Clang之词法分析Lex
Clang是LLVM编译器框架的前端（Frontend）编译器，可编译链接C、C++、Objective-C和Objective-C++四种语言的项目代码。Clang 的开发目标是提供一个可以替代 GCC 的前端编译器，与GCC相比，节省时间和内存空间；拥有更人性化的代码诊断输出；基于库的框架，使编译和链接过程模块化；方便集成进IDE等等（具体参见calng源码目录clang/www/comparison.html， clang都指源码目录，以下都同此）。从开发角度，GCC或G++代码庞大，代码耦合度高，“是一个纯粹的编译系统”，非常不利于二次开发。LLVM+Clang则不同，可谓开发者的编译器。
1、何为前端（Frontend）
早期，我们将编译器描述为一个简单的盒子，能够将源程序转化为目标程序即可…单盒模型指出，编译器必须理解源程序并将功能映射到目标机。这两项任务截然不同的性质暗示着一种可能的任务划分，并最终导致了一种将编译分解为两个主要部分的设计：前端和后端。（摘自《编译器设计》，Keith D.Cooper Linda Torczon著）。LLVM就是如上所说之后端，Clang就是前端。以下论述中llvm的版本为3.6.0。
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2、三步演绎
编译过程一般分为词法分析、语法分析和语义分析，clang也不例外：
clang通过Preprocessor词法分析出一个一个 Token；
语法分析可得AST（Abstract Syntax Tree，抽象语法树），clang提供了访问者Visistor和各种回调函数供用户使用；
Clang基本支持C系列的标准，在语义分析之上——静态代码分析层面，通过注册机制，只需实现ExplodedGraph提供Checker 和 CheckerVisitor接口就可实现高级语义检查。
3、 词法分析（Lex）
Clang词法分析的核心数据结构是预编译器Preprocessor，循环调用Preprocessor.Lex(Token)可解析出一个一个Token。使用Proprocessor需要一大堆的初始化函数，首先从构造函数着手。
3.1 构造函数说明
Preprocessor(IntrusiveRefCntPtr<PreprocessorOptions> PPOpts,
DiagnosticsEngine &diags, LangOptions &opts,
SourceManager &SM, HeaderSearch &Headers,
ModuleLoader &TheModuleLoader,
IdentifierInfoLookup *IILookup, bool OwnsHeaders,
TranslationUnitKind TUKind)
（1）PreprocessorOptions
为Preprocess初始化做准备，主要设置预处理选项，如提供宏参数（-Dbug）、重映射文件说明（Remappedfile）等；
（2）DiagnosticsEngine
Diagnostics存放于源代码clang/lib/Basic中，足说明它是一个很基础的类，贯穿整个clang。DiagnosticsEngine是供前端报告错误、警告、提示等消息的具体类，它需要一个翻译单元和位置管理器（DiagnosticsEngine is tied to one translation unit and one SourceManager，因为一般编译打印的诊断信息主要就是错误的位置、错误类型）。
它有一个成员函数Report成员函数，可以触发各种Diagnositc信息，还有一个回调的类DiagnosticConsumer处理触发的各种Diagnositc。
inline DiagnosticBuilder Report(SourceLocation Loc, unsigned DiagID); inline DiagnosticBuilder Report(unsigned DiagID);
其构造函数如下，下面一一说明。
DiagnosticsEngine(const IntrusiveRefCntPtr<DiagnosticIDs> &Diags,
DiagnosticOptions *DiagOpts,
DiagnosticConsumer *client = nullptr,
bool ShouldOwnClient = true);
（2-1）DiagnosticIDs
所有代码的诊断（Diagnostic）信息的种类和输出方式等都在这里实现。Clang/include/clang/Basic下 DiagnosticCommonKinds.inc， DiagnosticDriverKinds.inc， DiagnosticFrontendKinds.inc， DiagnosticSerializationKinds.inc， DiagnosticLexKinds.inc， DiagnosticParseKinds.inc， DiagnosticASTKinds.inc， DiagnosticCommentKinds.inc， DiagnosticSemaKinds.inc， DiagnosticAnalysisKinds.inc列举了各种诊断信息。
（2-2）DiagnosticOptions
Diagnostic的选项设置。
（2-3）DiagnosticConsumer
该类是一个回调类，对已经得到的诊断（Diagnostic）信息，做再次处理，主要作用是以定制的方式呈现给外界。Clang中实现了DiagnosticConsumer的继承类，如IgnoringDiagConsumer， LogDiagnosticPrinter，TextDiagnosticPrinter，ForwardingDiagnosticConsumer等，如下简单打印是第几个warnings：
class clientConsumer:public DiagnosticConsumer{
void HandleDiagnostic(DiagnosticsEngine::Level Level,
const Diagnostic &Info) {
DiagnosticConsumer::HandleDiagnostic(Level, Info);
std::cout<<getNumWarnings()<<"th warnings occurs!"<<std::endl;//当warning出现时，打印输出。}};
Clang中的诊断Diagnostic等级有六类,如下枚举：
enum Level {
Ignored = DiagnosticIDs::Ignored,
Note = DiagnosticIDs::Note,
Remark = DiagnosticIDs::Remark,
