Текст книги "Давайте создадим компилятор!"

Объединение с управляющими конструкциями

Сейчас давайте возвратимся назад к файлу который мы создали ранее и который выполняет синтаксический анализ управляющих конструкций. Помните небольшие фиктивные процедуры Condition и Expression? Теперь вы знаете, что в них должно находиться!

Я предупреждаю вас, вы собираетесь сделать некоторые творческие изменения, поэтому потратьте ваше время и сделайте это правильно. Вы должны скопировать все процедуры из анализатора логики от Ident до BoolExpression в синтаксический анализатор управляющих конструкций. Вставьте их в текущей позиции Condition. Затем удалите эту процедуру, так же как и фиктивную Expression. Затем замените каждый вызов Condition на обращение к BoolExpression. Наконец скопируйте процедуры IsMulop, IsOrOp, IsRelop, IsBoolean, и GetBoolean на место. Этого достаточно.

Откомпилируйте полученную программу и протестируйте ее. Так как мы не использовали эту программу некоторое время, не забудьте, что мы использовали односимвольные токены для IF, WHILE и т.д. Также не забудьте, что любая буква, не являющаяся ключевым словом, просто отображается на экране как блок.

Попробуйте:

ia=bxlye

что означает «IF a=b X ELSE Y ENDIF».

Что вы думаете? Работает? Попробуйте что-нибудь еще.

Добавление присваиваний

Раз у нас уже есть подпрограммы для выражений, мы могли бы также заменить «блоки» настоящими операциями присваивания. Мы уже делали это прежде, поэтому это не будет слишком трудно. Прежде, чем сделать этот шаг, однако, мы должны исправить кое-что еще.

Скоро мы обнаружим, что наши однострочные «программы», которые мы здесь пишем, будут ограничивать наш стиль. В настоящее время у нас нет способа вылечить это, потому что наш компилятор не распознает символы конца строки, возврат каретки (CR) и перевод строки (LF). Поэтому перед продвижением дальше давайте заткнем эту дыру.

Существует пара способов для работы с CR/LF. Один (подход C/Unix) просто рассматривает их как дополнительные символы пробела и игнорирует их. Фактически это не такой плохой подход, но он приводит к странным результатам для нашего анализатора в его текущем состоянии. Если бы он считывал входной поток из исходного файла как любой уважающий себя настоящий компилятор, не было бы никаких проблем. Но мы считываем входной поток с клавиатуры и ожидаем, что должно что-то произойти, когда мы нажимаем клавишу Return. Этого не произойдет, если мы просто перескакиваем CR и LF (попробуйте это). Поэтому я собираюсь использовать здесь другой метод, который в конечном счете не обязательно является лучшим методом. Рассматривайте его как временную замену до тех пор, пока мы не двинемся дальше.

Вместо того, чтобы пропускать CR/LF, мы позволим синтаксическому анализатору двигаться вперед и отлавливать их, затем предоставлять их специальной процедуре, аналогичной SkipWhite, которая пропускает их только в определенных «допустимых» местах.

Вот эта процедура:

{–}

{ Skip a CRLF }

procedure Fin;

begin

if Look = CR then GetChar;

if Look = LF then GetChar;

end;

{–}

Теперь добавьте два вызова Fin в процедуру Block следующим образом:

{–}

{ Recognize and Translate a Statement Block }

procedure Block(L: string);

begin

while not(Look in ['e', 'l', 'u']) do begin

Fin;

case Look of

'i': DoIf(L);

'w': DoWhile;

'p': DoLoop;

'r': DoRepeat;

'f': DoFor;

'd': DoDo;

'b': DoBreak(L);

else Other;

end;

Fin;

end;

end;

{–}

Теперь вы обнаружите, что можете использовать многострочные «программы». Единственное ограничение в том, что вы не можете отделять токены IF или WHILE от их предикатов.

