Exp。

我们在第 1 节提到，语法 (syntax) 规定了如何将各种 phrases(expr, commands / statements, decl, etc.) 组合成程序。在本节的开头我们也提到，在静态阶段，为了保证一个程序是 well-formed 的，我们需要检查它满足语法和静态语义。这里提到的 静态语义 (statics) 由一系列规则组成，这些规则是用来推导 定型判断 (typing judgments) 的。所谓 typing judgments，就是用来陈述某个表达式符合某个类型的判断。

容易理解的是，表达式 plus(x; num[n]) 是否合法，取决于 x 的类型是否是 num。也就是说，phrases 对于其所处的上下文是敏感的。因此，E 的 statics 由形如 \(\vec{x}\ |\ \Gamma\vdash e:\tau\) 的泛型假言判断组成。其中，\(\vec{x} = \text{dom}(\Gamma)\) 是变量的有限集合； \(\Gamma\) 是定型上下文，它对每个 \(x\in \vec{x}\) 有一个形如 \(x:\tau\) 的假设。

如果 \(x\notin \text{dom}(\Gamma)\)，那么我们称 \(x\) 对于 \(\Gamma\) 是新的。这时，我们可以把 \(x:\tau\) 添加到 \(\Gamma\) 中得到 \(\Gamma, x:\tau\)。

E 的 statics 用以下规则定义：

\[\frac{}{\Gamma, x:\tau\vdash x:\tau}\]

\[\frac{}{\Gamma\vdash \text{str}[s]:\text{str}}\]

\[\frac{}{\Gamma\vdash \text{num}[n]:\text{num}}\]

\[\frac{\Gamma\vdash e_1:\text{num}\quad \Gamma\vdash e_2:\text{num}}{\Gamma\vdash \text{plus}(e_1;e_2):\text{num}}\]

\[\frac{\Gamma\vdash e_1:\text{num}\quad \Gamma\vdash e_2:\text{num}}{\Gamma\vdash \text{times}(e_1;e_2):\text{num}}\]

\[\frac{\Gamma\vdash e_1:\text{str}\quad \Gamma\vdash e_2:\text{str}}{\Gamma\vdash \text{cat}(e_1;e_2):\text{str}}\]

\[\frac{\Gamma\vdash e:\text{str}}{\Gamma\vdash \text{len}(e):\text{num}}\]

\[\frac{\Gamma\vdash e_1:\tau_1\quad \Gamma, x:\tau_1\vdash e_2:\tau_2}{\Gamma\vdash \text{let}(e_1; x.e_2):\tau_2}\]

Note

第 2 和第 3 条的 str 和 num 是类型的 引入形式 (introduction form)，确定某个类型的 value 或者说是 canonical form

而后面的若干条则是一些 消去模式 (elimination form)，确定如何使用类型来形成另一种（可能是相同的）类型。

例如，num 类型的引入形式是数，而消去形式是 plus 和 times。

根据上述定义，有如下引理：

引理 4.1（类型唯一性，unicity of typing）：\(\forall\ \Gamma, e\)，至多存在一个 \(\tau\) s.t. \(\Gamma\vdash e:\tau\)。

引理 4.2（定型反转，inversion for typing）：假设 \(\Gamma\vdash e:\tau\)，若 \(e = \text{plus}(e_1;e_2)\)，那么 \(\tau = \text{num}, \Gamma\vdash e_1:\text{num}, \Gamma\vdash e_2:\text{num}\)。对于 times 等其他结构也类似。

引理 4.3（弱化，weakening）：若 \(\Gamma\vdash e':\tau'\)，则对任意 \(x\notin \text{dom}(\Gamma)\)，有 \(\Gamma, x:\tau\vdash e':\tau'\)。

引理 4.4（代换，substitution）：若 \(\Gamma, x:\tau\vdash e':\tau'\) 且 \(\Gamma\vdash e:\tau\)，则 \(\Gamma\vdash [e/x]e':\tau'\)。

从实际的编程语言中理解，\(x:\tau\) 是一棵 ABT，作为一个占位符，在 \(e'\) 中的每次出现表示一个代码片段；而 \(e:\tau\) 是一棵同样类型的 ABT，表示一个代码片段。这里的「代换」其实就实现了函数调用，即 \(x\) 实际上给出的是函数签名，而 \(e\) 则包含了具体的实现。也就是说，这一引理表达了 模块化 (modularity) 和 链接 (linking) 的重要概念。

引理 4.5（分解，decomposition）：若 \(\Gamma\vdash [e/x]e':\tau'\)，则对满足 \(\Gamma\vdash e:\tau\) 的每个类型 \(\tau\)，有 \(\Gamma, x:\tau \vdash e':\tau'\)。

这其实是引理 4.4 的逆操作，表明任何一个（大的）子表达式都可以分割出来形成一个独立模块。

颜色主题调整

red pink purple indigo blue cyan teal green lime orange brown grey black white

评论区~

有用的话请给我个赞和 star =>
快来跟我聊天~