68839

Автомати з магазинною пам’яттю

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Але на відміну від МНПмашини память МПавтомата побудована за принципом організації стека. Елементи інформації зберігаються та використовуються як патрони у автоматичній зброї тобто у кожний момент доступний тільки верхній елемент магазину.

Украинкский

2014-09-26

132 KB

9 чел.

Лекція 9
Автомати з
магазинною пам’яттю

З контекстно-вільними граматиками тісно  пов’язані  автомати  з  магазинною  пам’яттю  (МП-автомати). Розглядаючи   ці   об’єкти неформально, можна  сказати,  що вони уявляють собою модель обчислювальної машини з нескінченою пам’яттю.  Але  на  відміну  від  МНП-машини пам’ять  МП-автомата побудована за принципом  організації стека. Елементи інформації зберігаються та використовуються, як  патрони у автоматичній зброї, тобто у кожний момент доступний тільки верхній елемент магазину. Можна сказати, що МП-автомат утворюється поєднанням скінченого автомату (або керуючого пристрою зі скінченою пам’яттю) з нескінченою магазинною (або  стековою  пам’яттю). Часто вважають, що вхідні  символи,  які  надходять  на  вхід  автомату, знаходяться на вхідній стрічці, і автомат їх читає. Так само можна вважати, що і  стек  розташований  на  спеціальній  стрічці.  Умовне  зображення МП-автомату показано на рис.9.1.

 МП-автомат можна розглядати як спеціальний тип машини Тюрінга, тобто машини, що працює під керуванням конкретної програми. Команди цієї програми визначають зміну станів керуючого пристрою та  вмісту  стека.

Автомат з магазинною пам’яттю

Формальне означення автомату магазинного типу

Формально автомат магазинного типу визначається як шістка

R = (Q, , Γ, , q0, Z0 ),

де Q - скінчена множина станів керуючого пристрою;  - скінчений  вхідний алфавіт; Γ - скінчений алфавіт магазинних символів; - функція переходів, що є таким відображенням 

       : Q x (  {}) х Γ  (Q х Γ*), де 

(Q х  *) - множина підмножин прямого добутку  Q  та  Γ * ; q0  Q  -  початковий стан керуючого пристрою; Z0  Γ - символ, що знаходиться у магазині у початковий момент (початковий символ).

    Означення  9.1.  Конфігурацією   МП-автомату   R    називається  трійка 

(q, w, )  Q х * х Γ * , 

де  q - поточний стан керуючого пристрою;  w - непрочитана частина вхідного рядка; перший символ рядка   w   знаходиться  під  головкою  читання; якщо  w = , вважають, що весь вхідний рядок прочитаний;  - вміст магазину; найлівіший символ рядка -  це  верхній  символ  магазину; у випадку   = , вважають, що магазин пустий.  

       Такт (крок)   роботи    МП-автомату  R  будемо уявляти як бінарне  відношення    на множині конфігурацій. Будемо писати  (q, av, z) (q, v, γ),

якщо  (q, γ)  (q, a, z),  де   q, q  Q,  a    {},  v  *,  z  Γ,  , γ  Γ *.

Аргументи  функції   утворюють трійку (q, a, z), що  називається поверхневою конфігурацією автомату.  

    Якщо  а  , то у поданому  такті   МП-автомат, маючи керуючий пристрій у стані  q, символ  а  під  головкою  читання  та   z   у  вершині стеку, змінює стан керуючого пристрою на q, зсовує вхідну головку на одну комірку  праворуч  і  замінює  верхній  символ  стеку рядком  γ  магазинних символів. При γ =  верхній  символ  просто вилучається.

У випадку, коли  а = , кажуть, що має місце  -такт. У -такті  поточний  вхідний  символ  не  розглядається  і  вхідна  головка  не  зсовується. Однак, стан керуючого пристрою і вміст  магазину  перетворюються згідно з функцією .

 Звичайним  чином   визначаються   відношення  i для   усіх  невід’ємних цілих  і,  * та  +.

Початковою   конфігурацією    МП-автомату  R  називається  конфігурація вигляду  (q0, w, Z0),  де  w  *.

Заключна  конфігурація - це  конфігурація  вигляду  (q, , ),  де  q  Q.  

Означення 9.2. Кажуть, що рядок  w   приймається   МП-автоматом  R, якщо  (q0, w, Z0) * (q, , ).  

Означення 9.3. МП-автомат  R представляє мову  L(R), коли  L(R)  є  множиною усіх рядків, що приймаються автоматом  R.  

Для того, щоб фіксувати момент, коли прочитаний увесь вхідний рядок, застосовують спеціальний символ ““ - маркер кінця рядка, який записують вкінці.   Аналогічно,   для фіксації  пустого   стеку  використовують символ “ “    - маркер дна стеку.  