Теперь мы готовы включить операторы присваивания. Просто замените вызов Other в процедуре Block на вызов Assignment и добавьте следующую процедуру, скопированную из одной нашей более ранней программы. Обратите внимание, что сейчас Assignment вызывает BoolExpression, поэтому мы можем присваивать логические переменные.

{–}

{ Parse and Translate an Assignment Statement }

procedure Assignment;

var Name: char;

begin

Name := GetName;

Match('=');

BoolExpression;

EmitLn('LEA ' + Name + '(PC),A0');

EmitLn('MOVE D0,(A0)');

end;

{–}

С этими изменениями у вас теперь должна быть возможность писать сносные, реалистично выглядящие программы, подчиненные только нашему ограничению односимвольными токенами. Первоначально я также намеревался избавить вас и от этого ограничения. Однако, это потребует довольно больших изменений того, что мы сделали к этому моменту. Нам нужен настоящий лексический анализатор и это требует некоторых структурных изменений. Это небольшие изменения, которые потребуют чтобы мы выбросили все, что мы сделали к этому времени… при желании это может быть сделано в действительности с минимальными изменениями. Но необходимо такое желание.

Эта глава и так получилась довольно длинной и она содержит довольно тяжелый материал, поэтому я решил оставить этот шаг до следующего раза, чтобы у вас было немного времени усвоить то, что мы сделали и вы были готовы начать на свежую голову.

В следующей главе, мы построим лексический анализатор и устраним односимвольный барьер раз и навсегда. Мы также напишем наш первый законченный компилятор, основанный на том, что мы сделали на этом уроке. Увидимся.

Лексический анализ

Введение

В последней главе я оставил вас с компилятором который должен почти работать, за исключением того, что мы все еще ограничены односимвольными токенами. Цель этого урока состоит в том, чтобы избавиться от этого ограничения раз и навсегда. Это означает, что мы должны иметь дело с концепцией лексического анализатора (сканера).

Возможно я должен упомянуть, почему нам вообще нужен лексический анализатор… в конце концов до настоящего времени мы были способны хорошо справляться и без него даже когда мы предусмотрели многосимвольные токены.

Единственная причина, на самом деле, имеет отношение к ключевым словам. Это факт компьютерной жизни, что синтаксис ключевого слова имеет ту же самую форму, что и синтаксис любого другого идентификатора. Мы не можем сказать пока не получим полное слово действительно ли это ключевое слово. К примеру переменная IFILE и ключевое слово IF выглядят просто одинаковыми до тех пор, пока вы не получите третий символ. В примерах до настоящего времени мы были всегда способны принять решение, основанное на первом символе токена, но это больше невозможно когда присутствуют ключевые слова. Нам необходимо знать, что данная строка является ключевым словом до того, как мы начнем ее обрабатывать. И именно поэтому нам нужен сканер.

На последнем уроке я также пообещал, что мы могли бы предусмотреть нормальные токены без глобальных изменений того, что мы уже сделали. Я не солгал… мы можем, как вы увидите позднее. Но каждый раз, когда я намеревался встроить эти элементы в синтаксический анализатор, который мы уже построили, у меня возникали плохие чувства в отношении их. Все это слишком походило на временную меру. В конце концов я выяснил причину проблемы: я установил программу лексического анализа не объяснив вам вначале все о лексическом анализе, и какие есть альтернативы. До настоящего времени я старательно избегал давать вам много теории и, конечно, альтернативные варианты. Я обычно не воспринимаю хорошо учебники которые дают двадцать пять различных способов сделать что-то, но никаких сведений о том, какой способ лучше всего вам подходит. Я попытался избежать этой ловушки, просто показав вам один способ, который работает.

Но это важная область. Хотя лексический анализатор едва ли является наиболее захватывающей частью компилятора он часто имеет наиболее глубокое влияние на общее восприятие языка так как эта часть наиболее близка пользователю. Я придумал специфическую структуру сканера, который будет использоваться с KISS. Она соответствует восприятию, которое я хочу от этого языка. Но она может совсем не работать для языка, который придумаете вы, поэтому в этом единственном случае я чувствую, что вам важно знать ваши возможности.

