Языки обработки символьной информации.

Лисп.

Язык Лисп был разработан в Стэнфорде под руководством Дж. Маккарти в начале 60-х годов. По первоначальным замыслам он должен был0 включать наряду со всеми возможностями Фортрана средства работы с матрицами, указателями и структурами из указателей и т. п. Но для такого проекта не хватило средств. Окончательно сформированные принципы положенные в основу языка Лисп: использование единого спискового представления для программ и данных; применение выражений для определения функций; скобочный синтаксис языка.[4]

Лисп является языком низкого уровня, его можно рассматривать как ассемблер, ориентированный на работу со списковыми структурами. Поэтому на протяжении всего существования языка было много попыток его усовершенствования за счет введения дополнительных базисных примитивов и управляющих структур. Но все эти изменения, как правило, не становились самостоятельными языками. В новых своих редакциях Лисп быстро усваивал все ценные изобретения своих конкурентов.[2]

После создания в начале 70-х годов мощных Лисп-систем Маклисп Интерлисп попытки создания языков ИИ, отличных от Лиспа, но на той же основе, сходят на нет. Дальнейшее развитие языка идет, с одной стороны, по пути его стандартизации (Стандарт-Лисп, Франц-Лисп, Коммон Лисп), а с другой - в направлении создания концептуально новых языков для представления и манипулирования знаниями в Лисп среде. В настоящее время Лисп реализован на всех классах ЭВМ, начиная с ПЭВМ и кончая высоко производительными вычислительными системами.

Лисп - не единственный язык, используемый для задач ИИ. Уже в середине 60-х годов разрабатывались языки, предлагающие другие концептуальные основы. Наиболее важные из них в области обработки символьной информации - СНОБОЛ и Рефал.

СНОБОЛ.

Это язык обработки строк, в рамках которого впервые появилась и была реализована в достаточно полной мере концепция поиска по образцу. Язык СНОБОЛ был одной из первых практических реализаций развитой продукционной системы. Наиболее известная и интересная версия этого языка - Снобол-4 Здесь техника задания образцов и работа с ними существенно опередили потребности практики. По существу, он так и остался «фирменным» языком программирования, хотя концепции СНОБОЛа, безусловно, оказали влияние и на Лисп, и на другие языки программирования задач ИИ.

Рефал.

Язык Рефал - алгоритмический язык рекурсивных функций. Он был создан Турчиным в качестве метаязыка, предназначенного для описания различных, в том числе и алгоритмических, языков и различных видов обработки таких языков. При этом имелось в виду и использование Рефала в качестве метаязыка над самим собой. Для пользователя это язык обработки символьной информации. Поэтому, помимо описания семантики алгоритмических языков, он нашел и другие применения. Это выполнение громоздких аналитических выкладок в теоретической физике и прикладной математике, интерпретация и компиляция языков программирования, доказательство теорем, моделирование целенаправленного поведения, а в последнее время и задачи ИИ. Общим для всех этих применений являются сложные преобразования над объектами, определенными в некоторых формализованных языках.

В основу языка Рефал положено понятие рекурсивной функции, определенной на множестве произвольных символьных выражений. Базовой структурой данных этого языка являются списки, но не односвязные, как в Лиспе, а двунаправленные. Обработка символов ближе к продукционной парадигме. При этом Активно используется концепция поиска по образцу, характерная для СНОБОЛа.

Программа написанная на Рефале, определяет некоторый набор функций, каждая из которых имеет один аргумент. Вызов функции заключается в функциональные скобки.

Во многих случаях возникает необходимость из программ, написанных на Рефале, вызывать программы, написанные на других языках. Это просто, так как с точки зрения Рефала первичные функции (Функции, описанные не на Рефале, но которые тем не менее можно вызывать из программ, написанных на этом языке.) - это просто некоторые функции, внешние по отношению к данной программе, поэтому, вызывая какую-либо функцию, можно даже и не знать, что это - первичная функция.

Семантика Рефал-программы описывается в терминах абстрактной Рефал-машины. Рефал-машина имеет поле памяти и поле зрения. В поле памяти Рефал-машины помещается программа, а в поле зрения - данные, которые будут обрабатываться с ее помощью, т. е. перед началом работы в поле памяти заносится описание набора функций, а в поле зрения - выражение, подлежащее обработке.