Приклади  МП-автоматів

Розглянемо приклади  МП-автоматів.

Приклад 1. Нехай подано мову  L1 = {0n1n | n  0}. Тоді автомат  R1, що представляє мову  L1, має вигляд

R1 = ({q0, q1}, {0, 1}, {S, 0}, , q0, S), 

де 

  1.   (q0, 0, S)  = {(q0, 0)},

                                                2)   (q0, 0, 0) = {(q0, 00)},  

                                                     3)   (q0, 1, 0) = {(q1, )},  

                                                4)   (q1, 1, 0) = {(q1, )}. 

Припустимо, що на вхід надходить рядок  0011. Тоді

           (q0, 0011, S) (q0, 011, 0) (q0, 11, 00) (q1, 1, 0) (q1, , ). 

Отже, рядок приймається. Коли на вхід надходить  0101, маємо

(q0, 0101, S) (q0, 101, 0) (q1, 01, ).

Одержуємо конфігурацію, з якої  перехід  автомату не означений. У цьому випадку вважають, що автомат потрапити у заключну конфігурацію не може, і вхідний рядок автоматом не приймається.

Приклад 2. Подано мову  L2 = {wwr | w  (a, b}+},

де  wr  - рядок, що складається з  символів  рядка  w, записаних  у  зворотному  порядку, тобто якщо  w = s1 s2 … sk,  то  wr =  sk sk-1 … s1. МП-автомат, що прдставляє цю мову, можна уявити у вигляді

R2 = ({ q0, q1}, {a, b}, {S, a, b}, , q0, S ),

 де 

                                               1) (q0, a, S) = {( q0, a)},

                                               2) (q0, b, S) = {(q0, b)},

                                          3) (q0, a, a) = {(q0, aa), (q1, )},  

                                          4) (q0, a, b) = {(q0, ab)},

                                          5) (q0, b, a) = {(q0, ba)}, 

                                          6) (q0, b, b) = {(q0, bb), (q1, )},

                                          7) (q1, a, a) = {(q1, )},

                                          8) (q1, b, b) = {(q1, )}.

Роботу  МП-автомату R2 можна уявити таким чином. Спочатку R2 створює у магазині копію деякої частини вхідного рядка за  правилами  1), 2), 4) та 5) і першими альтернативами правил 3), 6). Кожного разу,  коли наступний вхідний символ співпадає з попереднім, створюється додатковий екземпляр автомату, який  починає  порівнювати  прочитану  частину вхідного рядка з наступною. Створенню додаткового екземпляра  автомату  відповідає  друга  альтернатива  правила  3),  або  6), а порівняння виконується за правилами 7) та 8). Якщо деякий додатковий екземпляр автомату виявляє розбіжність символів, то він "вмирає". Інші  продовжують працювати. Якщо після закінчення читання вхідного  рядка  у деякому екземплярі автомату виявляється пустий стек, то цей рядок приймається автоматом.

Легко бачити, що коли  w = s1 s2 ... sn sn sn-1 ... s1,  де  si {a, b},  1  i  n,             то  (q0, w, S)) n (q0, sn, sn-1, … , s1, sn sn-1 ... s1)     (q1, sn-1, sn-2, … , s1, sn-1 sn-2 ... s1) n-1(q1, , ). 

Таким чином,  L2  L(R2). Можна показати, що і  L(R2)  L2. Тому L2 = L(R2).

Зауважимо,   що   хоча   недетермінований    МП-автомат    може  забезпечити  зручне  абстрактне  означення   мови,   для   створення  синтаксичного   аналізатору    на    практиці  застосовується  детермінований автомат.  

Зв’язок між  МП-автоматами і  КВ-граматиками

Спочатку   доведемо   фундаментальну   властивість    поведінки  МП-автомату,  а  саме:  те,  що  відбувається  з  верхнім   символом  магазину, не залежить від того, що знаходиться у магазині  під  цим  символом.

Лема 9.1. Нехай  R = (Q,    ,    , , q0, Z0)  - МП-автомат. Якщо 

(q, w, A) n (q, , ),  

то

(q, w, A) n (q, , ),   A  Γ,    Γ*. 

 Доведення. Скористаємося індукцією за n. Для  n = 1 твердження  очевидне,  оскільки крок  МП-автомату визначається поверхневою конфігурацією. Припустимо, що лема вірна для усіх   n  таких, що  1  n <  k,  і  нехай

(q, w, A) k (q, , ),

Тоді оскільки у кожному такті зі стеку може вилучатися не більше одного (верхнього) символу, відповідна послідовність тактів повинна  мати вигляд

(q, w, A) (q1,  w1,  X1 X2 … Xm) N1(q2,  w2,  X2 X3 … Xm) N2 Nm-1(qm,  wm, Xm) Nm(q, , ),  де  m  1  і   Ni <  k   i | 1 i m.