Поэтому я собираюсь снова отклониться от своего обычного распорядка. На этом уроке мы заберемся гораздо глубже, чем обычно, в базовую теорию языков и грамматик. Я также буду говорить о других областях кроме компиляторов в которых лексических анализ играет важную роль. В заключение я покажу вам некоторые альтернативы для структуры лексического анализатора. Тогда и только тогда мы возвратимся к нашему синтаксическому анализатору из последней главы. Потерпите… я думаю вы найдете, что это стоит ожидания. Фактически, так как сканеры имеют множество применений вне компиляторов, вы сможете легко убедиться, что это будет наиболее полезный для вас урок.

Лексический анализ

Лексический анализ – это процесс сканирования потока входных символов и разделения его на строки, называемые лексемами. Большинство книг по компиляторам начинаются с этого и посвящают несколько глав обсуждению различных методов построения сканеров. Такой подход имеет свое место, но, как вы уже видели, существуют множество вещей, которые вы можете сделать даже никогда не обращавшись к этому вопросу, и, фактически, сканер, который мы здесь закончим, не очень будет напоминать то, что эти тексты описывают. Причина? Теория компиляторов и, следовательно, программы следующие из нее, должны работать с большинством общих правил синтаксического анализа. Мы же не делаем этого. В реальном мире возможно определить синтаксис языка таким образом, что будет достаточно довольно простого сканера. И как всегда KISS – наш девиз.

Как правило, лексический анализатор создается как отдельная часть компилятора, так что синтаксический анализатор по существу видит только поток входных лексем. Теоретически нет необходимости отделять эту функцию от остальной части синтаксического анализатора. Имеется только один набор синтаксических уравнений, который определяет весь язык, поэтому теоретически мы могли бы написать весь анализатор в одном модуле.

Зачем необходимо разделение? Ответ имеет и теоретическую и практическую основы.

В 1956 Ноам Хомский определил «Иерархию Хомского» для грамматик. Вот они:

Тип 0. Неограниченные (например Английский язык)

Тип 1. Контекстно-зависимые

Тип 2. Контекстно-свободные

Тип 3. Регулярные.

Некоторые характеристики типичных языков программирования (особенно старых, таких как Фортран) относят их к Типу 1, но большая часть всех современных языков программирования может быть описана с использованием только двух последних типов и с ними мы и будем здесь работать.

Хорошая сторона этих двух типов в том, что существуют очень специфические пути для их анализа. Было показано, что любая регулярная грамматика может быть анализирована с использованием частной формы абстрактной машины, называемой конечным автоматом. Мы уже реализовывали конечные автоматы в некоторых их наших распознающих программ.

Аналогично грамматики Типа 2 (контекстно-свободные) всегда могут быть анализированы с использованием магазинного автомата (конечный автомат, дополненный стеком). Мы также реализовывали эти машины. Вместо реализации явного стека для выполнения работы мы положились на встроенный стек связанный с рекурсивным кодированием и это фактически является предочтительным способом для нисходящего синтаксического анализа.

Случается что в реальных, практических грамматиках части, которые квалифицируются как регулярные выражения, имеют склонность быть низкоуровневыми частями, как определение идентификатора:

<ident> ::= <letter> [ <letter> | <digit> ]*

Так как требуется различные виды абстрактных машин для анализа этих двух типов грамматик, есть смысл отделить эти низкоуровневые функции в отдельный модуль, лексический анализатор, который строится на идее конечного автомата. Идея состоит в том, чтобы использовать самый простой метод синтаксического анализа, необходимый для работы.

Имеется другая, более практическая причина для отделения сканера от синтаксического анализатора. Мы хотим думать о входном исходном файле как потоке символов, которые мы обрабатываем справа налево без возвратов. На практике это невозможно. Почти каждый язык имеет некоторые ключевые слова типа IF, WHILE и END. Как я упомянул ранее, в действительности мы не можем знать является ли данная строка ключевым словом до тех пор пока мы не достигнем ее конца, что определено пробелом или другим разделителем. Так что мы должны хранить строку достаточно долго для того, чтобы выяснить имеем мы ключевое слово или нет. Это ограниченная форма перебора с возвратом.

