编译原理之 C 语言子集词法分析程序的构建 —— Java实现

原理方面就不赘述,本篇博客主要记录编译原理实验上机对于简单 C 语言子集的词法分析程序的 Java 实现。

C语言子集输入/输出以及要求

要求输入如下:

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main()
{
int a, b;
a = 10;
b = a + 20;
}

要求输出:

Lexical Analysis Output

同时要求:

  1. 识别保留字:if, int, for, while, do, return, break, continue,其单词种别码为 1
  2. 其余字符识别为标识符,单词种别码为 2
  3. 常数为无符号整型数,单词种别码为 3
  4. 运算符:+, -, *, /, =, >, <, >=, <=, !=,单词种别码为 4
  5. 分隔符:,, ;, {, }, (, ),单词种别码为 5

分析

分析程序流程

对于输入程序,我们不可能套用一套规则从而直接分析出结果。可以根据输入字符串构建缓冲区,然后从缓冲区逐个取出字符进行分析。

保留字、标识符

对于语言中的保留字,可以在程序中硬编码保存。当成功从输入串中构建一个 单词 的时候,进行比对来判断该 单词 是保留字还是标识符。

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private static final String[] reverses = new String[]{"if", "int", "for", "while", "do", "return", "break", "continue"};

常数

常数与保留字、标识符的最大区别是:常数以数字开始,而保留字和标识符不能以数字起始。以此,我们可以明确区分出输入程序中的常数。

运算符与分隔符

运算符与分隔符的识别十分简单,利用 switch 即可。

实现

识别字的保存

保留字、标识符、常数、运算符、分隔符的单词种别码是固定的,如果我们在分析程序中直接写数值可能会影响可读性,可以用 enum 来表示:

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private enum Code {
Reverse(1), Identifier(2), Constant(3), Operator(4), Separator(5);

private int value;

Code(int value) {
this.value = value;
}
}

因为我们最终是要以上面图中的形式输出,所以需要另一种数据结构来表示识别出来的 单词种别码-单词 对:

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private List<Kind> list = new ArrayList<>();

private static final class Kind {
private Code code;
private String value;

Kind(Code code, String value) {
this.code = code;
this.value = value;
}

@Override
public String toString() {
return "(" + code.value + ", \"" + value + "\")";
}
}

字符串分析器

我们可以使用 String 来保存输入串,并用一个类变量 index 来保存当前字符的位置,这样我们就可以利用 index 来进行逐字符分析:

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private int index = 0;
private String source;
private StringBuilder builder = new StringBuilder();

public LexicalAnalysis(String source) {
this.source = source;
}

public void doAnalyze() {
do {
analyzer();
} while (index < source.length());

for (Kind kind : list) {
System.out.println(kind);
}
}

单字符分析器

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private void analyzer() {
// 清空 builder
builder.delete(0, builder.length());
char ch = source.charAt(index++);

// 剔除空格和换行符
while (ch == ' ' || ch == '\n') {
ch = source.charAt(index++);
}

if (Character.isLetter(ch)) { // 以字符 [a-zA-Z] 开头,可能是关键字也可能是标识符
// 提取出整个字符串 [a-zA-Z0-9]
while (Character.isLetterOrDigit(ch)) {
builder.append(ch);
ch = source.charAt(index++);
}
// 最后一个字符不符合条件,所以 index 自减 1
index--;
String s = builder.toString();
for (String reverse : reverses) {
if (s.equals(reverse)) {
list.add(new Kind(Code.Reverse, s));
return;
}
}
list.add(new Kind(Code.Identifier, s));
} else if (Character.isDigit(ch)) {
// 整数
int sum = 0;
while (Character.isDigit(ch)) {
sum = sum * 10 + ch - '0';
ch = source.charAt(index++);
}
// index 自减的原因同上
index--;
list.add(new Kind(Code.Constant, String.valueOf(sum)));
} else {
switch (ch) {
case '+':
case '-':
case '*':
case '/':
case '>':
case '<':
list.add(new Kind(Code.Operator, String.valueOf(ch)));
break;
case '=':
char prev = source.charAt(index - 2);
if ("><!".contains(String.valueOf(prev))) {
// 如果 = 前边的字符是 > < !,则更新最后一个元素
Kind last = list.get(list.size() - 1);
last.value = String.valueOf(prev) + last.value;
} else {
// 否则,新增
list.add(new Kind(Code.Operator, String.valueOf(ch)));
}
break;
case ',':
case ';':
case '{':
case '}':
case '(':
case ')':
list.add(new Kind(Code.Separator, String.valueOf(ch)));
break;
}
}
}

