逻辑型程序设计语言PROLOG详细教程.docx
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逻辑型程序设计语言PROLOG详细教程
逻辑型程序设计语言PROLOG教程
2.3.1逻辑型程序设计语言PROLOG
PROLOG的语句
PROLOG语言只有三种语句，分别称为事实、规则和问题。
1.事实（fact）
格式:
<谓词名>（<项表>）.
功能一般表示对象的性质或关系。
其中谓词名是以小写英文字母打头的字母、数字、下划线等组成的字符串，项表是以逗号隔开的项序列。
例如：
student（john）.
like（mary,music）.
表示“约翰是学生”和“玛丽喜欢音乐”。
2.规则（rule）
格式:
<谓词名>（<项表>）:
-<谓词名>（<项表>）{,<谓词名>（<项表>）}.
功能:
一般表示对象间的因果关系、蕴含关系或对应关系。
其中“:
-”号表示“if”（也可以直接写为if），其左部的谓词是规则的结论（亦称为头），右部的谓词是规则的前提（亦称为体），{}表示零次或多次重复，逗号表示and（逻辑与）,即规则的形式是一个逻辑蕴含式。
例如：
bird（X）:
-animal（X）,has（X,feather）.
grandfather（X,Y）:
-father（X,Z）,father（Z,Y）.
第一条规则表示“如果X是动物，并且X有羽毛，则X是鸟”；第二条规则就表示“X是Y的祖父，如果存在Z，X是Z的父亲并且Z又是Y的父亲”。
3.问题（question）
格式:
?
-<谓词名>（<项表>）{,<谓词名>（<项表>）}.
功能表示用户的询问，它就是程序运行的目标。
例如：
?
-student（john）.
?
-like（mary,X）.
2.3.2PROLOG程序
PROLOG程序一般由一组事实、规则和问题组成。
问题是程序执行的起点，称为程序的目标。
例如下面就是一个PROLOG程序。
likes（bell,sports）.
likes（mary,music）.
likes（mary,sports）.
likes（jane,smith）.
friend（john,X）:
-likes（X,reading）,likes（X,music）.
friend（john,X）:
-likes（X,sports）,likes（X,music）.
?
-friend（john,Y）.
可以看出，这个程序中有四条事实、两条规则和一个问题。
其中事实、规则和问题都分行书写。
规则和事实可连续排列在一起，其顺序可随意安排，但同一谓词名的事实或规则必须集中排列在一起。
问题不能与规则及事实排在一起，它作为程序的目标要么单独列出，要么在程序运行时临时给出。
这个程序的事实描述了一些对象（包括人和事物）间的关系；而规则则描述了john交朋友的条件，即如果一个人喜欢读书并且喜欢音乐（或者喜欢运动和喜欢音乐），则这个人就是john的朋友（当然，这个规则也可看作是john朋友的定义）；程序中的问题是“约翰的朋友是谁？
”
当然，PROLOG程序中的目标可以变化，也可以含有多个语句（上例中只有一个）。
如果有多个语句，则这些语句称为子目标。
例如对上面的程序，其问题也可以是
-likes（mary,X）.
或
?
-likes（mary,music）.
或
?
-friend（X,Y）.
或
?
-likes（bell,sports）,likes（mary,music）,friend（john,X）.
等等。
当然，对于不同的问题，程序运行的结果一般是不一样的。
2.3.3PROLOG程序的运行机理
PROLOG程序的运行是从目标出发，并不断进行匹配、合一、归结，有时还要回溯，直到目标被完全满足或不能满足时为止。
1.自由变量与约束变量
PROLOG中称无值的变量为自由变量，有值的变量为约束变量。
一个变量取了某值就说该变量约束于某值，或者说该变量被某值所约束，或者说该变量被某值实例化了。
2.匹配合一
两个谓词可匹配合一，是指两个谓词的名相同，参量项的个数相同，参量类型对应相同，并且对应参量项还满足下列条件之一：
（1）如果两个都是常量，则必须完全相同。
（2）如果两个都是约束变量，则两个约束值必须相同。
（3）如果其中一个是常量，一个是约束变量，则约束值与常量必须相同。
（4）至少有一个是自由变量。
例如：
下面的两个谓词
pre1（"ob1","ob2",Z）
pre1（"ob1",X,Y）
只有当变量X被约束为"ob2"，且Y、Z的约束值相同或者至少有一个是自由变量时，它们才是匹配合一的。
3.回溯
所谓回溯，就是在程序运行期间，当某一个子目标不能满足（即谓词匹配失败）时，控制就返回到前一个已经满足的子目标（如果存在的话），并撤消其有关变量的约束值，然后再使其重新满足。
成功后，再继续满足原子目标。
如果失败的子目标前再无子目标，则控制就返回到该子目标的上一级目标（即该子目标谓词所在规则的头部）使它重新匹配。
回溯也是PROLOG的一个重要机制。
下面，我们介绍PROLOG程序的运行过程。
我们仍以上面的程序为例。
设所给的询问是
?