Поэтому структура стандартного компилятора включает разбиение функций низкоуровневого и высокоуровневого синтаксического анализа. Лексический анализатор работает на символьном уровне собирая символы в строки и т.п., и передавая их синтаксическому анализатору как неделимые лексемы. Также считается нормальным позволить сканеру выполнять работу по идентификации ключевых слов.

Конечные автоматы и альтернативы

Я упомянул, что регулярные выражения могут анализироваться с использованием конечного автомата. В большинстве книг по компиляторам а также в большинстве компиляторов, вы обнаружите, что это применяется буквально. Обычно они имеют настоящую реализацию конечного автомата с целыми числами, используемыми для определения текущего состояния и таблицей действий, выполняемых для каждой комбинации текущего состояния и входного символа. Если вы пишите «front end» для компилятора, используя популярные Unix инструменты LEX и YACC, это то, что вы получите. Выход LEX – конечый автомат, реализованный на C плюс таблица действий, соответствующая входной грамматике данной LEX. Вывод YACC аналогичен… исскуственный таблично-управляемый синтаксический анализатор плюс таблица, соответствующая синтаксису языка.

Однако это не единственный вариант. В наших предыдущих главах вы много раз видели, что возможно реализовать синтаксические анализаторы специально не имея дела с таблицами, стеками и переменными состояния. Фактически в пятой главе я предупредил вас, что если вы считает себя нуждающимся в этих вещах, возможно вы делаете что-то неправильно и не используете возможности Паскаля. Существует в основном два способа определить состояние конечного автомата: явно, с номером или кодом состояния и неявно, просто на основании того факта, что я нахожусь в каком-то определенном месте кода (если сегодня вторник, то это должно быть Бельгия). Ранее мы полагались в основном на неявные методы, и я думаю вы согласитесь, что они работают здесь хорошо.

На практике может быть даже не обязательно иметь четко определенный лексический анализатор. Это не первый наш опыт работы с многосимвольными токенами. В третьей главе мы расширили наш синтаксический анализатор для их поддержки и нам даже не был нужен лексический анализатор. Причиной было то, что в узком контексте мы всегда могли сказать просто рассматривая единственный предсказывающий символ, имеем ли мы дело с цифрой, переменной или оператором. В действительности мы построили распределенный лексический анализатор, используя процедуры GetName и GetNum.

Имея ключевые слов мы не можем больше знать с чем мы имеем дело до тех пор, пока весь токен не будет прочитан. Это ведет нас к более локализованному сканеру, хотя, как вы увидите, идея распределенного сканера все же имеет свои достоинства.

Эксперименты по сканированию

Прежде чем возвратиться к нашему компилятору, было бы полезно немного поэкспериментировать с общими понятиями.

Давайте начнем с двух определений, наиболее часто встречающихся в настоящих языках программирования:

<ident> ::= <letter> [ <letter> | <digit> ]*

<number ::= [<digit>]+

(Не забудьте, что "*" указывает на ноль или более повторений условия в квадратных скобках, а "+" на одно и более.)

Мы уже работали с подобными элементами в третьей главе. Давайте начнем (как обычно) с пустого Cradle. Не удивительно, что нам понадобится новая процедура распознавания:

{–}

{ Recognize an Alphanumeric Character }

function IsAlNum(c: char): boolean;

begin

IsAlNum := IsAlpha(c) or IsDigit(c);

end;

{–}

Используя ее, давайте напишем следующие две подпрограммы, которые очень похожи на те, которые мы использовали раньше:

{–}

{ Get an Identifier }

function GetName: string;

var x: string[8];

begin

x := '';

if not IsAlpha(Look) then Expected('Name');

while IsAlNum(Look) do begin

x := x + UpCase(Look);

GetChar;

end;

GetName := x;

end;

{–}

{ Get a Number }

function GetNum: string;

var x: string[16];

begin

x := '';

if not IsDigit(Look) then Expected('Integer');

while IsDigit(Look) do begin

x := x + Look;

GetChar;

end;

GetNum := x;

end;

{–}

(Заметьте, что эта версия GetNum возвращает строку, а не целое число, как прежде).

