手写Pascal解释器（三）

目录

• 一、part7
  • 抽象语法树和具体语法树（解析树）
  • 代码实现
• 二、part8

一、part7

资料来源：https://ruslanspivak.com/lsbasi-part7/

看作者博客的标题就知道，这一节我们需要完成抽象语法树的功能。

抽象语法树和具体语法树（解析树）

例如这个表达式的例子（2 * 7 + 3）就形成了这样的一棵抽象语法树。

而该表达式的解析树（具体语法树）如下图所示：

• 解析树记录了解析器应用于识别输入的一系列规则。
• 语法分析树的根标有语法开始符号。
• 每个内部节点代表一个非终结符，也就是说，它代表一个语法规则应用程序，例如本例中的expr，term或factor。
• 每个叶节点代表一个Token。

两者的区别：

• AST使用运算符/操作作为根节点和内部节点，并使用操作数作为其子节点。
• 与解析树不同，AST不使用内部节点表示语法规则。
• AST不能代表真实语法中的每个细节（这就是为什么它们被称为abstract）的原因，例如，没有规则节点也没有括号。
• 与相同语言结构的分析树相比，AST的密度更高。

如何在AST中对运算符优先级进行编码？

In order to encode the operator precedence in AST, that is, to represent that “X happens before Y” you just need to put X lower in the tree than Y. And you’ve already seen that in the previous pictures.

为了在AST中编码运算符优先级，即表示“ X发生在Y之前”，您只需要在树中将X放到比Y低的位置即可。并且您已经在上一张图片中看到了。

代码实现

先编写抽象语法树接口 AST

public interface AST {
}

（它确实是一个空接口，只是为了实现多态）

二元运算符节点：

public class BinOp implements AST {
    public Token op;
    public AST left;
    public AST right;

    public BinOp(AST left, Token op, AST right){
        this.left = left;
        this.op = op;
        this.right = right;
    }
}

数字（整数）节点：

public class Num implements AST {
    public Token token;
    public int value;

    public Num(Token token){
        this.token = token;
        this.value = (Integer) token.value;
    }
}

原有的Lexer类不做改变（原来也已经说明过，Lexer类的职责是读取字符串并将它分解为各个Token）。

新增Parser类（语法解析器类，生成抽象语法树）：

（把原来的Interpreter类的一些功能划分到了它的身上，原来是返回各个部分的值，而这个时候返回各个部分合成的解析树）

public class Parser {
    private final Lexer lexer;
    private Token currentToken;

    public Parser(Lexer lexer) throws Exception {
        this.lexer = lexer;
        this.currentToken = this.lexer.getNextToken();
    }

    private void error() throws Exception {
        throw new Exception("Invalid syntax");
    }

    private void eat(Token.TokenType tokenType) throws Exception {
        if (currentToken.type == tokenType){
            currentToken = lexer.getNextToken();
        }
        else {
            this.error();
        }
    }

    private AST factor() throws Exception {
        // factor : INTEGER | LPAREN expr RPAREN
        Token token = currentToken;
        if (currentToken.type == Token.TokenType.INTEGER){
            eat(Token.TokenType.INTEGER);
            return new Num(token);
        }
        else {
            eat(Token.TokenType.LPAREN);
            AST result = expr();
            eat(Token.TokenType.RPAREN);
            return result;
        }
    }

    private AST term() throws Exception {
        // term : factor ((MUL | DIV) factor)*
        AST node = factor();
        while (currentToken.type == Token.TokenType.MUL || currentToken.type == Token.TokenType.DIV){
            Token token = currentToken;
            if (token.type == Token.TokenType.MUL){
                eat(Token.TokenType.MUL);
            }
            else {
                eat(Token.TokenType.DIV);
            }

            node = new BinOp(node, token, this.factor());
        }
        return node;
    }

    private AST expr() throws Exception {
        /*
        expr   : term ((PLUS | MINUS) term)*
        term   : factor ((MUL | DIV) factor)*
        factor : INTEGER | LPAREN expr RPAREN
         */
        AST node = term();

        while (currentToken.type == Token.TokenType.PLUS || currentToken.type == Token.TokenType.MINUS){
            Token token = currentToken;
            if (token.type == Token.TokenType.PLUS){
                eat(Token.TokenType.PLUS);
            }
            else {
                eat(Token.TokenType.MINUS);
            }
            node = new BinOp(node, token, term());
        }
        return node;
    }

    public AST parse() throws Exception {
        return this.expr();
    }
}

parser类接受一个lexer对象，职责是接收lexer对象将字符串转化为的多个token，输出表达式对应的抽象语法树AST。

NodeVisitor类，访问各个AST节点的基类（使用反射进行实现）

public abstract class NodeVisitor {
	// 调用visit方法时，先使用反射得到AST子类具体的类名，即className，
	// 然后调用"visit"+className的方法，如若node为BinOp，则调用visitBinOp()方法
	// 使用反射大大提高了编码实现的灵活性
    protected int visit(AST node) throws Exception {
        String[] strings = node.getClass().getName().split("\\.");
        String className = strings[strings.length-1];