Warning = DiagnosticIDs::Warning,
Error = DiagnosticIDs::Error,
Fatal = DiagnosticIDs::Fatal
};
（2-4）ShouldOwnClient
当设置为True时，可以转移DiagnosticsEngine 的控制权（具体可以参考DiagnosticsEngine的takeClient()成员函数）。
（3）LangOptions
主要是关于C/C++/Objective-c/objective-c++语言的一些选项。
（4）SourceManager
SourceManager也位于clang/lib/Basic中，是资源管理的工具箱（Track and cache source files）。除cache、buffer管理之外，还管理SourceLocation。
（4-1）SourceLocation
SourceLocation：Encodes a location in the source. The SourceManager can decode this to get at the full include stack, line and column information.在编译器中需要用到的三个“重要”Location：行号，列号，声明和调用文件路径，都与SourceManager有关，其中行号和列号用SourceLocation表示。SourceLocation是一个偏移，整个type大小为四个字节（4==sizeof（SourceLocation））。SourceRange是两个SourceLocation组成的区间。
（4-2）Location种类
Location有三种类型：spelling Location，expansion Location，presumed location。
当遇到宏展开的时候，expansion和presumed解析方式一样，行的结果可能不能一样（因为presumed遇到#line会重新计算行号），列结果一样都是call的列；而spelling是其原始定义（#define）的行和列。
当遇到#line指定行号之后的代码，spelling和expansion结果一样（非宏定义的地方），而presumed会重新计算行号。如下简单说明，第六行的数字2的位置spelling是第一行，而expansion则是其展开的位置第六行，presumed因为前面有#line 4则表示第四行。
：#define min（x，y） (x)>(y)?(y):(x)
：
：Void main(int argc,char **argv){
:
：#line 4
:int a=min(,);
//解析数字2的位置：|spelling |expansion|presumed|
// | 1行 | 6行 | 4行 |
：}
调用SourceManager的getSpellingLineNumber(SourceLocation)获得行号，getSpellingColumNumber（SourceLocation）获得列号。其他两种Location类似。
（4-3）Token所在的文件
Preprocessor不仅处理cpp文件中的Token，而且还处理#include的Token。如果此Token属于#include文件，可以使用sourceManager的getBufferName成员函数。如下示例：
if(!SourceMgr_->isInMainFile(tok.getLocation())) std::cout<<SourceMgr_->getBufferName(tok.getLocation())<<std::endl;
如果是在MainFile中（即translation unit中的CPP文件），可以通过SourceManager的getPresumedLoc（SourceLocation）获取PresumedLoc，该类中有相关filename。
FileID fd=SourceMgr_->getMainFileID();
if (!fd.isInvalid()){
std::cout<<"main file:";
const FileEntry * FE=SourceMgr_->getFileEntryForID(fd);
if (FE && FE->isValid())
std::cout<<FE->getName()<<std::endl;
}
（5）HeaderSearch
提供头文件的搜寻位置，其AddSearchPath成员函数可以为头文件搜索提供新的路径，当AddSearchPath第二个参数设置为True，则会覆盖原有路径；如果为false，则为添加。
const DirectoryEntry *DE = FileMgr.getDirectory(SearchPath);
if(DE){
DirectoryLookup DL(DE, SrcMgr::C_User, false);
HeaderInfo->AddSearchPath(DL, false);
}
（6）ModuleLoader
主要预处理Objective-C语言代码中@import指令。在clang/doc/Modules.rst中，大篇幅谈及了import加载模块的好处，将向C++委员会建议加入此功能。
（7）IdentifierInfoLookup
词法解析（Lex）每个Token，都有与之对应TokenKinds，Identifier是TokenKinds的其中一种（include/clang/Bａｓｉｃ／ＴｏｋｅｎＫｉｎｄｓ．ｄｅｆ有说明），主要是指函数或者变量名等。IdentifierInfoLookup 是个抽象接口【virtual IdentifierInfo* get(StringRef Name) 必须实现】，在Preprocessor构造函数中，如果该项不为ＮＵＬＬ，预处理器在查询IdentiferInfo表（hash表）时，将优先调用IdentifierInfoLookup的ｇｅｔ成员函数，获取ＩｄｅｎｔｉｆｉｅｒＩｎｆｏ，这样就可以达到修改Ｔｏｋｅｎ的ＩｄｅｎｔｉｆｉｅｒＩｎｆｏ属性的目的。
（8）OwnsHeaders
如果前面的HeaderSearch是动态分配的，该项设置为true，则Preprocessor会回收该空间。无需用户调用delete。
（9）TranslationUnitKind
每一个Cpp及include文件组成一个翻译单元（Translation unit），在Preprocessor中默认为TU_Complete，表示是一个完整的翻译单元，也没有使用该参数。
enum TranslationUnitKind {
/// \brief The translation unit is a complete translation unit.