Внаслідок цього для будь-якого    Γ*  можлива послідовність  

(q, w, A) (q1,  w1,  X1 X2 … Xm) N1(q2,  w2,  X2 X3 … Xm) N2Nm-1

(qm,  wm, Xm) Nm(q, , ).  

Тут у кожному такті, крім першого, використано припущення індукції, а у першому застосовано  те  ж саме  правило, що і  у  попередній  послідовності.

Теорема 9.1. Для кожної  КВ-граматики  G = (N, T, P, S)  існує  такий  МП-автомат  R, що  L(R) = L(G).

Доведення. Побудуємо  R так, щоб він моделював усі ліві виводи у  G. Візьмемо  R = ({q}, T  {}, N  T, , q, S),  де    визначається таким чином:

1) якщо  A    P,    то  (q , )  (q, , A); 

2)   (q, a, a) = {(q, )},   a T.

Покажемо, що

А + w  (q, w, A) + (q, , )                     (9.1) 

Достатність умови доведемо індукцією за числом кроків виводу m. Припустимо,  А  m w. Якщо  m = 1, і  w = а0а1 ...аk  (k  0),  аi  T, i = 1,k , а0 = , то

(q, а0а1 ...аk, A) (q, а1 ...аk, а1 ...аk) k (q, , ).

Тепер припустимо, що  m > 1. Перший крок виводу  А m w  повинен  мати вигляд   А Х1 Х2 ...Хt,  де   Xi  Mi wi  для деякого  Mi < m,  1  i  t,  w1 w2 wt = w,  wi  *. Тоді  (q, w, A) (q, w, Х1 Х2 ...Хt).  

Якщо  Хi  N, то за припущенням індукції   (q, wi, Xi)    + (q, , ).                 

Якщо  Хi  = аj  , то  (q, аj, Xi) (q, , ).  

Об’єднуючи послідовності тактів для усіх  і, з урахуванням леми  9.1 одержуємо   (q, w, A) + (q, , ).                    

Для доведення необхідності покажемо за допомогою індукції за m, що коли   (q, w, A) m (q, , ),  то  А + w.                              

Якщо  m = 1, то з правил побудови    прямує, що  w = , і  А     Р. Припустимо, що твердження вірне для усіх  m  таких, що  1  m < k,   і  

(q, w, A) k (q, , ).

Тоді перший такт, зроблений  МП-автоматом  R, повинен мати вигляд 

(q, w, A) (q, w, Х1 Х2 ...Хt ),

причому  (q, wi, Хi) Mi (q, , )   для усіх  1 і  t, w = w1 w2wt,  wi  * (на підставі леми  9.1).  Це означає, що  А Х1 Х2 ...Хt  Р, і за  припущенням індукції  Хi + wi   для  Хi   N. Якщо  Хi  , то  Хi 0 wi . Таким чином, одержуємо  А Х1 Х2 ...Хt * w1 Х2 ...Хt  *    ...  * w1 ... wt-1Хt  w1 ... wt-1wt =  w  -  вивід рядка  w  з  А  у граматиці  G.

З  (9.1)  випливає, що  S  + w  тоді і тільки тоді, коли (q, w, S) + (q, , ).                  

Отже  L(R) = L(G).

Розглянемо як приклад  МП-автомат  R0,  для якого  L(R0) = L(G0), де G0 - граматика арифметичних виразів:  G0  = ( {E, T, F}, {a, (, ), +, *}, P, E), і  Р  складається з продукцій

1. Е   Е + Т | Е

                                                          2. T T * F | F

                                                          3. А  (E) | x

MП-автомат  R0  можна уявити у вигляді

R0  = ({q}, {x, +, *, (, )}, {E, T, F, x, +, *, (, )}, , q, E),

де     визначається таким чином

            1) (q, , E) = { (q, E+T), (q, T) };

            2) (q, , E) = { (q, T*F), (q, F) };

            3) (q, , E) = { (q, (E)), (q, a) };

            4) (q, a, a) = { (q, ) }, a {x, +, *, (, ) }.

При вході  x + x * x  для  R0  серед  інших  можлива  така  послідовність тактів   (q, x+x*x, E) (q, x+x*x, Е+T) (q, x+x*x, T+T) (q, x+x*x, F+T)       (q, x+x*x, x+T) (q, +x*x, +T) (q, x*x, T) (q, x*x, T*F) (q, x*x, F*F)  

(q, x*x, x*F) (q, *x, *F) (q, x, F) (q, x, x) (q, , ).

