Трассировка и контрольные точки

FAIL

REDO

EXIT

CALL

Модель трассировки

Метод, используемый Прологом при попытках согласовать цели с базой данных, можно рассматривать с разных точек зрения. Мы уже познакомились с одной моделью описания этого метода, которую можно представить в виде «цепочки доказательств», проходящей через прямоугольники, изображающие цели. Теперь мы познакомимся с другой моделью описания работы Пролога, которая применяется во многих средствах отладки программ, таких как трассировка. Существованием этой модели мы обязаны главным образом нашему коллеге Лоренсу Бэрду. Вам следует изучить эту модель, прежде чем вы приступите к использованию средств отладки Пролога.

При использовании трассировки Пролог-система выводит на печать информацию о последовательности отработки целей, чтобы показать, какой стадии выполнения достигла программа. При этом, для того чтобы разобраться в том, что происходит, важно понять, когда и почему определенные цели выводятся на печать. В обычных языках программирования особый интерес представляют моменты входа в подпрограммы и выхода из них. Однако Пролог допускает написание недетерминированных программ, а это вносит сложности, связанные с механизмом возврата. Дело не ограничивается последовательностью входов в утверждения и выходов из них. Механизм возврата может неожиданно вновь запустить выполнение каких-либо утверждений, чтобы построить альтернативное решение. Кроме того предикат отсечения 'Г указывает для каких целей нельзя искать другие решения. Наибольшие трудности, с которыми приходится сталкиваться начинающим программистам, связаны именно с пониманием принципов работы механизма возврата: что на самом деле происходит, когда попытка согласования цели завершается неудачей и система неожиданно начинает возвратный ход. Мы надеемся, что этот процесс достаточно подробно описан в предыдущих главах. Впрочем, в предыдущих главах рассматривалась не только последовательность обработки целей, но также и то, как происходит конкретизация переменных, как цели сопоставляются с заголовками утверждений из базы данных, и, наконец, как согласуются с базой данных подцели. В модели трассировки выполнение Пролог-программ описывается в терминах четырех видов происходящих событий: CALL(ВЫЗОВ), ЕХIT(ВЫХОД), REDО(ПЕРЕДЕЛКА), FAIL(HEУДАЧА).

Событие CALL фиксирует начало попытки Пролога согласовать цель с базой данных. На наших диаграммах это обозначено стрелкой, входящей в прямоугольник сверху.

Событие EXIT фиксирует момент, когда некоторая цель только что согласована с базой данных. На наших диаграммах это обозначается стрелкой, выходящей снизу из прямоугольника.

Событие REDO фиксирует момент, когда система возвращается к цели, пытаясь повторно согласовать ее с базой данных. На наших диаграммах это обозначается стрелкой, которая возвращается в прямоугольник снизу.

Событие FAIL фиксирует момент, когда попытка согласовать цель с базой данных заканчивается неудачно. На наших диаграммах это соответствует выходу стрелки вверх из прямоугольника.

Средства отладки сообщают нам о моментах возникновения событий этих четырех видов в ходе выполнения наших программ. Эти события будут происходить со всеми целями, которые Пролог рассматривает во время выполнения программы. Чтобы можно было различать, к каким целям относятся происходящие события, каждой цели присваивается уникальный целочисленный идентификатор, который называется его номером обращения.

Обратимся к примеру. Рассмотрим следующее определение предиката потомок:

потомок(Х,Y):- отпрыск(Х,Y).

потомок(X,Z):- отпрыск(Х,Y), потомок(Y,Z).

Этот фрагмент программы находит прямых потомков некоторого лица по заданным в базе данных фактам отпрыск, например:

отпрыск(авраам,измаил).

отпрыск(авраам,исаак).

отпрыск(исаак,исав).

...

Первое утверждение программы указывает, что Y является потомком X если Y есть отпрыск X, а второе утверждение указывает, что Z является потомком X если Y есть отпрыск X и если Z является потомком Y. Рассмотрим вопрос:

?- потомок(авраам,Ответ), fail.

