什麽是語義學

很多人問我如何在掌握基本的程序語言技能之後進入“語義學”的學習。現在我就簡單介紹一下什麽是“語義”，然後推薦一本入門的書。這裏我說的“語義”主要是針對程序語言，不過自然語言裏的語義，其實本質上也是一樣的。

一個程序的“語義”通常是由另一個程序決定的，這另一個程序叫做“解釋器”(interpreter)。程序只是一個數據結構，通常表示為語法樹(abstract syntax tree)或者指令序列。這個數據結構本身其實沒有意義，是解釋器讓它產生了意義。對同一個程序可以有不同的解釋，就像上面這幅圖，對畫面元素的不同解釋，可以看到不同的內容（少女或者老婦）。

解釋器接受一個“程序”(program)，輸出一個“值”(value)。用圖形的方法表示，解釋器看起來就像一個箭頭：程序 ===> 值。這個所謂的“值”可以具有非常廣泛的含義。它可能是一個整數，一個字符串，也有可能是更加奇妙的東西。

其實解釋器不止存在於計算機中，它是一個很廣泛的概念。其中好些你可能還沒有意識到。寫 Python 程序，需要 Python 解釋器，它的輸入是 Python 代碼，輸出是一個 Python 裏面的數據，比如 42 或者“foo”。CPU 其實也是一個解釋器，它的輸入是以二進制表示的機器指令，輸出是一些電信號。人腦也是一個解釋器，它的輸入是圖像或者聲音，輸出是神經元之間產生的“概念”。如果你了解類型推導系統 (type inference)，就會發現類型推導的過程也是一個解釋器，它的輸入是一個程序，輸出是一個“類型”。類型也是一種值，不過它是一種抽象的值。比如，42 對應的類型是 int，我們說 42 被抽象為 int。

所以“語義學”，基本上就是研究各種解釋器。解釋器的原理其實很簡單，但是結構非常精巧微妙，如果你從復雜的語言入手，恐怕永遠也學不會。最好的起步方式是寫一個基本的 lambda calculus 的解釋器。lambda calculus 只有三種元素，卻可以表達所有程序語言的復雜結構。

專門講語義的書很少，現在推薦一本我覺得深入淺出的：《Programming Languages and Lambda Calculi》。只需要看完前半部分（Part I 和 II，100來頁）就可以了。這書好在什麽地方呢？它是從非常簡單的布爾表達式（而不是 lambda calculus）開始講解什麽是遞歸定義，什麽是解釋，什麽是 Church-Rosser，什麽是上下文 (evaluation context)。在讓你理解了這種簡單語言的語義，有了足夠的信心之後，才告訴你更多的東西。比如 lambda calculus 和 CEK，SECD 等抽象機 (abstract machine)。理解了這些概念之後，你就會發現所有的程序語言都可以比較容易的理解了。

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