Як бачимо, робота  МП-автомату  R0  відповідає  лівому  виводу  рядка  x + x * x  з  символу  Е  у  КВ-граматиці G0.

Тип синтаксичного аналізу, що виконує  МП-автомат,  побудований  за теоремою 9.1,  називається  "низхідним  аналізом",  або  аналізом  "зверху униз", чи прогнозуючим. Під час такого аналізу дерево виводу  будується, починаючи з кореня, у напрямку зверху униз, і кожний такт  можна трактувати як передвіщення чергового кроку лівого виводу.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35449. Gone with the wind. My Favourite Film 17.43 KB
  I don't like horror films nd I find them quite disgusting. Sometimes I my wtch police drm or historicl film but I'm not very keen on these types of films. Now let me tell you bout one of my fvourite films Gone with the wind by the novel by Mrgret Mitchell.
35450. Высшая нервная деятельность детей на протяжении первых 3 лет жизни 13.23 KB
  Высшая нервная деятельность детей раннего возраста характеризуется неуравновешенностью двух основных нервных процессов: процессы возбуждения преобладают над процессами торможения. В поведении детей много широко разлитых иррадиированных реакций. Поэтому нельзя требовать от детей быстрого прекращения начатого ими действия или выполнения какоголибо движения и быстрого переключения с одного действия на другое.
35451. Условные и безусловные рефлексы 10.8 KB
  Безусловные рефлексы природный запас готовых стереотипных реакций организма. Безусловные рефлексы одинаковы у всех особей одного вида. Условные рефлексы Но поведение высших животных и человека характеризуется не только врожденными т.
35452. Мотивация и емоции 10.94 KB
  На основании мотиваций формируется поведения ведущее к удовлетворению исходной потребности. Под эмоциями следует понимать определенное состояние организма человека и высших животных которое формируется под влиянием внешней или внутренней потребности или мысленного представления и сопровождается комплексом соматических и вегетативных сдвигов имеющих адаптационное значение. Таким образом эмоции следует рассматривать в качестве своеобразной приспособительной реакции которая формируется в процессе эволюции.
35453. Рост и развитие косной ткани 13.28 KB
  Можно выделить две различающиеся по происхождению группы костей. Большая часть костей нашего тела развивается на месте хряща. После этого продольный рост костей возможен в ограниченных пределах за счет суставного хряща покрывающего эпифизы на поверхности обращенной в полость сустава.Рост костей в толщину происходит по их поверхности.
35454. Двигательный режим учащихся и вред гиподинамии 14.08 KB
  Суточная двигательная активность детей может быть выражена в объеме естественных локомоций. Например у мальчиков 1415 лет по сравнению со школьниками 89 лет суточная двигательная активность увеличивается более чем на 35 а объем выполненной при этом работы на 160. Естественная суточная активность девочек ниже чем мальчиков. Девочки в меньшей мере проявляют двигательную активность самостоятельно и нуждаются в большей доле организованных форм физического воспитания.
35455. Художественное объединение «Мир искусства» 3.55 MB
  Бенуа и театральный деятель С. Бенуа объединение Мир искусства редактировал одноимённый журнал с 1898 по 1904 и сам писал искусствоведческие статьи. Историкохудожественную выставку русских портретов в Петербурге 1905; Выставку русского искусства в Осеннем салоне в Париже с участием произведений Бенуа Грабаря Кузнецова Малявина Репина Серова Явленского 1906 и др. Бенуа Александр Николаевич 1870 1960 Алекса́ндр Никола́евич Бенуа́ 21 апреля 3 мая 1870 9 февраля 1960 русский художник историк искусства художественный...
35456. Архитектура ЭВМ и систем 2.16 MB
  Выполнение типичной команды можно разделить на 5 ступеней: 1 выборка команды IF; 2 декодирование команды и чтение операндов РОН ID; 3 выполнение команды EX; 4 обращение к памяти MEM; 5 запоминание результата WB. Другая проблема: обращение к одному ресурсу памяти чтобы выбрать две команды. Для наращивания системы есть слоты расширения на шине ISA; КШ контроллер шины системный контроллер; КВУ контроллер внешних устройств; КОЗУ контроллер ОЗУ регенерация динамической памяти; К контроллер на базе специализированных 8...
35457. Глобальные сети, Структура глобальной сети. Интернет. Услуги Интернет 788.5 KB
  Синтаксис HTML. Структура HTMLдокументов HTML это язык гипертекстовой разметки. HTML можно использовать для представления: гипертекстовых новостей почты и сопутствующей гиперсреды картинки музыка; меню с опциями; результатов запросов к БД; структурированных документов со встроенной графикой аудио и видео и т. Ссылки на символы в HTML могут принимать две формы: Числовые десятичные или шестнадцатеричные D и xH; Комбинации символов escпоследовательности.