и проследим за ходом выполнения программы чтобы увидеть, когда возникают разные события указанных видов. Важно, чтобы вы попытались проследить за процессом трассировки, мысленно воссоздавая поведение цепочки доказательств, которая входит в прямоугольники, обозначающие цели и выходит из них. Время от времени мы будем представлять текущее состояние в виде диаграмм.

В заданном вопросе после первой цели следует fail. Это сделано для того, чтобы инициировать механизм возврата и тем самым, получить все возможные решения для цели потомок. Таким образом, в целом вопрос никак не может иметь положительного ответа. Однако цель нашей трассировки состоит в том, чтобы наглядно представить себе ход выполнения программы, вызванный несогласуемостью второй цели (fail).

В начале мы имеем прямоугольники, обозначающие две цели, в которые пока не входила стрелка, представляющая цепочку доказательств (см. рис. 8.1). Первое событие состоит в ВЫЗОВе (CALL) цели потомок. Это - обращение номер 1.

Риc. 8.1

(1) CALL: потомок(авраам,Ответ)

(2) CALL: отпрыск(авраам,Ответ)

Мы сопоставили с целью первое утверждение процедуры потомок и это привело к ВЫЗОВ цели отпрыск. В результате возникла ситуация, где стрелка движется вниз (см. рис. 8.2). Мы продолжаем:

Рис. 8.2.

(2) EXIT: отпрыск (авраам,измаил)

Сразу успешно согласуется первое утверждение и следует ВЫХОД (EXIT) из цели.

(1) EXIT: потомок(авраам,измаил)

Таким образом, мы согласовали первое утверждение процедуры потомок.

(3) CALL: fail

(3) FAIL: fail

(1) REDO: потомок(авраам,измаил)

Затем мы пытаемся согласовать fail, и, как и следовало ожидать, эта попытка завершается НЕУДАЧЕЙ (FAIL). Стрелка возвращается из прямоугольника fail назад выше в прямоугольник потомок. Изображение этой ситуации приведено на рис. 8.3. Стрелка движется вверх. Продолжаем:

Рис. 8.3.

(2) REDO: отпрыск(авраам,измаил)

(2) EXIT: отпрыск(авраам,исаак)

Для цели отпрыск выбрано альтернативное утверждение. Поэтому стрелка может снова выйти вниз из этого прямоугольника.

(1) EXIT: потомок(авраам,исаак)

(4) CALL: fail

(4) FAIL: fail

(1) REDO: потомок(авраам,исаак)

И снова fail заставляет нас отвергнуть это решение и начать возвратный ход. Заметим, что это было совершенно новое обращение к fail (мы вошли в него заново «сверху»).

(2) REDO: отпрыск(авраам,исаак)

(2) FAIL: отпрыск(авраам,Ответ)

На этот раз мы не можем предложить другое сопоставление для цели отпрыск, и потому продолжаем возвратный ход, стрелка отступает вверх, покидая прямоугольник отпрыск.

(5) CALL: отпрыск(авраам,Y)

Здесь произошло следующее: мы выбрали второе утверждение процедуры потомок и выполнили совершенно новое обращение к отпрыск, соответствующее первой подцели (рис. 8.4). Стрелка теперь снова движется вниз. Продолжаем:

Рис. 8.4.

(5) EXIT: отпрыск(авраам,измаил)

(6) CALL: потомок(измаил,Ответ)

Это дает решение, с которым мы теперь уже рекурсивно вызываем потомок. Следует новое обращение к потомок.

(7) CALL: отпрыск(измаил,Ответ)

(7) FAIL: отпрыск(измаил,Ответ)

(8) CALL: отпрыск(измаил, Y2)

(8) FAIL: отпрыск(измаил,Y2)

(6) FAIL: потомок(измаил,Ответ)

У Измаила нет детей (в данном примере) поэтому в обоих утверждениях процедуры потомок подцель отпрыск завершается неудачей, что приводит к неудаче всей цели потомок.

