python实现算术表达式的词法语法语义分析（编译原理应用）

本学期编译原理的一个大作业，我的选题是算术表达式的词法语法语义分析，当时由于学得比较渣，只用了递归下降的方法进行了分析。

首先，用户输入算术表达式，其中算术表达式可以包含基本运算符，括号，数字，以及用户自定义变量。

词法分析，检查单词变量是否正确；语法分析，检查算术表达式语法是否正确并输出生成语法树；语义分析，输出四元表达式。

最终效果图：

例如输入：

词法分析结果：

语法分析结果：

语义分析结果：

算术表达式的组成语法如下：

无符号整数 ＝ 〈数字〉{〈数字〉}

〈标识符〉＝ 〈字母〉{〈字母〉｜〈数字〉}

表达式〉＝ [＋｜－]〈项〉{〈加减运算符〉〈项〉}

〈项〉＝ 〈因子〉{〈乘除运算符〉〈因子〉}

〈因子〉＝ 〈标识符〉｜〈无符号整数〉｜‘（’〈表达式〉‘）’

〈加减运算符〉＝ ＋｜－

〈乘除运算符〉＝ ＊｜／

注意：

#标识符以字母开头，仅包含字母和数字

#字母包含大写和小写字母

符号文法表示：

Indentifer： 标识符  digit：数字 M：表达式

项：T    因子：F

M -> +E|-E|E

E -> E+T|E-T|T

T -> T*F|T/F|F

F -> (E)|indentifer|digit

消除左递归，改进文法：

1. M -> +E|-E|E

2. E -> TE~

3. E~ -> +TE~|-TE~|&

4. T -> FT~

5. T~ -> *FT~|/FT~|&

6. F -> (E)|indentifer|digit

1.词法分析

单词类别定义

运算符：( , ) , + , - , * , /      类别码：3

标识符：〈字母〉{〈字母〉｜〈数字〉}     类别码：1

无符号整数：〈数字〉{〈数字〉}     类别码：2

设计思路

依次接受所输入的字符串，根据DFA进行判断单词类型，将单词及符号内码存入符号表字典，将单词存入单词栈

1.如若接收到字母说明为标识符，接着一直接受字母和数字，直到出现非数字和非字母符号

2.如若在运算符后接收到数字，则说明为无符号整数，一直接受直到出现非数字符号

3.如若接受到运算符，则继续处理

简单绘制的DFA:

数据结构

符号表：dic={}

单词栈：table=[]输入数据

2.语法分析

为文法中的每一个非终结符号设计对应的处理程序，处理程序按照具体的文法接受顺序设计，每当程序选择其中一个文法时，将其保存并打印出来，若单词栈中的所有单词都被接受，则说明语法正确，其他情况，则说明语法错误

数据结构

dic={}   #符号表

table=[]   #单词栈

wenfa=[]   #字符串文法

3.语义分析与中间代码生成

设计思路

这里我运用的依旧是递归下降的思想，我并没有利用语法分析的结果，而是利用词法分析的结果为每一个非终结符号设计相应的程序， 当结果足够生成四元式时，将其输出。将结果赋给给临时变量，传递给父项。

数据结构

table=[]   #单词栈

siyuan=[]  #四元式

源码：

#-*- coding=utf-8 -*-

letter='abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'
number='0123456789'
operater='+-*/()'

dic={}   #符号表
table=[]   #单词栈
wenfa=[]   #字符串文法
siyuan=[]  #四元式

#####################################        词法分析        ######################################
def cifa(string):     #词法分析
    print ''
    m=0
    state=0      #1：为标识符 2：为数字串 3：为运算符
    for i in range(len(string)):
        if string[i] in operater :  #如果是运算符
            if state==1:        #state=1表明其前面的为标识符
                print string[m:i],'是标识符,类型码：1'
                dic[string[m:i]]=1
                table.append(string[m:i])
            elif state==2:      #state=2表明其前面的为数字
                print string[m:i],'是数字，类型码：2'
                dic[string[m:i]]=2
                table.append(string[m:i])
            m=i+1
            state=3
            print string[i],'是运算符，类型码：3'
            dic[string[i]]=3
            table.append(string[i])
        elif string[i] in number:    #如果是数字
            if i==m:        #判断此时的数字是否为整数的第一个数字，若是则改变状态为无符号整数
                state=2
        elif string[i] in letter: #如果是字母
            if state==2:    #判断此时的状态，若state=2表明状态为无符号整数，而整数内不能包含字母，故报错
                print '词法分析检测到错误,数字串中不能包含字母'
                exit(0)
            if i==m:        #判断此时的字母是否为标识符的第一个字母，若是则改变状态为标识符
                state=1
        else:               #当输入的字符均不符合以上判断，则说明为非法字符，故报错
            print '词法分析检测到非法字符'
            exit(0)
    if state==1:        #当字符串检查完后，若字符串最后部分为标识符，应将其print出来
        print string[m:],'是标识符，类型码：3'
        dic[string[m:]]=1
        table.append(string[m:])
    elif state==2:      #若字符串最后部分为无符号整数，应将其print出来
        print string[m:],'是无符号整数，类型码：2'
        dic[string[m:]]=2
        table.append(string[m:])
    table.append('#')
    print '字符栈:',table,'\n词法正确'