-friend（john,Y）.（john和谁是朋友?
）
则求解目标为
friend（john,Y）.
这时，系统对程序进行扫描，寻找能与目标谓词匹配合一的事实或规则头部。
显然，程序中前面的四条事实均不能与目标匹配，而第五个语句的左端即规则
friend（john,X）:
-likes（X,reading）,likes（X,music）.
的头部可与目标谓词匹配合一。
但由于这个语句又是一个规则，所以其结论要成立则必须其前提全部成立。
于是，对原目标的求解就转化为对新目标
likes（X,reading）,likes（X,music）.
的求解。
这实际是经归结，规则头部被消去，而目标子句变为
?
-likes（X,reading）,likes（X,music）.
现在依次对子目标
likes（X,reading）和likes（X,music）
求解。
子目标的求解过程与主目标完全一样，也是从头对程序进行扫描，不断进行测试和匹配合一等，直到匹配成功或扫描完整个程序为止。
可以看出，对第一个子目标like（X,reading）的求解因无可匹配的事实和规则而立即失败，进而导致规则
friend（john,X）:
-likes（X,reading）,likes（X,music）.
的整体失败。
于是，刚才的子目标
likes（X,reading）和likes（X,music）
被撤消，系统又回溯到原目标friend（john,X）。
这时，系统从该目标刚才的匹配语句处（即第五句）向下继续扫描程序中的子句，试图重新使原目标匹配，结果发现第六条语句的左部，即规则
friend（john,X）:
-likes（X,sports）,likes（X,music）.
的头部可与目标为谓词匹配。
但由于这个语句又是一个规则，于是，这时对原目标的求解，就又转化为依次对子目标
likes（X,sports）和likes（X,music）
的求解。
这次子目标likes（X,sports）与程序中的事实立即匹配成功，且变量X被约束为bell。
于是，系统便接着求解第二个子目标。
由于变量X已被约束，所以这时第二个子目标实际上已变成了
likes（bell,music）.
由于程序中不存在事实likes（bell,music），所以该目标的求解失败。
于是，系统就放弃这个子目标，并使变量X恢复为自由变量，然后回溯到第一个子目标，重新对它进行求解。
由于系统已经记住了刚才已同第一子目标谓词匹配过的事实的位置，所以重新求解时，便从下一个事实开始测试。
易见，当测试到程序中第三个事实时，第一个子目标便求解成功，且变量X被约束为mary。
这样，第二个子目标也就变成了
likes（mary,music）.
