用java实现一个简易编译器1-词法解析入门

Posted 2020-10-09 csguo

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技术的发展可谓是日新月异，层出不穷，但无论是炙手可热的大数据，还是火烧鸟了的人工智能，所有这些高大上的尖端科技无不建立在基础技术的根基之上。编译原理，计算机网络，操作系统，便是所有软件技术的基石。在这三根支柱中，维编译原理最为难懂，特别是大学课本那种晦涩难通，不讲人话的言语，更是让人觉得这门基础技术就像九十多岁的老妪，皮肤干巴，老态龙钟，让人提不起一点欲望。除了国内教材，就算是被广为称赞的一千多页的”龙书“，也是满篇理论，让人望而生畏。

味道怎样，咬一口就知道，手感如何，摸一把就晓得。编译原理缺的不是理论概念，而是能够动手实践的流程，代码，很多原理用话语怎么讲都难以明了，但跑一遍代码，基本就水落石出。本文本着动手实操(念第一声)的原则，用java实现一个简单的编译器，让读者朋友能一感编译原理的实质，我秉持一个原则，没有代码可实践的计算机理论，都是耍流氓。

 

编译器作用就是将一种计算机无法理解的文本，转译成计算机能执行的语句，我们要做的编译器如下，将带有加法和乘法的算术式子，转译成机器能执行的汇编语句，例如语句：

1+2*3+4, 经过编译后转换成：

t0 = 1

t1 = 2

t2 = 3

t1 *= t2

t0 += t1

t1 = 4

t0 += t1

t0, t1 是对寄存器的模拟，上述语句基本上就类似计算机能执行的汇编语句了。

 

本章首先专注于词法解析的探讨。

 

编译原理由两部分组成，一是词法分析，一是语义分析。先说词法分析，词法分析就是将一个语句分割成若干个有意义的字符串的组合，然后给分割的字符串打标签。例如语句：

1+2*3+4; 可以分割成 1+, 2*, 3+, 4; 但这些子字符串没有实质意义，有意义的分割是1, +, 2, * , 3, +, 4, ;. 接着就是给这些分割后的字符串打标签，例如给1, 2, 3, 4 打上的标签是NUM_OR_ID,  + 打的标签是PLUS, ＊的标签是TIMES, ;的标签是SEMI, 好了，看看词法分析的代码，大家可能更容易理解：

Lexer.java:

 

[java] view plain copy

 

1. import java.util.Scanner;  
2.   
3.   
4. public class Lexer {  
5.     public static final int  EOI = 0;  
6.     public static final int  SEMI = 1;  
7.     public static final int  PLUS = 2;  
8.     public static final int  TIMES = 3;  
9.     public static final int  LP = 4;  
10.     public static final int  RP = 5;  
11.     public static final int  NUM_OR_ID = 6;  
12.       
13.     private int lookAhead = -1;  
14.       
15.     public String yytext = "";  
16.     public int yyleng = 0;  
17.     public int yylineno = 0;  
18.       
19.     private String input_buffer = "";  
20.     private String current = "";  
21.       
22.     private boolean isAlnum(char c) {  
23.         if (Character.isAlphabetic(c) == true ||  
24.                 Character.isDigit(c) == true) {  
25.             return true;  
26.         }  
27.           
28.         return false;  
29.     }  
30.       
31.     private int lex() {  
32.       
33.         while (true) {  
34.               
35.             while (current == "") {  
36.                 Scanner s = new Scanner(System.in);  
37.                 while (true) {  
38.                     String line = s.nextLine();  
39.                     if (line.equals("end")) {  
40.                         break;  
41.                     }  
42.                     input_buffer += line;  
43.                 }  
44.                 s.close();  
45.                   
46.                 if (input_buffer.length() == 0) {  
47.                     current = "";  
48.                     return EOI;  
49.                 }  
50.                   
51.                 current = input_buffer;  
52.                 ++yylineno;  
53.                 current.trim();  
54.             }//while (current != "")  
55.                   
56.                 for (int i = 0; i < current.length(); i++) {  
57.                       
58.                     yyleng = 0;  
59.                     yytext = current.substring(0, 1);  
60.                     switch (current.charAt(i)) {  
61.                     case ‘;‘: current = current.substring(1); return SEMI;  
62.                     case ‘+‘: current = current.substring(1); return PLUS;  
63.                     case ‘*‘: current = current.substring(1);return TIMES;  
64.                     case ‘(‘: current = current.substring(1);return LP;  
65.                     case ‘)‘: current = current.substring(1);return RP;  
66.                       
67.                     case ‘\n‘:  
68.                     case ‘\t‘:  
69.                     case ‘ ‘: current = current.substring(1); break;  
70.                       
71.                     default:  
72.                         if (isAlnum(current.charAt(i)) == false) {  
73.                             System.out.println("Ignoring illegal input: " + current.charAt(i));  
74.                         }  
75.                         else {  
76.                               
77.                             while (isAlnum(current.charAt(i))) {  
78.                                 i++;  
79.                                 yyleng++;  
80.                             } // while (isAlnum(current.charAt(i)))  
81.                               
82.                             yytext = current.substring(0, yyleng);  
83.                             current = current.substring(yyleng);   
84.                             return NUM_OR_ID;  
85.                         }  
86.                           
87.                         break;  
88.                           
89.                     } //switch (current.charAt(i))  
90.                 }//  for (int i = 0; i < current.length(); i++)   
91.               
92.         }//while (true)   
93.     }//lex()  
94.       
95.     public boolean match(int token) {  
96.         if (lookAhead == -1) {  
97.             lookAhead = lex();  
98.         }  
99.           
100.         return token == lookAhead;  
101.     }  
102.       
103.     public void advance() {  
104.         lookAhead = lex();  
105.     }  
106.       
107.     public void runLexer() {  
108.         while (!match(EOI)) {  
109.             System.out.println("Token: " + token() + " ,Symbol: " + yytext );  
110.             advance();  
111.         }  
112.     }  
113.       
114.     private String token() {  
115.         String token = "";  
116.         switch (lookAhead) {  
117.         case EOI:  
118.             token = "EOI";  
119.             break;  
120.         case PLUS:  
121.             token = "PLUS";  
122.             break;  
123.         case TIMES:  
124.             token = "TIMES";  
125.             break;  
126.         case NUM_OR_ID:  
127.             token = "NUM_OR_ID";  
128.             break;  
129.         case SEMI:  
130.             token = "SEMI";  
131.             break;  
132.         case LP:  
133.             token = "LP";  
134.             break;  
135.         case RP:  
136.             token = "RP";  
137.             break;  
138.         }  
139.           
140.         return token;  
141.     }  
142. }  