Вы можете легко проверить что эти подпрограммы работают, вызвав их из основной программы:

WriteLn(GetName);

Эта программа выведет любое допустимое набранное имя (максимум восемь знаков, потому что мы так сказали GetName). Она отвергнет что-либо другое.

Аналогично проверьте другую подпрограмму.

Пробел

Раньше мы также работали с вложенными пробелами, используя две подпрограммы IsWhite и SkipWhite. Удостоверьтесь, что эти подпрограммы есть в вашей текущей версии Cradle и добавьте строку:

SkipWhite;

в конец GetName и GetNum.

Теперь давайте определим новую процедуру:

{–}

{ Lexical Scanner }

Function Scan: string;

begin

if IsAlpha(Look) then

Scan := GetName

else if IsDigit(Look) then

Scan := GetNum

else begin

Scan := Look;

GetChar;

end;

SkipWhite;

end;

{–}

Мы можем вызвать ее из новой основной программы:

{–}

{ Main Program }

begin

Init;

repeat

Token := Scan;

writeln(Token);

until Token = CR;

end.

{–}

(Вы должны добавить описание строки Token в начало программы. Сделайте ее любой удобной длины, скажем 16 символов).

Теперь запустите программу. Заметьте, что входная строка действительно разделяется на отдельные токены.

Конечные автоматы

Подпрограмма анализа типа GetName действительно реализует конечный автомат. Состояние неявно в текущей позиции в коде. Очень полезным приемом для визуализации того, что происходит, является синтаксическая диаграмма или «railroad-track» диаграмма. Немного трудно нарисовать их в этой среде, поэтому я буду использовать их очень экономно, но фигура ниже должна дать вам идею:

Как вы можете видеть, эта диаграмма показывает логические потоки по мере чтения символов. Начинается все, конечно, с состояния «start» и заканчивается когда найден символ, отличный от алфавитно-цифрового. Если первый символ не буква, происходит ошибка. Иначе автомат продолжит выполнение цикла до тех пор, пока не будет найден конечный разделитель.

Заметьте, что в любой точке потока наша позиция полностью зависит от предыдущей истории входных символов. В этой точке предпринимаемые действия зависят только от текущего состояния плюс текущий входной символ. Это и есть то, что образует конечный автомат.

Из-за сложностей представления «railroad-track» диаграмм в этой среде я буду продолжать придерживаться с этого времени синтаксических уравнений. Но я настоятельно рекомендую вам диаграммы для всего, что включает синтаксический анализ. После небольшой практики вы можете начать видеть, как написать синтаксический анализатор непосредственно из диаграммы. Параллельные пути кодируются в контролирующие действия (с помощью операторов IF или CASE), последовательные пути – в последовательные вызовы. Это почти как работа по схеме.

Мы даже не обсудили SkipWhite, которая была представлена раньше, но это также простой конечный автомат, как и GetNum. Так же как и их родительская процедура Scan. Маленькие автоматы образуют большие автоматы.

Интересная вещь, на которую я хотел бы чтобы вы обратили внимание это то, как безболезненно такой неявный подход создает эти конечные автоматы. Я лично предпочитаю его таблично-управляемому методу. Он также получает маленькие, компактные и быстрые сканеры.

Новые строки

Продвигаясь прямо вперед, давайте модифицируем наш сканер для поддержки более чем одной строки. Как я упомянул последний раз, наиболее простой способ сделать это – просто обработать символы новой строки, возврат каретки и перевод строки, как незаполненное пространство. Фактически это способ, используемый подпрограммой iswhite из стандартной библиотеки C. Прежде мы не этого делали. Я хотел бы сделать это теперь, чтобы вы могли почувствовать результат.