(5) REDO: отпрыск(авраам,измаил)

Мы возвращаемся назад для выбора новой альтернативы.

(5) EXIT: отпрыск(авраам.исаак)

(9) CALL: потомок(исаак,Ответ)

(10) CALL: отпрыск(исаак,Ответ)

(10) EXIT: отпрыск(исаак,исав)

Запускаем новое обращение к потомок и попытка согласовать подцель отпрыск завершается удачно (рис. 8.5). Продолжаем:

(9) EXIT: потомок(исаак,исав)

(1) EXIT: потомок(авраам,исав)

(11) CALL: fail

(11) FAIL: fail

(1) REDO: потомок(исаак,исав)

(9) REDO: потомок(исаак,исав)

Это дает окончательное решение исходного вопроса, однако fail вновь вынуждает включиться механизм возврата, поэтому мы возвращаемся назад по событиям REDO:

(10) REDO: отпрыск(исаак,исав)

(10) EXIT: отпрыск(исаак,иаков)

(9) EXIT: потомок(исаак,иаков)

(1) EXIT: потомок(авраам,иаков)

Для подцели отпрыск найдено другое сопоставление, которое порождает другой результат для исходной цели потомок. Уже сейчас можно заметить, что это последний потомок Авраама, однако еще остается выполнить определенный объем работы. Проследим далее за последовательностью событий по мере того, как механизм возврата заставляет нас отступать к началу.

(12) CALL: fail

(12) FAIL: fail

(1) REDO: потомок(авраам,иаков)

(9) REDO: потомок(исаак,иаков)

(10) REDO: отпрыск(исаак,иаков)

(10) FAIL: отпрыск(исаак,Ответ)

(13) CALL: отпрыск(исаак,YЗ)

Теперь мы пытаемся применить второе утверждение процедуры потомок.

(13) EXIT: отпрыск(исаак,исав)

(14) CALL; потомок(исав, Ответ)

Еще одна рекурсия

(15) CALL: отпрыск(исав,Ответ)

(15) FAIL: отпрыск(исав,Ответ)

(16) CALL: отпрыск(исав,Y4)

(16) FAIL: отпрыск(исав,Y4)

(14) FAIL: потомок(исав,Ответ)

(13) REDO: отпрыск(исаак,исав)

(13) EXIT: отпрыск(исаак,иаков)

(17) CALL: потомок(иаков,Ответ)

Пытаемся использовать Иакова.

(18) CALL: отпрыск (иаков,Ответ)

(18) FAIL: отпрыск (иаков, Ответ)

(19) CALL: отпрыск(иаков,Y5)

(19) FAIL: отпрыск (иаков, Y5)

(17) FAIL: потомок(иаков,Ответ)

(13) REDO: отпрыск(исаак,иаков)

(13) FAIL: отпрыск(исаак,YЗ)

(9) FAIL: потомок(исаак,Ответ)

(1) FAIL: потомок(авраам,Ответ) нет

Наконец мы закончили. Надеемся, что этот утомительный пример дал вам возможность понять последовательность событий, происходящих при выполнении Пролог-программы. Вы, вероятно, уже заметили, что для любой цели всегда бывает только один ВЫЗОВ (событие CALL) и одна НЕУДАЧА (событие FAIL), хотя может быть сколько угодно ПЕРЕДЕЛОК (событие REDO) и соответствующих ВЫХОДов (событие EXIT). В следующем разделе мы рассмотрим процесс трассировки для более сложного примера – предиката присоединить.

Упражнение 8.1. В приведенной выше модели ничего не говорится о том, как обрабатывается цель – отсечение '!'. Расширьте эту модель, включив туда учет действия отсечения.

