Pomian语言处理器研发笔记(三):使用组合子构建抽象语法树
本文介绍了使用组合子构建抽象语法树(AST)的方法,重点讲解了三种基本组合子(Sequence、Or、Repeat)的实现原理及其在语法分析中的应用。通过组合子技术,可以将简单解析器组合成复杂语法规则,有效处理编程语言的语法结构。文章详细展示了组合子类的C++实现代码,包括Sequence的顺序解析、Or的选择性解析和Repeat的重复解析机制,并介绍了Grammar类作为语法规则管理器的设计思路
引言
在前两篇博客中,我们已经介绍了如何使用C++的正则表达式构建词法分析器【1†source】,以及如何使用组合模式定义表示程序结构的语法树【2†source】。在本篇博客中,我们将深入探讨如何使用组合子(Combinators)来构建抽象语法树(AST),从而实现对输入代码的语法分析和结构化处理。
组合子是一种函数式编程中的概念,用于组合简单的函数来形成更复杂的函数。在语法解析中,组合子用于组合简单的解析器来形成更复杂的解析逻辑。通过组合子,我们可以将复杂的语法分解为简单的构建块,并通过组合这些构建块来定义整个语言的语法。
组合子的基本概念
在现代编译器和解释器的设计中,组合子是一种强大的工具,用于描述和构造语言的语法结构。常见的组合子包括:
- Sequence(顺序) :按顺序应用多个解析器,只有当所有解析器都成功匹配时,整个组合才成功。
- Or(或) :尝试多个解析器中的一个,返回第一个成功匹配的解析结果。
- Repeat(重复) :重复应用某个解析器,直到无法再匹配。
通过这些组合子,我们可以灵活地定义各种语法规则,从而构建出复杂的语法结构。
组合子的实现
在Pomian语言处理器中,我们实现了三种基本的组合子:Sequence、Or和Repeat。下面将分别介绍它们的实现细节。
1. Sequence组合子
Sequence组合子用于按顺序应用多个解析器。只有当所有解析器都成功匹配时,整个组合才成功。其parse方法的实现如下:
class Sequence : public IParser
{
private:
std::list<IParser*> m_parsers;
std::function<AstNode* (const std::vector<AstNode*>&)> m_combine;
public:
Sequence(const std::list<IParser*>& parsers, const std::function<AstNode*(const std::vector<AstNode*>&)>& combine)
: m_parsers(parsers), m_combine(combine)
{
}
AstNode* parse(Tokenizer* tokenizer) override
{
std::vector<AstNode*> nodes;
for (auto parser : m_parsers)
{
AstNode* node = parser->parse(tokenizer);
if (!node)
{
// 回溯到初始状态
tokenizer->undo();
return nullptr;
}
nodes.push_back(node);
}
return m_combine(nodes);
}
~Sequence()
{
for (auto parser : m_parsers)
{
delete parser;
}
}
};
2. Or组合子
Or组合子用于尝试多个解析器中的一个,返回第一个成功匹配的解析结果。其parse方法的实现如下:
class Or : public IParser
{
private:
std::list<IParser*> m_parsers;
public:
Or(const std::list<IParser*>& parsers) : m_parsers(parsers)
{
}
AstNode* parse(Tokenizer* tokenizer) override
{
for (auto parser : m_parsers)
{
tokenizer->saveState(); // 保存当前状态
AstNode* node = parser->parse(tokenizer);
if (node)
{
return node;
}
tokenizer->restoreState(); // 回溯到保存的状态
}
return nullptr;
}
~Or()
{
for (auto parser : m_parsers)
{
delete parser;
}
}
};
3. Repeat组合子
Repeat组合子用于重复应用某个解析器,直到无法再匹配。其parse方法的实现如下:
class Repeat : public IParser
{
private:
IParser* m_parser;
public:
Repeat(IParser* parser) : m_parser(parser)
{
}
AstNode* parse(Tokenizer* tokenizer) override
{
std::vector<AstNode*> nodes;
while (true)
{
tokenizer->saveState();
AstNode* node = m_parser->parse(tokenizer);
if (node)
{
nodes.push_back(node);
}
else
{
tokenizer->restoreState();
break;
}
}
if (nodes.empty())
{
return nullptr;
}
// 默认返回第一个节点,可以根据需要返回组合后的节点
return nodes[0];
}
~Repeat()
{
delete m_parser;
}
};
Grammar类的设计
Grammar类用于定义和管理一系列的解析器,可以组合成复杂的语法结构。通过Grammar类,我们可以方便地定义各种语法规则,并生成相应的AST节点。