Часто бывает удобно разбить Рефал-программу на части, которые могут обрабатываться компилятором Рефала независимо друг от друга. Наименьшая часть Рефал-программы, которая может быть обработана компилятором независимо от других, называется модулем. Результат компиляции исходного модуля на Рефале представляет собой объектный модуль, который перед исполнением Рефал-программы должен быть объединен с другими модулями, полученными компиляцией с Рефала или других языков это объединение выполняется с помощью редактора связей и загрузчиков. Детали зависят от используемой ОС.

Таким образом, Рефал вобрал в себя лучшие черты наиболее интересных языков обработки символьной информации 60-х годов. В настоящее время язык Рефал используется для автоматизации построения трансляторов, систем аналитических преобразований, а также, подобно Лиспу, в качестве инструментальной среды для реализации языков представления знаний.[7]

Пролог.

В начале 70-х годов появился новый язык составивший конкуренцию Лиспу при реализации систем, ориентированных на знания - Пролог. Этот язык не дает новых сверхмощных средств программирования по сравнению с Лиспом, но поддерживает другую модель организации вычислений. Его привлекательность с практической точки зрения состоит в том, что, подобно тому, как Лисп скрыл от программиста устройство памяти ЭВМ, Пролог позволил ему не заботится о потоке управления в программе.[8]

Пролог - европейский язык, был разработан в Марсельском университете в 1971 году. Но популярность он стал приобретать только в начале 80-х годов. Это связано с двумя обстоятельствами: во-первых, был обоснован логический базис этого языка и, во-вторых, в японском проекте вычислительных систем пятого поколения он был выбран в качестве базового для одной из центральных компонент - машины вывода.

Язык Пролог базируется на ограниченном наборе механизмов, включающих в себя сопоставление образцов, древовидное представление структур данных и автоматический возврат. Пролог особенно хорошо приспособлен для решения задач, в которых фигурируют объекты и отношения между ними.[9]

Пролог обладает мощными средствами, позволяющими извлекать информацию из баз данных, причем методы поиска данных, используемые в нем, принципиально отличаются от традиционных. Мощь и гибкость баз данных Пролога, легкость их расширения и модификации делают этот язык очень удобным для коммерческих приложений.

Пролог успешно применяется в таких областях как: реляционные базы данных (язык особенно полезен при создании интерфейсов реляционных баз данных с пользователем); автоматическое решение задач; понимание естественного языка; реализация языков программирования; представление знаний; экспертные системы и др. задачи ИИ.[9]

Теоретической основой Пролога является исчисление предикатов. Прологу присущ ряд свойств, которыми не обладают традиционные языки программирования. К таким свойствам относятся механизм вывода с поиском и возвратом, встроенный механизм сопоставления с образцом. Пролог отличает единообразие программ и данных. Они являются лишь различными точками зрения на объекты Пролога. В языке отсутствуют указатели, операторы присваивания и безусловного перехода. Естественным методом программирования является рекурсия.

Пролог программа состоит из двух частей: базы данных (множество аксиом) и последовательности целевых утверждений, описывающих в совокупности отрицание доказываемой теоремы. Главное принципиальное отличие интерпретации программы на Прологе от процедуры доказательства теоремы в исчислении предикатов первого порядка состоит в том, что аксиомы в базе данных упорядочены и порядок их следования весьма существенен, так как на этом основан сам алгоритм, реализуемый Пролог-программы. Другое существенное ограничение Пролога в том, что в качестве логических аксиом используются формулы ограниченного класса - так называемые дизъюнкты Хорна. Однако при решении многих практических задач этого достаточно для адекватного представления знаний. Во фразах Хорна после единственного заключения следует ноль и более условий.