Обнаружив, что программа не работает (порождает сообщения об ошибках, просто отвечает 'нет' или выдает неверный ответ) вы, наверное, захотите побыстрее найти ошибки с тем, чтобы исправить их. В этом разделе описывается набор встроенных предикатов, позволяющих «проследить» за выполнением программы. С их помощью вы можете вновь запустить программу на той же задаче и проследить за ее выполнением, чтобы найти место, с которого она начинает работать неверно. При этом вы увидите, когда происходят разные события трассировочной модели, подобно тому, как это было в предыдущем разделе, где мы наблюдали за процедурой потомок. Точный набор возможностей, предоставляемых предикатами отладки, зависит от конкретной реализации Пролога, однако то, что мы собираемся сообщить вам, даст представление об имеющихся средствах, так что вы сможете разобраться в том, что предлагает вам ваша система. В любом случае мы настоятельно советуем ознакомиться с документацией по вашей Пролог-системе, прежде чем начать использование средств отладки.

Основное назначение трассировки и контрольных точек состоит в том, чтобы программист получил информацию о попытках согласования определенных целей, возникающих в ходе выполнения его программы. Программист может принять решения относительно интересующих его целей и относительно уровня своего вмешательства в процесс их согласования. Первое решение сводится к выбору определенной комбинации полной трассировки и трассировки по контрольным точкам. Вообще говоря, полная трассировка означает выдачу информации обо всех целях, а контрольные точки позволяют программисту получить информацию лишь о тех предикатах, которые он задал. Однако эти возможности могут различными способами комбинироваться. Используемые при этом встроенные предикаты рассмотрены в разд. 6.13. Контрольная точка для какого-либо предиката устанавливается с помощью предиката spy (отмена контрольной точки выполняется предикатом nospy). Установка режима полной трассировки осуществляется предикатом trace (а ее отмена – предикатом notrace).

Второе решение заключается в выборе уровня управления процессом трассировки. При неуправляемой трассировке информация о целях выдается на терминал и программа продолжает выполнение. При управляемой трассировке, выдав информацию о цели, система каждый раз спрашивает у программиста, что бы он хотел сделать. Он может изменить уровень трассировки, изменить нормальный ход выполнения программы и дать ряд других указаний. Ваша Пролог-система может обеспечивать раздельный выбор уровня управления трассировкой для каждого из четырех видов событий:

• Когда впервые делается попытка согласовать некоторую цель с базой данных, когда данная цель встречается впервые (событие CALL);

• Когда цель успешно согласована (событие EXIT);

• Когда готовится попытка повторного согласования цели (событие REDO), и

• Когда устанавливается несогласуемость цели с базой данных, поскольку все попытки вновь согласовать ее оказались безуспешными (событие FAIL).

Например, разумным представляется такой выбор: задать трассировку событий CALL и REDO как управляемую, а трассировку событий EXIT и FAIL – как неуправляемую. Более подробное описание этих четырех событий, происходящих при согласовании целей с базой данных, приведено в разд. 8.3,

Рассмотрим теперь, что за информация выдается пользователю, когда происходит некоторое событие с интересующей его целью. Прежде всего выдается название цели с указанием вида произошедшего события и, возможно, номера обращения. Если для данного события задана неуправляемая трассировка, то это все. Если же задана управляемая трассировка, то Пролог потребует указаний относительно того, что ему делать дальше. Протокол полной неуправляемой трассировки мог бы выглядеть следующим образом:

?- [user].

присоединить([],Y,Y).

присоединить([А|В],С,[А|D]):- присоединить(В,С,D).

/* введите здесь литеру – признак конца файла */

да

?- присоединить ([а][b],Х).