TU_Complete,
/// \brief The translation unit is a prefix to a translation unit, and is
/// not complete.
TU_Prefix,
/// \brief The translation unit is a module.
TU_Module
};
至此，Preprocessor的构造函数说明，在使用之前只需要做些繁琐的初始化工作。
3.2 Preprocessor钩子
在预处理translation unit完每一部分（如#include、#if）的时候，还可以往Preprocessor中添加“钩子”（ 继承PPCallbacks，实现某些接口函数，然后addPPCallbacks），就可以将用户的“意图”加入到Preprocessor的处理过程中。这些可以接口函数参考clang/Lex/PPCallbacks.h文件。如下示例实现了InclusionDirective接口，打印#include文件的搜索路径。
/*该回调函数打印#include文件的搜索路径*/
class InclusionDirectiveCallbacks : public PPCallbacks {
public:
void InclusionDirective(SourceLocation HashLoc,
const Token &IncludeTok,
StringRef FileName,
bool IsAngled,
CharSourceRange FilenameRange,
const FileEntry *File,
StringRef SearchPath,
StringRef RelativePath,
const Module *Imported) {
std::cout<< FileName.str()<<std::endl;
std::cout<<SearchPath.str()<<std::endl; }};
在clang中源代码中有PPConditionalDirectiveRecord和PreprocessingRecord——两个Preprocess的Hooks，以PPConditionalDirectiveRecord为例，监听Preprocess处理#If，#Ifdef，#Ifndef，#Elif，#Else，#Endif。
PPConditionalDirectiveRecord *callbacks2=new PPConditionalDirectiveRecord(*SourceMgr_);
PP.addPPCallbacks(std::unique_ptr<PPCallbacks>(callbacks2));
….
//测试一个代码位置区间是否与#If，#Ifdef，#Ifndef，#Elif，#Else，#Endif等模块有交集
bool ret=callbacks2->rangeIntersectsConditionalDirective(SourceRange(innerdefiner,outdefiner));
3．3整个代码
（1）makefile
LLVM基础库众多，而且找对应库非常麻烦。借助llvm-config工具，虽然降低了编译速度，但使用简单。以下用clang++编译LexerTest.cpp。
CXX := clang++
LLVMCOMPONENTS := cppbackend
RTTIFLAG := -fno-rtti
LLVMCONFIG := llvm-config
CXXFLAGS := -I. -I/usr/local/include -I/usr/include -I$(shell $(LLVMCONFIG) --src-root)/tools/clang/include -I$(shell $(LLVMCONFIG) --obj-root)/tools/clang/include -g $(shell $(LLVMCONFIG) --cxxflags) $(RTTIFLAG)
LLVMLDFLAGS := $(shell $(LLVMCONFIG) --ldflags --libs $(LLVMCOMPONENTS))
SOURCES = LexerTest.cpp
OBJECTS = $(SOURCES:.cpp=.o)
EXES = $(OBJECTS:.o=)
CLANGLIBS = \
-lclangTooling\
-lclangFrontendTool\
-lclangFrontend\
-lclangDriver\
-lclangSerialization\
-lclangCodeGen\
-lclangParse\
-lclangSema\
-lclangStaticAnalyzerFrontend\
-lclangStaticAnalyzerCheckers\
-lclangStaticAnalyzerCore\
-lclangAnalysis\
-lclangARCMigrate\
-lclangRewriteFrontend\
-lclangRewrite\
-lclangEdit\
-lclangAST\
-lclangLex\
-lclangBasic\
$(shell $(LLVMCONFIG) --libs)\
$(shell $(LLVMCONFIG) --system-libs)
#all: $(OBJECTS)
#$(EXES)
%.o:%.cpp
$(CXX) $(CXXFLAGS) -c -o $@ $<
#%: %.o
LexerTest: LexerTest.o
$(CXX) -o $@ *.o $(CLANGLIBS) $(LLVMLDFLAGS)
#FrontendAction:FrontendAction.o
clean:
-rm -f $(EXES) $(OBJECTS)
（2）源代码
#include "clang/Lex/Lexer.h"
#include "clang/Basic/Diagnostic.h"
#include "clang/Basic/DiagnosticOptions.h"
#include "clang/Basic/FileManager.h"
#include "clang/Basic/LangOptions.h"
#include "clang/Basic/SourceManager.h"
#include "clang/Basic/TargetInfo.h"
#include "clang/Basic/TargetOptions.h"
#include "clang/Lex/HeaderSearch.h"
#include "clang/Lex/HeaderSearchOptions.h"
#include "clang/Lex/ModuleLoader.h"
#include "clang/Lex/Preprocessor.h"
#include "clang/Lex/PreprocessorOptions.h"