再对它进行求解。
这次很快成功。
由于两个子目标都求解成功，所以，原目标friend（john,Y）也成功，且变量Y被约束为mary（由Y与X的合一关系）。
于是，系统回答：
Y=mary
程序运行结束。
上面只给出了问题的一个解。
如果需要和可能的话，系统还可把john的所有朋友都找出来。
我们把上述程序的运行过程再用示意图（图2─1）描述如下：
图2─1PROLOG程序运行机理示例
上述程序的运行是一个通过推理实现的求值过程。
我们也可以使它变为证明过程。
例如，把上述程序中的询问改为
friend（john,mary）
则系统会回答:
yes
若将询问改为：
riend（john,smith）
则系统会回答:
no
从上述程序的运行过程可以看出，PROLOG程序的执行过程是一个（归结）演绎推理过程。
其特点是：
推理方式为反向推理，控制策略是深度优先，且有回溯机制。
其具体实现方法是：
匹配子句的顺序是自上而下；子目标选择顺序是从左向右；（归结后）产生的新子目标总是插入被消去的目标处（即目标队列的左部）。
PROLOG的这种归结演绎方法被称为SLD（LinearresolutionwithSelectionfunctionforDefiniteclause）归结，或SLD反驳-消解法。
SLD归结就是PROLOG程序的运行机理，它也就是所谓的PROLOG语言的过程性语义。
2.4TurboPROLOG程序设计
2.4.1TurboPROLOG的程序结构
一个完整的TurboPROLOG（2.0版）程序一般包括常量段、领域段、数据库段、谓词段、目标段和子句段等六个部分。
各段以其相应的关键字constants、domains、database、predicates、goal和clauses开头加以标识。
：
另外，在程序的首部还可以设置指示编译程序执行特定任务的编译指令；在程序的任何位置都可设置注解。
总之，一个完整的TurboPROLOG（2.0版）程序的结构如下
/*<注释>*/
<编译指令>
constants
<常量说明>
domains
<域说明>
database
<数据库说明>
predicates
<谓词说明>
goal
<目标语句>
clauses
<子句集>
当然，一个程序不一定要包括上述所有段，但一个程序至少要有一个predicates段、clauses段和goal段。
在大多数情形中，还需要一个domains段，以说明表、复合结构及用户自定义的域名。
如若省略goal段，则可在程序运行时临时给出，但这仅当在开发环境中运行程序时方可给出。
若要生成一个独立的可执行文件，则在程序中必须包含goal段。
另一方面，一个程序也只能有一个goal段。
例2.3如果把上节中的程序要作为TurboPROLOG程序，则应改写为：
/*例子程序-1*/
DOMAINS
name=symbol
PREDICATES
likes（name,name）.
friend（name,name）
GOAL
friend（john,Y）,write（″Y=″,Y）.
CLAUSES
likes（bell,sports）.
likes（mary,music）.
likes（mary,sports）.
likes（jane,smith）.
friend（john,X）:
-likes（X,sports）,likes（X,music）.
friend（john,X）:
-likes（X,reading）,likes（X,music）.
结合上例，我们再对上述程序结构中的几个主要段的内容和作用加以说明（其余段在后面用到时再作说明）：
领域段该段说明程序谓词中所有参量项所属的领域。
领域的说明可能会出现多层说明，直到最终说明到TurboPROLOG的标准领域为止（如上例所示）。
TurboPROLOG的标准领域即标准数据类型，包括整数、实数、符号、串和符号等，其具体说明如表2.1所示。
表2.1TurboPROLOG的标准领域
谓词段：
该段说明程序中用到的谓词的名和参量项的名（但TurboPROLOG的内部谓词无须说明）。
子句段：
该段是TurboPROLOG程序的核心，程序中的所有事实和规则就放在这里，系统在试图满足程序的目标时就对它们进行操作。
目标段：
该段是放置程序目标的地方。
目标段可以只有一个目标谓词，例如上面的例子中就只有一个目标谓词；也可以含有多个目标谓词，如：
goal
readint（X）,Y=X+3,write（"Y=",Y）.
就有三个目标谓词。
这种目标称为复合目标。
另外，一般称程序目标段中的目标为内部目标，而称在程序运行时临时给出的目标为外部目标。
2.4.2TurboPROLOG的数据与表达式
1.领域
1）标准领域
TurboPROLOG中不定义变量的类型，只说明谓词中各个项的取值域。
2）结构
结构也称复合对象，它是TurboPROLOG谓词中的一种特殊的参量项（类似于谓词逻辑中的函数）。
结构的一般形式为
<函子>（<参量表>）
其中函子及参量的标识符与谓词相同。
注意，这意味着结构中还可包含结构。
所以，复合对象可表达树形数据结构。
例如下面的谓词
likes（Tom,sports（football,basketball,table-tennis））.
中的
sports（football,basketball,table-tennis）
就是一个结构,即复合对象。
又如：
person（"张华",student（"西安石油学院"）,address（"中国","陕西","西安"））.
reading（"王宏",book（"人工智能技术基础教程","西安电子科技大学出版社"））.
friend（father（"Li"）,father（"Zhao"））.