Чтобы сделать это просто измените единственную выполнимую строку в IsWhite:

IsWhite := c in [' ', TAB, CR, LF];

Мы должны дать основной программы новое условие останова, так как она никогда не увидит CR. Давайте просто используем:

until Token = '.';

ОК, откомпилируйте эту программу и запустите ее. Попробуйте пару строк, завершаемых точкой. Я использовал:

now is the time

for all good men.

Эй, что случилось? Когда я набрал это, я не получил последний токен, точку. Программа не остановилась. Более того, когда я нажал клавишу 'enter' несколько раз, я все равно не получил точку.

Если вы все еще не можете выбраться из вашей программы, вы обнаружите, что набор точки в новой строке прервет ее.

Что здесь происходит? Ответ в том, что мы зависаем в SkipWhite. Короткий осмотр этой подпрограммы покажет, что пока мы печатаем пустые строки, мы просто продолжаем выполнение цикла. После того, как SkipWhite встречает LF, он пытается выполнить GetChar. Но так как входной буфер теперь пуст, оператор чтения в GetChar настаивает на наличии другой строки. Процедура Scan получает завершающую точку, все правильно, но она вызывает SkipWhite и SkipWhite не возвращается до тех пор, пока не получит непустую строку.

Такое поведение не настолько плохое, как кажется. В настоящем компиляторе мы читали бы символы из входного файла вместо консоли и пока мы имеем какую-то процедуру для работы с концом файла, все получится ОК. Но для чтения данных с консоли такое поведение слишком причудливое. Суть в том, что соглашение C/Unix просто не совместимо со структурой нашего анализатора, который запрашивает предсказывающий символ. Код, который мастера из Bell реализовали, не использует это соглашение, поэтому они нуждаются в 'ungetc'.

ОК, давайте исправим проблему. Чтобы сделать это, мы должны возвратиться к старому определению IsWhite (удалите символы CR и LF) и используйте процедуру Fin, которую я представил в последний раз. Если ее нет в вашей текущей версии Cradle, поместите ее там.

Также измените основную программу следующим обраазом:

{–}

{ Main Program }

begin

Init;

repeat

Token := Scan;

writeln(Token);

if Token = CR then Fin;

until Token = '.';

end.

{–}

Обратите внимание на «охраняющую» проверку, предшествующую вызову Fin. Это то, что заставляет все это работать, и проверяет, то мы не пытаемся прочитать строку дальше.

Сейчас испытайте этот код. Я думаю он понравится вам больше.

Если вы обратитесь к коду, который мы написали в последней главе, вы обнаружите, что я расставил вызовы Fin по всему коду, где прерывание строки было бы уместным. Это одна из тех областей, которые действительно влияют на восприятие, о котором я упомянул. В этой точке я должен убедить вас поэкспериментировать с различными способами организациями и посмотреть, как вам это понравится. Если вы хотите, чтобы ваш язык был по настоящему свободного стиля, тогда новые строки должны быть прозрачны. В этом случае наилучшим подходом было бы поместить следующие строки в начале Scan:

while Look = CR do

Fin;

Если, с другой стороны, вам нужен строчно-ориентированный язык подобный Ассемблеру, BASIC или FORTRAN (или даже Ada… заметьте, что он имеет комментарии, завершаемые новой строкой), тогда вам необходимо, чтобы Scan возвращал CR как токены. Он также должен съедать завершающие LF. Лучший способ сделать – использовать эту строку в самом начале Scan:

if Look = LF then Fin;

Для других соглашений вы будете должны использовать другие способы организации. В моем примере на последнем уроке я разрешил новые строки только в определенных местах, поэтому я занял какое-то промежуточное положение. В остальных частях этих занятий я буду выбирать такие способы обработки новых строк какие мне понравятся, но я хочу, чтобы вы знали, как выбрать для себя другой путь.