CALL присоединить([a],[b],_43)

CALL присоединить([],[b],_103)

EXIT присоединить([],[b],[b])

EXIT присоединить([a],[b],[a,b])

X = [a,b];

REDO присоединить([a],[b],[a,b])

REDO присоединить([],[b],[b])

FAIL присоединить([],[b],_103)

FAIL присоединить ([a], [b],_43)

нет

?- присоединить(Х,Y,[а])

CALL присоединить(_37,_38,[а])

EXIT присоединить([],[а],[а])

X = [], Y = [a];

REDO присоединить([],[a],[a])

CALL присоединить(_93,_38,[])

EXIT присоединить([],[],[])

EXIT присоединить([а],[],[a])

X = [a], Y = [];

REDO присоединить([a],[],[a])

REDO присоединить([],[],[])

FAIL присоединить (_93,_38,[])

FAIL присоединить(_37,_38,[])

нет

Здесь на терминал выведены сведения обо всех четырех событиях для всех целей. Однако программист не может приостановить выполнение программы в какой-либо точке, изменить по ходу выполнения объем трассировочной информации, или как-либо еще повлиять на ход выполнения трассировки. Эти возможности предоставляются при управляемой трассировке.

Прежде чем перейти к рассмотрению управляемой трассировки, следует сделать несколько замечаний о том, как Пролог выдает сведения о целях во время трассировки. На самом деле, способ выдачи сведений о целях средствами трассировки не обязательно совпадает с тем, который используется предикатом write. Это происходит потому, что для выдачи сведений о целях пользователю разрешается задавать свои собственные определения. Вы можете воспользоваться этой возможностью для того, чтобы вывести какие-либо общие структуры, используемые в вашей программе, особым способом, который обеспечивает большую наглядность и выразительность, чем обычный вывод с помощью предиката write. Эта возможность осуществляется следующим образом. Стандартный способ выдачи сведений о целях опирается на использование встроенного предиката print с единственным аргументом. Предикат print действует, как если бы он был определён следующим образом:

print(X):- portray(X),!.

print(X):- write(X).

Предикат portray уже не является встроенным, поэтому вы можете сами задать утверждения для его определения. Если эти утверждения таковы, что они позволяют согласовать с базой данных цель portray(X) для одной из ваших целей Х,то считается, что выдачу всех необходимых сведений сделают эти утверждения. В противном же случае данные об этой цели X будут выданы с помощью предиката write. Например, если по каким-то причинам вы не хотите выдавать значение третьего аргумента цели присоединить, то это может быть обеспечено с помощью следующего утверждения:

portray(присоединить(А,В,С)):- writе('присоединить('), write(A), write(','), write(B), write(','), write('‹foo›)').

Каждый раз когда встретится цель X, содержащая предикат присоединить, приведенное утверждение будет обеспечивать успешное согласование цели portray(X), и вывод трассировочной информации будет полностью возложен на данное утверждение. В случае цели, содержащей любой другой предикат, цель port-гау(Х) не согласуется с базой данных и потому сведения об X будут выданы с помощью предиката write(X). Если бы приведенное выше утверждение присутствовало в базе данных, то соответствующая часть приведенного выше протокола трассировки выглядела бы следующим образом:

?- присоединить ([a],[b],X).

CALL присоединить([а],[b],‹fоо›)

CALL присоединить ([],[b],‹foo›)

EXIT присоединить([],[b],‹fоо›)

EXIT присоединить([a],[b],‹foo›)

X = [a,b];

REDO присоединить([a],[b],‹foo›)

REDO присоединить([],[b],‹foо›)

FAIL присоединить([],[b],‹foo›)

FAIL присоединить ([a],[b],‹foo›) нет

Т

еперь рассмотрим управляемую трассировку. Если вы задали управляемую трассировку для событий некоторого типа, то Пролог спросит у вас, что нужно сделать после того, как наступит событие заданного типа. На терминале это может выглядеть примерно так:

?- присоединить ([а],[b],Х).

CALL присоединить([а],[b],_43)?

После вывода литеры '?' программа останавливается. Теперь от вас требуется ответ – команда, которой вы зададите одно из возможных действий. Если затребованное вами действие означает продолжение обычного выполнения программы, то она продолжит выполнение до тех пор, пока трассировка не дойдет до следующего управляемого события для прослеживаемого предиката. И опять вам будет задан вопрос вида:

CALL присоединить([],[b],_103)?

Одной из команд может быть выдача списка допустимых команд на терминал. Рассмотрим некоторые из них.

Дата добавления: 2014-12-08