#include "clang/Frontend/TextDiagnosticPrinter.h"
#include "clang/Lex/PPConditionalDirectiveRecord.h"
#include "llvm/Support/Path.h"
#include<iostream>
using namespace llvm;
using namespace clang;
class clientConsumer:public DiagnosticConsumer{
void HandleDiagnostic(DiagnosticsEngine::Level Level,
const Diagnostic &Info) {
DiagnosticConsumer::HandleDiagnostic(Level, Info);
std::cout<<getNumWarnings()<<"th warnings occurs!"<<std::endl;
}
};
std::string getSourceText_(Token Begin, Token End, SourceManager * SourceMgr_,
LangOptions & LangOpts);
class InclusionDirectiveCallbacks : public PPCallbacks {
public:
void InclusionDirective(SourceLocation HashLoc,
const Token &IncludeTok,
StringRef FileName,
bool IsAngled,
CharSourceRange FilenameRange,
const FileEntry *File,
StringRef SearchPath,
StringRef RelativePath,
const Module *Imported) {
std::cout<< “include file:”<<FileName.str()<<”::”;
std::cout<<SearchPath.str()<<std::endl;
}
};
class IDLookup :public IdentifierInfoLookup{
IdentifierInfo* get(StringRef Name){
return NULL;
}
};
class moduleImportCallback:public PPCallbacks{
public:
void moduleImport(SourceLocation ImportLoc,
ModuleIdPath Path,
const Module *Imported) {
if(Imported)
std::cout<<"import:"<<Imported->Name<<std::endl;
}
};
class VoidModuleLoader : public ModuleLoader {
ModuleLoadResult loadModule(SourceLocation ImportLoc,
ModuleIdPath Path,
Module::NameVisibilityKind Visibility,
bool IsInclusionDirective) override {
std::cout<<"load Module:"<<std::endl;
return ModuleLoadResult();
}
void makeModuleVisible(Module *Mod,
Module::NameVisibilityKind Visibility,
SourceLocation ImportLoc,
bool Complain) override { std::cout<<Mod->Name<<std::endl;}
GlobalModuleIndex *loadGlobalModuleIndex(SourceLocation TriggerLoc) override
{
std::cout<<"loadGlobalModuleIndex"<<std::endl;
return nullptr; }
bool lookupMissingImports(StringRef Name, SourceLocation TriggerLoc) override
{
std::cout<<"lookupMissingImports"<<std::endl;
return ;}
};
bool CheckLex(StringRef Source) {
DiagnosticOptions diagnosticOptions;
TextDiagnosticPrinter *pTextDiagnosticPrinter =
new TextDiagnosticPrinter(
llvm::errs(),
&diagnosticOptions,
true);
IntrusiveRefCntPtr<DiagnosticIDs> DiagID(new DiagnosticIDs());
clientConsumer cC;
DiagnosticsEngine *Diags =new DiagnosticsEngine(DiagID,
&diagnosticOptions,
//pTextDiagnosticPrinter);
//new IgnoringDiagConsumer());
&cC,false);
FileSystemOptions FileMgrOpts;
FileManager FileMgr(FileMgrOpts);
SourceManager * SourceMgr_= new SourceManager(*Diags,FileMgr);
LangOptions LangOpts;
clang::TargetOptions targetOptions;
targetOptions.Triple = llvm::sys::getDefaultTargetTriple();
IntrusiveRefCntPtr<TargetInfo> Target = TargetInfo::CreateTargetInfo(*Diags,
std::make_shared<clang::TargetOptions>(targetOptions));
std::unique_ptr<MemoryBuffer> Buf = MemoryBuffer::getMemBuffer(Source);
const FileEntry *File = FileMgr.getFile("./input.cpp");
if(File){
SourceMgr_->setMainFileID(SourceMgr_->createFileID(File,SourceLocation(),SrcMgr::C_User));
}
else
SourceMgr_->setMainFileID(SourceMgr_->createFileID(std::move(Buf)));
