La semántica en programación describe los comportamientos que resultan de la ejecución de un programa o pieza de software en particular. En realidad, el diseño de un lenguaje de programación se puede dividir en dos partes: sintaxis y semántica.
La sintaxis describe cómo se ve, mientras que la semántica describe lo que debe hacer. Aunque existen muchas maneras de escribir un programa con una sintaxis válida, al evaluarlo, es posible descubrir si el resultado es absurdo. Estas evaluaciones sin sentido se conocen como errores de tiempo de ejecución y nos dan una pista de la diferencia entre sintaxis y semántica en programación.
Diferencia entre semántica y sintaxis
La semántica en programación no debe confundirse con la sintaxis, que se refiere a la forma en que se expresa o escribe un programa. En términos generales, es más fácil verificar y solucionar problemas de sintaxis que de semántica, ya que probar todas las condiciones posibles en las que se podría ejecutar un programa es imposible.
Conviene tener en cuenta que, en algunos casos, la semántica no podrá determinarse en tiempo de compilación y, por lo tanto, deberá evaluarse en tiempo de ejecución.
Tipos de semántica en programación
Hay tres estilos principales para describir la semántica: operacional, denotacional y axiomático.
Semántica operativa
La semántica operativa utiliza la idea de que los lenguajes son máquinas abstractas y la evaluación de un programa es una serie de transiciones de estado desde un estado inicial a un estado final.
Las funciones de transición definen cómo transitan los estados al siguiente, si lo hay. Si no existe el siguiente estado, la máquina completa su evaluación con éxito o se enfrenta a un error de tiempo de ejecución y se atasca, el programa se detiene.
Cada término en el programa tiene algún significado, y su forma finaliza cuando se completan las transiciones de estado. Las transiciones de estado pueden ser de uno o varios pasos, pequeños o grandes. Dado que la semántica operativa tiene un estilo basado en el comportamiento abstracto de la máquina, los pasos son útiles como referencia para la implementación.
Semántica denotacional
La semántica denotacional utiliza la idea de que los lenguajes son objetos matemáticos. A diferencia de la semántica operativa, los detalles de evaluación e implementación se abstraen.
Una función de interpretación se define para asignar términos en un programa a elementos en dominios semánticos (también conocidos como su denotación), eliminando cualquier ocurrencia de la sintaxis original.
Los dominios semánticos están diseñados para modelar características específicas del lenguaje (teoría de dominio) y se pueden usar para mostrar instancias imposibles en un idioma.
Semántica axiomática
En lugar de derivar leyes de definiciones de comportamiento operacional o denotacional, las leyes mismas definen la semántica del lenguaje. Esta inversión simplifica el razonamiento sobre un programa, lo que conduce a desarrollos en la verificación de software.
Se considera que dos implementaciones de programa diferentes con el mismo conjunto de afirmaciones iniciales y finales (leyes) tienen la misma semántica. Los términos que ocurren entre las afirmaciones solo se usan para probar las propias afirmaciones y no contribuyen a la semántica.
Las afirmaciones definen las relaciones entre las variables y otras partes móviles de un programa, y algunas de estas afirmaciones permanecen invariables durante la ejecución. Este es el importante concepto de invariancia que subyace a la semántica axiomática.
Semántica de programación en la práctica: paso a paso
Para entender de qué se trata la semántica en programación, lo mejor es ver cómo se plantea el proceso de prueba de los programas:
- Los programas se prueban mediante el uso de casos de prueba, lo que significa que alguien determina las posibles formas en que un usuario podría interactuar con el programa, tanto válidas como no válidas.
- Estos casos luego se ejecutan para ver cómo responde el programa.
- Cuando la semántica no coincida con el comportamiento esperado o deseado, es necesario cambiar algo antes del lanzamiento.
- Se necesitaría una gran cantidad de tiempo y recursos para probar todos los escenarios posibles, junto con los que tienen más probabilidades de causar problemas para el programa. De esa manera, se detectan tantos errores como sea posible lo más rápido posible.
- Mientras que un error de sintaxis podría impedir que un programa se ejecute o colapsarlo parcialmente, un error de semántica puede ser mucho menos dramático y algo tan simple como un botón que no realiza la acción que se supone que debe hacer, sino algo completamente distinto.
- Ambos tipos de errores deben abordarse antes del lanzamiento, por supuesto, pero el último suele ser más fácil de pasar por alto y más difícil de encontrar.
Ejemplos de semántica en programación
Algunos de los usos comunes de la semántica en programación son:
- Facilita la descripción de los procesos que sigue un ordenador cuando ejecuta un programa en ese lenguaje específico.
- Aporta una visibilidad que ayuda a comprender mejor lo que está haciendo un programa.
- Permite conocer el significado de los lenguajes de programación y cómo pueden surgir operaciones no deseadas.
Estos planteamientos nada tienen que ver con los usos erróneos comunes, como los que la equiparan a la sintaxis, interpretando que se refiere al código detrás de un programa y las expresiones que lo crean.