        Method visitMethod = this.getClass().getDeclaredMethod("visit"+className, AST.class);
        return (int) visitMethod.invoke(this, node);
    }
    protected void genericVisit() throws Exception {
        throw new Exception("No this type to visit");
    }
    // 写好访问各个节点的接口方法，供实现类来实现
    abstract int visitBinOp(AST node) throws Exception;
    abstract int visitNum(AST node);
}

该类的职责是定义AST visitor需要完成的接口，以及使用反射使访问多种类型的AST变得简单。

最后是Interpreter类：

public class Interpreter extends NodeVisitor {
	// 成员变量parser
    private final Parser parser;

    public Interpreter(Parser parser){
        this.parser = parser;
    }

    @Override
    protected int visitBinOp(AST node) throws Exception {
        BinOp binOp = (BinOp)node;
        int res = 0;
        switch (binOp.op.type){
            case PLUS:
                res = visit(binOp.left) + visit(binOp.right);
                break;
            case MINUS:
                res = visit(binOp.left) - visit(binOp.right);
                break;
            case MUL:
                res = visit(binOp.left) * visit(binOp.right);
                break;
            case DIV:
                res = visit(binOp.left) / visit(binOp.right);
                break;
        }
        return res;
    }

    @Override
    protected int visitNum(AST node) {
        return ((Num)node).value;
    }

    public int interpret() throws Exception {
        AST tree = parser.parse();
        return this.visit(tree);
    }
}

Interpreter类的接收一个parser对象，其对应的职责是接收parser对象调用parser后得到的AST，即抽象语法树，然后遍历抽象语法树的各个节点，最后将语法树所代表的表达式的值输出出来。

总结各个类的职责（摘自大佬博客）：

客户端类Main：

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            System.out.print("spi> ");
            String text = scanner.nextLine();
            if (text.equals("exit"))
                break;
            Lexer lexer = new Lexer(text);
            Parser parser = new Parser(lexer);
            Interpreter interpreter = new Interpreter(parser);
            int res = interpreter.interpret();
            System.out.println("res: " + res);
        }
    }
}

运行结果：

二、part8

资料来源：https://ruslanspivak.com/lsbasi-part8/

这一part我们主要要完成一元运算符的功能，在我们之前看起来好像已经完成了计算加减乘除表达式的所有功能，实际上我们还无法计算像这样一些表达式：+1 -3，（-1）*4，(-2-3) * (+4-5)等等这些带正负号的数，这一节我们就是为了解决正负号这种一元操作符无法表达的问题。

修改或新增的类：

由于我们只是增加一个新语法，所以词法解析器Lexer的代码是完全不用修改的，主要需要修改Parser和添加一个AST的子类来代表一元运算符节点，而增加了一个新类型的节点后，我们自然还需要添加访问这个新类型节点的方法，因此我们还需要为NodeVisitor编写新接口visitUnaryOp，并为实现类Interpreter添加对应的方法实现。

一元运算符节点类UnaryOp：

public class UnaryOp implements AST {
    public Token op;
    public AST expr;

    public UnaryOp(Token op, AST expr){
        this.op = op;
        this.expr = expr;
    }
}

和二元操作符节点BinOp类非常的类似，不细说。

然后一元运算符应该是属于factor（因数）生成式的一部分，如：-5*3，(-5)整体应该是一个因数

故factor的生成式可修改为：

factor : (PLUS | MINUS) factor | INTEGER | LPAREN expr RPAREN

由此，我们只需为Parser的factor函数添加一种情况即可：

factor函数：

private AST factor() throws Exception {
    // factor : (PLUS | MINUS) factor | INTEGER | LPAREN expr RPAREN
    Token token = currentToken;
    // ++++++这部分是添加的代码
    if (token.type == Token.TokenType.PLUS || token.type == Token.TokenType.MINUS){
        if (token.type == Token.TokenType.PLUS){
            eat(Token.TokenType.PLUS);
        }
        else {
            eat(Token.TokenType.MINUS);
        }
        return new UnaryOp(token, factor());
    }
    // ++++++++++++++++++++++
    else if (currentToken.type == Token.TokenType.INTEGER){
        eat(Token.TokenType.INTEGER);
        return new Num(token);
    }
    else {
        eat(Token.TokenType.LPAREN);
        AST result = expr();
        eat(Token.TokenType.RPAREN);
        return result;
    }
}

NodeVisitor类：

public abstract class NodeVisitor {
    ...
    abstract int visitUnaryOp(AST node) throws Exception;
}

使用反射的巧妙之处就体现出来了，在这里我们就只需要添加新函数即可，而无需为新类型添加判断之类的新的操作，代码维护起来非常方便。

Interpreter.visitUnaryOp函数：

@Override
int visitUnaryOp(AST node) throws Exception {
    UnaryOp unaryOp = (UnaryOp)node;
    if (unaryOp.op.type== Token.TokenType.PLUS){
        return +visit(unaryOp.expr);
    }
    else {
        return -visit(unaryOp.expr);
    }
}

运行效果：

至此，我们已经完成所有的解析四则运算表达式的功能。

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