###################################        语法分析         #####################################
'''
基本文法：
M -> +E|-E|E
E -> TE~
E~ -> +TE~|-TE~|&
T -> FT~
T~ -> *FT~|/FT~|&
F -> (E)|indentifer|digit
'''
class yufa():       #语法分析程序
    def __init__(self):
        self.i=0  #栈指针
        try:            #用异常处理程序捕获程序的错误，出现异常则报错
            self.m()
        except:
            print '\n语法分析程序检查到错误'
            exit(0)
    def m(self):    #PM程序
        if(table[self.i]=='+'):
            self.i+=1
            wenfa.append('M -> +E')
            self.e()
        elif(table[self.i]=='-'):
            self.i+=1
            wenfa.append('M -> -E')
            self.e()
        else:
            wenfa.append('M -> E')
            self.e()
        if(self.i is not len(table)-1):   #语法分析结束时，若单词栈指针与单词表长度不相等，报错
            print "\n语法分析程序检查到错误,'('前应该有运算符"
            exit(0)
        else:
            print '\n字符串语法是：'       #若一切正确，则输出语法树文法
            for i in wenfa:
                print i
            print '语法正确'
    def e(self):     #PE程序
        wenfa.append('E -> TE1')
        self.t()
        self.e1()
    def e1(self):    #PE1程序
        if(table[self.i]=='+'):
            self.i+=1
            wenfa.append('E1 -> +TE1')
            self.t()
            self.e1()
        elif(table[self.i]=='-'):
            self.i+=1
            wenfa.append('E1 -> -TE1')
            self.t()
            self.e1()
        else:
            wenfa.append('E1 -> &')
    def t(self):      #PT程序
        wenfa.append('T -> FT1')
        self.f()
        self.t1()
    def t1(self):     #PT1程序
        if(table[self.i]=='*'):
            self.i+=1
            wenfa.append('T1 -> *FT1')
            self.f()
            self.t1()
        elif(table[self.i]=='/'):
            self.i+=1
            wenfa.append('T1 -> /FT1')
            self.f()
            self.t1()
        else:
            wenfa.append('T1 -> &')
    def f(self):      #PF程序
        if(table[self.i]=='('):
            wenfa.append('F -> (E)')
            self.i+=1
            self.e()
            if(table[self.i]!=')'):
                raise Exception
            self.i+=1
        elif(dic[table[self.i]]==1):
            wenfa.append('F -> Indentifer '+str(table[self.i]))
            self.i+=1
        elif(dic[table[self.i]]==2):
            wenfa.append('F -> Digit '+str(table[self.i]))
            self.i+=1
        else:
            raise Exception          #若均不符合，则引出异常

#######################################       语义分析        #######################################

class yuyi:
    def __init__(self):
        print '\n语义分析结果(四元式):'
        self.i=0    #栈指针
        self.flag=0    #记录临时变量T数目
        self.m()
        for i in siyuan:        #输出四元式结果
            print i
    def m(self):        #PM程序
        if(table[self.i]=='+'):
            self.i+=1
            ret1=self.e()
            siyuan.append('(+,0,'+ret1+',out)')
            self.flag+=1
        elif(table[self.i]=='-'):
            self.i+=1
            ret2=self.e()
            siyuan.append('(-,0,'+ret2+',out)')
            self.flag+=1
        else:
            ret3=self.e()
            siyuan.append('(=,'+ret3+',0,out)')
    def e(self):        #PE程序
        ret1=self.t()
        ret2,ret3=self.e1()
        if(ret2!='&'):      #若ret2不为&，则可以产生四元式，否则将变量传递给父项
            self.flag+=1
            siyuan.append('('+ret2+','+ret1+','+ret3+',T'+str(self.flag)+')')
            return 'T'+str(self.flag)
        else:
            return ret1
    def e1(self):           #PE1程序
        if(table[self.i]=='+'):
            self.i+=1
            ret1=self.t()
            ret2,ret3=self.e1()
            if(ret2=='&'):
                return '+',ret1
            else:
                self.flag+=1
                siyuan.append('('+ret2+','+ret1+','+ret3+',T'+str(self.flag)+')')
                return '+','T'+str(self.flag)
        elif(table[self.i]=='-'):
            self.i+=1
            ret1=self.t()
            ret2,ret3=self.e1()
            if(ret2=='&'):
                return '-',ret1
            else:
                self.flag+=1
                siyuan.append('('+ret2+','+ret1+','+ret3+',T'+str(self.flag)+')')
                return '-','T'+str(self.flag)
        else:
            return '&','&'
    def t(self):        #PT程序
        ret1=self.f()
        ret2,ret3=self.t1()
        if(ret2!='&'):
            self.flag+=1
            siyuan.append('('+ret2+','+ret1+','+ret3+',T'+str(self.flag)+')')
            return 'T'+str(self.flag)
        else:
            return ret1
    def t1(self):       #PT1程序
        if(table[self.i]=='*'):
            self.i+=1
            ret1=self.f()
            ret2,ret3=self.t1()
            if(ret2=='&'):
                return '*',ret1
            else:
                self.flag+=1
                siyuan.append('('+ret2+','+ret1+','+ret3+',T'+str(self.flag)+')')
                return '*','T'+str(self.flag)
        elif(table[self.i]=='/'):
            self.i+=1
            ret1=self.f()
            ret2,ret3=self.t1()
            if(ret2=='&'):           #若ret2不为&，则可以产生四元式，否则将变量传递给父项
                return '/',ret1
            else:
                self.flag+=1
                siyuan.append('('+ret2+','+ret1+','+ret3+',T'+str(self.flag)+')')
                return '/','T'+str(self.flag)
        else:
            return '&','&'
    def f(self):        #PF程序
        if(table[self.i]=='('):
            self.i+=1
            ret1=self.e()
            self.i+=1
            return str(ret1)
        elif(dic[table[self.i]]==1):        #当为标识符时，传递给父项
            temp=self.i
            self.i+=1
            return table[temp]
        elif(dic[table[self.i]]==2):        #当为整数时，传递给父项
            temp=self.i
            self.i+=1
            return table[temp]

#######################################        主程序         #######################################
if __name__=='__main__':
    string=raw_input('请输入表达式：')
    cifa(string)
    yufa()
    yuyi()