这几个谓词中都有复合对象。
复合对象在程序中的说明，需分层进行。
例如，对于上面的谓词
likes（Tom,sports（football,basketball,table-tennis））.
在程序中可说明如下：
domains
name=symbol
sy=symbol
sp=sports（sy,sy,sy）
predicates
likes（name,sp）
3）表
表的一般形式是
［x1,x2,…,xn］
其中xi（i=1,2,…,n）为PROLOG的项，一般要求同一个表的元素必须属于同一领域。
不含任何元素的表称为空表，记为［］。
例如下面就是一些合法的表。
［1,2,3］
［apple,orange,banana,grape,cane］
［"PROLOG","MAENS","PROGRAMMING","inlogic"］
［［a,b］,［c,d］,［e］］
［］
表的最大特点是其元素个数可在程序运行期间动态变化。
表的元素也可以是结构或表，且这时其元素可以属于不同领域。
例如：
name（"LiMing"）,age（20）,sex（male）,address（xian）］
［［1,2］,［3,4,5］,［6,7］］
都是合法的表。
后一个例子说明，表也可以嵌套。
实际上，表是一种特殊的结构。
它是递归结构的另一种表达形式。
这个结构的函数名取决于具体的PROLOG版本。
这里我们就用一个圆点来表示。
下面就是一些这样的结构及它们的表表示形式：
结构形式表形式
·（a,［］）［a］
·（a,·（b,［］））［a,b］
·（a,·（b,·（c,［］）））［a,b,c］
表的说明方法是在其组成元素的说明符后加一个星号*。
如：
domains
lists=string*
predicates
pl（lists）
就说明谓词pl中的项lists是一个由串string组成的表。
对于由结构组成的表，至少得分三步说明。
例如对于下面谓词p中的表
p（［name（"Liming"）,age（20）］）
则需这样说明:
domains
rec=seg*
seg=name（string）;age（integer）
predicates
p（rec）
2.常量与变量
由上面的领域可知，TurboPROLOG的常量有整数、实数、字符、串、符号、结构、表和文件这八种数据类型。
同理，TurboPROLOG的变量也就有这八种取值。
另外，变量名要求必须是以大写字母或下划线开头的字母、数字和下划线序列，或者只有一个下划线。
这后一种变量称为无名变量。
3.算术表达式
TurboPROLOG提供了五种最基本的算术运算：
加、减、乘、除和取模，相应运算符号为+、-、*、/、mod。
这五种运算的顺序为：
*、/、mod优先于+、-。
同级从左到右按顺序运算，括号优先。
算术表达式的形式与数学中的形式基本一样。
例如：
数学中的算术表达式PROLOG中的算术表达式
x+yzX+Y*Z
ab-c/dA*B-C/D
umodvUmodV（表示求U除以V所得的余数）
即是说，TurboPROLOG中算术表达式采用通常数学中使用的中缀形式。
这种算术表达式为PROLOG的一种异体结构，若以PROLOG的结构形式来表示，则它们应为
+（X,*（Y,Z））
-（*（A,B）,/（C,D））
mod（U,V）
所以，运算符+、-、*、/和mod实际也就是PROLOG内部定义好了的函数符。
在TurboPROLOG程序中，如果一个算术表达式中的变元全部被实例化（即被约束）的话，则这个算术表达式的值就会被求出。
求出的值可用来实例化某变量，也可用来同其他数量进行比较，用一个算术表达式的值实例化一个变量的方法是用谓词“is”或“=”来实现。
例如：
YisX+5或Y=X+5（*）
就使变量Y实例化为X+5的值（当然X也必须经已被某值实例化），可以看出，这里对变量Y的实例化方法类似于其他高级程序语言中的“赋值”，但又不同于赋值。
例如，在PROLOG中下面的式子是错误的:
X=X+1
4.关系表达式
TurboPROLOG提供了六种常用的关系运算，即小于、小于或等于、等于、大于、大于或等于和不等于，其运算符依次为
<,<=,=,>,>=,<>
TurboPROLOG的关系表达式的形式和数学中的也基本一样，例如：
数学中的关系式TurboPROLOG中的关系式
X+1≥YX+1>=Y
X≠YX<>Y
即是说，TurboPROLOG中的关系式也用中缀形式。
当然，这种关系式为TurboPROLOG中的异体原子。
若按TurboPROLOG中的原子形式来表示，则上面的两个例子为
>=（X+1,Y）和<>（X,Y）
所以上述六种关系运算符，实际上也就是TurboPROLOG内部定义好了的六个谓词。
这六个关系运算符可用来比较两个算术表达式的大小。
例如：
brother（Name1,Name2）:
-person（Name1,man,Age1）,
person（Name2,man,Age2）,
mother（Z,Name1）,mother（Z,Name2）,
Age1>Age2.