 

代码中2到6行是对标签的定义，其中LP 代表左括号(,  RP代表右括号)， EOI 表示语句末尾, 第10行的lookAhead 变量用于表明当前分割的字符串指向的标签值，yytext用于存储当前正在分析的字符串，yyleng是当前分析的字符串的长度，yylineno是当前分析的字符串所在的行号。input_buffer 用于存储要分析的语句例如: 1+2*3+4;  isAlNum 用于判断输入的字符是否是数字或字母。lex() 函数开始了词法分析的流程，31到40行从控制台读入语句，语句以"end"表明结束，例如在控制台输入：

1+2*3+4;

end

回车后，从52行开始执行词法解析流程。以上面的输入为例，input_buffer 存储语句 1+2*3+4, 由于第一个字符是 1, 在for 循环中，落入switch 的default 部分，isAlNum 返回为真，yyleng 自加后值为1， yytext 存储的字符串就是 "1", current前进一个字符变为+2*3+4, 再次执行lex(), 则解析的字符是+, 在for 循环中，落入switch的case ‘+‘ 分支，于是yytext为"+", 返回的标签就是PLUS依次类推， advance 调用一次， lex()就执行一次词法分析，当lex执行若干次后，语句1+2*3+4;会被分解成1, +, 2, *, 3, +, 4, ; 。字符串1, 2, 3, 4具有的标签是NUM_OR_ID, + 具有的标签是PLUS, ＊的标签是TIMES, ;的标签是SEMI.

 

runLexer() 将驱动词法解析器，执行解析流程，如果解析到的当前字符串，其标签不是EOI(end of input), 也就是没有达到输入末尾，那么就打印出当前分割的字符串和它所属的标签，接着调用advance() 进行下一次解析。

 

match, advance 会被稍后我们将看到的语法解析器调用。

 

接下来我们在main函数中，跑起Lexer, 看看词法解析过程：

Compiler.java

 

[java] view plain copy

 

1. public class Compiler {  
2.   
3.     public static void main(String[] args) {  
4.         Lexer lexer = new Lexer();  
5.         //Parser parser = new Parser(lexer);  
6.         //parser.statements();  
7.         lexer.runLexer();  
8.     }  
9. }  

在eclipse 中运行给定代码，然后在控制台中输入如下：

 

 

1+2*3+4;

end

程序运行后输出：

 

 

Token: NUM_OR_ID ,Symbol: 1

Token: PLUS ,Symbol: +

Token: NUM_OR_ID ,Symbol: 2

Token: TIMES ,Symbol: *

Token: NUM_OR_ID ,Symbol: 3

Token: PLUS ,Symbol: +

Token: NUM_OR_ID ,Symbol: 4

Token: SEMI ,Symbol: ;

 

后记：

该篇叙述的只是一个简单的词法解析入门，希望通过可运行的代码，让大家能体会一下词法分析的流程，从感性上获得直接的认识，为后续理解完整专业的词法解析打下基础。

完整的代码我会上传到csdn, 大家可以获得代码后，自己运行尝试一下。我将在后续的文章中，继续与大家一起探讨一个完整编译器的开发。

 

另外，我希望将此教程制作成视频模式，大家通过观看视频，可以更直观的看到代码调试，解析，运行等流程，更容易学习和加深理解，如果哪位朋友有兴趣，留个邮箱，我把

制作好的视频发给你们，并虚心的向诸位朋友求教。