VoidModuleLoader ModLoader;
HeaderSearch *HeaderInfo=new HeaderSearch(new HeaderSearchOptions, *SourceMgr_, *Diags, LangOpts,
Target.get());
StringRef SearchPath = llvm::sys::path::parent_path("/home/usr/Desktop/Lex");
const DirectoryEntry *DE = FileMgr.getDirectory(SearchPath);
const DirectoryEntry *DE1 = FileMgr.getDirectory("/home/usr/Desktop/Lex");
if(DE1&&DE){
DirectoryLookup DL(DE, SrcMgr::C_User, false);
DirectoryLookup DL1(DE1, SrcMgr::C_User, false);
HeaderInfo->AddSearchPath(DL, false);
HeaderInfo->AddSearchPath(DL1, true);}
IDLookup *idlookup=new IDLookup;
Preprocessor PP(new PreprocessorOptions(), *Diags, LangOpts, *SourceMgr_,
*HeaderInfo, ModLoader, /*IILookup =*/NULL,
/*OwnsHeaderSearch =*/true,TU_Prefix);
PP.Initialize(*Target);
moduleImportCallback *Callbacks1= new moduleImportCallback;
PP.addPPCallbacks(std::unique_ptr<PPCallbacks>(Callbacks1));
InclusionDirectiveCallbacks *Callbacks=new InclusionDirectiveCallbacks;
PP.addPPCallbacks(std::unique_ptr<PPCallbacks>(Callbacks));
PPConditionalDirectiveRecord *callbacks2=new PPConditionalDirectiveRecord(*SourceMgr_);
PP.addPPCallbacks(std::unique_ptr<PPCallbacks>(callbacks2));
PP.EnterMainSourceFile();
bool Invalid;
bool islong=false;
SourceLocation innerdefiner;
SourceLocation outdefiner;
while () {
Token tok;
PP.Lex(tok);
if (tok.is(tok::eof))
break;
std::string str =getSourceText_(tok,tok,
SourceMgr_, LangOpts);
if(str=="printf")
Diags->Report(diag::warn_mt_message) << str;
if(str=="innerDefiner")
innerdefiner=tok.getLocation();
if(str=="outDefiner")
outdefiner=tok.getLocation();
//std::cout<<str<<":"<<tok.getName()<<std::endl;
//std::cout<<str<<std::endl;
//std::cout<<Str.data()<<std::endl;
/* std::cout<<str<<"::" \
<<SourceMgr_->getExpansionLineNumber(tok.getLocation())<<":" \
<<SourceMgr_->getExpansionColumnNumber(tok.getLocation())<<std::endl;*/
std::cout<<str<<"----";
if(!SourceMgr_->isInMainFile(tok.getLocation()))
std::cout<<SourceMgr_->getBufferName(tok.getLocation())<<std::endl;
}
FileID fd=SourceMgr_->getMainFileID();
if (!fd.isInvalid()){
std::cout<<"main file:";
const FileEntry * FE=SourceMgr_->getFileEntryForID(fd);
if (FE && FE->isValid())
std::cout<<FE->getName()<<std::endl;
}
bool ret=callbacks2->rangeIntersectsConditionalDirective(SourceRange(innerdefiner,outdefiner));
if(ret)
std::cout<<"Total Memory:"<<callbacks2->getTotalMemory()<<std::endl;
return true;
}
//}//end namespace clangT
std::string getSourceText_(Token Begin, Token End, SourceManager * SourceMgr_,
LangOptions & LangOpts) {
bool Invalid;
StringRef Str =
Lexer::getSourceText(CharSourceRange::getTokenRange(SourceRange( \
Begin.getLocation(), End.getLocation())),
*SourceMgr_, LangOpts, &Invalid);
if (Invalid)
return "<INVALID>";
// std::cout<<Str.str()<<std::endl;
return Str;
}
int main(int argc,char **argv)
{
FileSystemOptions fileSystemOptions;
FileManager file(fileSystemOptions);
auto FileBuffer=file.getBufferForFile("./input.cpp");
std::string code= (*FileBuffer)->getBuffer();
CheckLex(code);
}
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