class GRAMMAR_EXPORT Grammar : public IParser
{
private:
std::list<IParser*> m_parsers;
public:
static Grammar* grammar();
AstNode* parse(Tokenizer* tokenizer) override;
Grammar* o_r(const std::list<IParser*>& parsers);
Grammar* sequence(const std::list<IParser*>& parsers, const std::function<AstNode* (const std::vector<AstNode*>&)>& combine);
~Grammar();
};
1. 静态方法grammar()
静态方法grammar()用于获取Grammar实例。
Grammar* Grammar::grammar()
{
Grammar* grammar = new Grammar();
return grammar;
}
2. 解析方法parse()
parse()方法用于解析输入的Token流,并生成AST节点。
AstNode* Grammar::parse(Tokenizer* tokenizer)
{
for (IParser* parser : m_parsers)
{
parser->parse(tokenizer);
}
return nullptr;
}
3. 添加或逻辑o_r()
o_r()方法用于添加或逻辑,尝试多个解析器中的一个。
Grammar* Grammar::o_r(const std::list<IParser*>& parsers)
{
m_parsers.push_back(new Or(parsers));
return this;
}
4. 添加顺序逻辑sequence()
sequence()方法用于添加顺序逻辑,按顺序应用多个解析器,并组合结果。
Grammar* Grammar::sequence(const std::list<IParser*>& parsers, const std::function<AstNode* (const std::vector<AstNode*>&)>& combine)
{
m_parsers.push_back(new Sequence(parsers, combine));
return this;
}
5. 析构函数
析构函数用于释放资源。
Grammar::~Grammar()
{
for (IParser* parser : m_parsers)
{
delete parser;
}
m_parsers.clear();
}
示例代码解析
下面是一个具体的代码示例,展示了如何使用组合子构建AST,解析输入的表达式。
Tokenizer *tokenizer = new Tokenizer(
{
//"if(YongYong == 250)",
"250 + 188; "
});
Grammar* grammar = createPomian();
grammar->parse(tokenizer);
1. 创建Tokenizer
Tokenizer负责将输入字符串分解为Token。在本例中,输入字符串为“250 + 188;”,Tokenizer将其分解为数字Token、操作符Token和分号Token。
2. 创建Grammar实例
通过createPomian()函数创建Grammar实例,并定义具体的语法规则。
Grammar* createPomian()
{
Grammar* grammar = Grammar::grammar();
grammar->sequence({ createNumber(), createOperator({"+", "-"}), createNumber()}, [](const std::vector<AstNode*>& nodes)->AstNode* {
OperatorNode* operatorNode = dynamic_cast<OperatorNode*>(nodes.at(1));
BinaryExpr* binaryExpr = new BinaryExpr(
operatorNode->getOperatorToken(),
nodes.at(0),
nodes.at(2)
);
operatorNode->setOperatorToken(nullptr);
delete operatorNode;
return binaryExpr;
});
return grammar;
}
在本例中,定义了一个简单的算术表达式解析器,能够解析形如“数字 + 数字”的表达式,并生成相应的二元表达式节点。
3. 解析输入
调用grammar->parse(tokenizer)方法,解析输入的Token流,生成AST节点。
总结
通过使用组合子,我们可以灵活地定义各种语法规则,并生成相应的AST节点。这种方式不仅提高了代码的模块化和可维护性,还使得语法解析器的扩展和修改变得更加容易。
在Pomian语言处理器项目中,我们通过组合子构建了基本的算术表达式解析器。在未来的工作中,我们将继续扩展组合子的功能,支持更复杂的语法规则,如条件语句、循环语句等,从而实现对Pomian语言的全面支持。
组合子的使用是Pomian语言处理器项目中的一个重要里程碑,标志着我们在编译器开发道路上又迈出了坚实的一步。通过不断的学习和实践,我们相信Pomian语言处理器将会变得更加完善和强大。
参考文献
- Pomian语言处理器 研发笔记(一):使用C++的正则表达式构建词法分析器 【1†source】
- Pomian语言处理器研发笔记(二):使用组合模式定义表示程序结构的语法树 【2†source】
- 使用组合子构建抽象语法树 【3†source】
- 在C++11中实现函数式编程的组合子 【4†source】
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