Поиск «полезных» для доказательства формул - комбинаторная задача и при увеличении числа аксиом число шагов вывода катастрофически быстро растет. Поэтому в реальных системах применяют всевозможные стратегии, ограничивающие слепой перебор. В языке Пролог реализована стратегия линейной резолюции, предлагающая использование на каждом шаге в качестве одной из сравниваемых формул отрицание теоремы или ее «потомка», а в качестве другой - одну из аксиом. При этом выбор той или иной аксиомы для сравнения может сразу или через несколько шагов завести в «тупик». Это принуждает вернуться к точке, в которой производился выбор, чтобы испытать новую альтернативу, и т. д. Порядок просмотра альтернативных аксиом не произволен - его задает программист, располагая аксиомы в базе данных в определенном порядке. Кроме того в Прологе предусмотрены достаточно удобные «встроенные» средства для запрещения возврата в ту или иную точку в зависимости от выполнения определенных условий. Таким образом процесс доказательства в Прологе более прост и целенаправлен чем в классическом методе резолюций.

Смысл программы языка Пролог может быть понят либо с позиций декларативного подхода, либо с позиций процедурного подхода.[8]

Декларативный смысл программы определяет, является ли данная цель истинной (достижимой) и, если да, при каких значениях переменных она достигается. Он подчеркивает статическое существование отношений. Порядок следования подцелей в правиле не влияет на декларативный смысл этого правила. Декларативная модель более близка к семантике логики предикатов, что делает Пролог эффективным языком для представления знаний. Однако в декларативной модели нельзя адекватно представить те фразы, в которых важен порядок следования подцелей. Для пояснения смысла фраз такого рода необходимо воспользоваться процедурной моделью.

При процедурной трактовке Пролог-программы определяются не только логические связи между головой предложения и целями в его теле, но еще и порядок, в котором эти цели обрабатываются. Но процедурная модель не годится для разъяснения смысла фраз, вызывающих побочные эффекты управления, такие как остановка выполнения запроса или удаление фразы из программы.[9]

Для решения реальных задач ИИ необходимы машины, скорость которых должна превышать скорость света, а это возможно лишь в параллельных системах. Поэтому последовательные реализации следует рассматривать как рабочие станции для создания программного обеспечения будущих высокопроизводительных параллельных систем, способных выполнять сотни миллионов логических выводов в секунду. В настоящее время существуют десятки моделей параллельного выполнения логических программ вообще и Пролог-программ в частности. Часто это модели, использующие традиционный подход к организации параллельных вычислений: множество параллельно работающих и взаимодействующих процессов. В последнее время значительное внимание уделяется и более современным схемам организации параллельных вычислений - потоковым моделям. В моделях параллельного выполнения рассматриваются традиционный Пролог и присущие ему источники параллельности.

На эффективности Пролога очень сильно сказываются ограниченность ресурсов по времени и пространству. Это связано с неприспособленностью традиционной архитектуры вычислительных машин для реализации прологовского способа выполнения программ, предусматривающего достижение целей из некоторого списка. Вызовет ли это трудности в практических приложениях, зависит от задачи. Фактор времени практически не имеет значения, если пролог-программа, запускаемая по несколько раз в день, занимает одну секунду, а соответствующая программа на другом языке - 0.1 секунды. Но разница в эффективности становится существенной, если эти две программы требуют 50 и 5 минут соответственно.

С другой стороны, во многих областях применения Пролога он может существенно сократить время разработки программ. Программы на Прологе легче писать, легче понимать и отлаживать, чем программы, написанные на традиционных языках, т. е. язык Пролог привлекателен своей простотой. Пролог-программу легко читать, что является фактором, способствующим повышению производительности при программировании и увеличению удобств при сопровождении программ. Поскольку Пролог основан на фразах Хорна, исходный текст Пролог-программ значительно менее подвержен влиянию машинно-зависимых особенностей, чем исходные тексты программ, написанных на других языках. Кроме того в различных версиях языка Пролог проявляется тенденция к единообразию, так что программу, написанную для одной версии, легко можно преобразовать в программу для другой версии этого языка. Кроме того Пролог прост в изучении.[8]

При выборе языка Пролог как базового языка программирования в японском проекте вычислительных систем пятого поколения в качестве одного из его недостатков отмечалось отсутствие развитой среды программирования и неприспособленность Пролога для создания больших программных систем. Сейчас ситуация несколько изменилась, хотя говорить о действительно ориентированной на логическое программирование среде преждевременно.