需要说明的是，“=”的用法比较特殊，它既可以表示比较，也可以表示约束值，即使在同一个规则中的同一个“=”也是如此。
例如：
（例一）
p（X,Y,Z）:
-Z=X+Y.
当变量X、Y、Z全部被实例化时，“=”就是比较符。
如：
对于问题
Goal:
p（3,5,8）.
机器回答：
yes。
而对于
Goal:
p（3,5,7）.
机器回答：
no。
即这时机器把X+Y的值，与Z的值进行比较。
（例二）
但当X,Y被实例化，为Z未被实例化时，“=”号就是约束符。
如：
Goal:
p（3,5,Z）.
机器回答：
Z=8
这时，机器使Z实例化为X+Y的结果。
2.4.3输入与输出
虽然PROLOG能自动输出目标子句中的变量的值，但这种输出功能必定有限，往往不能满足实际需要；另一方面，对通常大多数的程序来说，运行时从键盘上输入有关数据或信息也是必不可少的。
为此每种具体PROLOG一般都提供专门的输入和输出谓词，供用户直接调用。
例如，下面就是TorboPROLOG的几种输入输出谓词：
（1）readln（X）。
这个谓词的功能是从键盘上读取一个字符串，然后约束给变量X。
（2）readint（X）。
这个谓词的功能是从键盘上读取一个整数，然后约束给变量X，如果键盘上打入的不是整数则该谓词失败。
（3）readreal（X）。
这个谓词的功能是从键盘上读取一个实数，然后约束给变量X，如果键盘上打入的不是实数则该谓词失败。
（4）readchar（X）。
这个谓词的功能是从键盘上读取一个字符，然后约束给变量X，如果键盘上打入的不是单个字符，则该谓词失败。
（5）write（X1,X2,… Xn）。
这个谓词的功能是把项Xi（i=1,2,…n）的值显示在屏幕上或者打印在纸上，当有某个Xi未实例化时，该谓词失败，其中的Xi可以是变量，也可以是字符串或数字。
（6）nl换行谓词。
它使后面的输出（如果有的话）另起一行。
另外，利用write的输出项"\n"也同样可起换行作用。
例如：
write（"name"）,nl,write（"age"）
与write（"name","\n","age"）的效果完全一样。
例2.4用上面的输入输出谓词编写一个简单的学生成绩数据库查询程序。
PREDICATES
student（integer,string,real）
grade
GOAL
grade.
CLAUSES
student（1,"张三",90.2）.
student（2,"李四",95.5）.
student（3,"王五",96.4）.
grade:
-write（"请输入姓名:
"）,readln（Name）,
student（-,Name,Score）,
nl,write（Name,"的成绩是",Score）.
grade:
-write（“对不起，找不到这个学生!
”）.
grade:
-write（"对不起，找不到这个学生!
"）.
下面是程序运行时的屏幕显示:
请输入姓名：
王五
王五的成绩是96.4。
2.4.4分支与循环
PROLOG中并无专门的分支和循环语句，但PROLOG也可实现分支和循环程序结构。
1.分支
对于通常的IF-THEN-ELSE分支结构，PROLOG可用两条同头的并列规则实现。
例如，将
IFx>0THENx:
=1
ELSEx:
=0
用PROLOG实现则是
Br:
-x>0,x=1.
Br:
-x=0.
类似地，对于多分支，可以用多条规则实现。
例如：
Br:
-x>0,x=1.
Br:
-x=0,x=0.
Br:
-x<0,x=-1.
2.循环
PROLOG可以实现计循环次数的FOR循环，也可以实现不计循环次数的DO循环。
例如下面的程序段就实现了循环，它使得write语句重复执行了三次，而打印输出了三个学生的记录。
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