源代码

LexicalAnalysis.java

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import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Scanner;

public class LexicalAnalysis {
private static final String[] reverses = new String[]{"if", "int", "for", "while", "do", "return", "break", "continue"};

private int index = 0;
private String source;
private StringBuilder builder = new StringBuilder();
private List<Kind> list = new ArrayList<>();

public LexicalAnalysis() {
super();
}

public LexicalAnalysis(String source) {
this.source = source;
}

public void doAnalyze() {
do {
analyzer();
} while (index < source.length());

for (Kind kind : list) {
System.out.println(kind);
}
}

private void analyzer() {
// 清空 builder
builder.delete(0, builder.length());
char ch = source.charAt(index++);

// 剔除空格和换行符
while (ch == ' ' || ch == '\n') {
ch = source.charAt(index++);
}

if (Character.isLetter(ch)) { // 以字符 [a-zA-Z] 开头,可能是关键字也可能是标识符
// 提取出整个字符串 [a-zA-Z0-9]
while (Character.isLetterOrDigit(ch)) {
builder.append(ch);
ch = source.charAt(index++);
}
// 最后一个字符不符合条件,所以 index 自减 1
index--;
String s = builder.toString();
for (String reverse : reverses) {
if (s.equals(reverse)) {
list.add(new Kind(Code.Reverse, s));
return;
}
}
list.add(new Kind(Code.Identifier, s));
} else if (Character.isDigit(ch)) {
// 整数
int sum = 0;
while (Character.isDigit(ch)) {
sum = sum * 10 + ch - '0';
ch = source.charAt(index++);
}
// index 自减的原因同上
index--;
list.add(new Kind(Code.Constant, String.valueOf(sum)));
} else {
switch (ch) {
case '+':
case '-':
case '*':
case '/':
case '>':
case '<':
list.add(new Kind(Code.Operator, String.valueOf(ch)));
break;
case '=':
char prev = source.charAt(index - 2);
if ("><!".contains(String.valueOf(prev))) {
// 如果 = 前边的字符是 > < !,则更新最后一个元素
Kind last = list.get(list.size() - 1);
last.value = String.valueOf(prev) + last.value;
} else {
// 否则,新增
list.add(new Kind(Code.Operator, String.valueOf(ch)));
}
break;
case ',':
case ';':
case '{':
case '}':
case '(':
case ')':
list.add(new Kind(Code.Separator, String.valueOf(ch)));
break;
}
}
}

private enum Code {
Reverse(1), Identifier(2), Constant(3), Operator(4), Separator(5);

private int value;

Code(int value) {
this.value = value;
}
}

private static final class Kind {
private Code code;
private String value;

Kind(Code code, String value) {
this.code = code;
this.value = value;
}

@Override
public String toString() {
return "(" + code.value + ", \"" + value + "\")";
}
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);

System.out.println("请输入C语言源程序的位置:");
String line;

try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(scanner.next()))) {
while ((line = reader.readLine()) != null) {
sb.append(line);
}
}

LexicalAnalysis lexicalAnalysis = new LexicalAnalysis(sb.toString());

lexicalAnalysis.doAnalyze();
}
}

另一种实现方式

使用 index 控制当前字符的位置可能有些不够优雅,我们可以使用 java.nio.CharBuffer 来替代手动控制识别流程的方式。

LexicalAnalysisCharBuffer.java

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import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.nio.CharBuffer;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Scanner;

public class LexicalAnalysisCharBuffer {
private static final String[] reverses = new String[]{"if", "int", "for", "while", "do", "return", "break", "continue"};

private CharBuffer charBuffer;
private StringBuilder builder = new StringBuilder();
private List<Kind> list = new ArrayList<>();

public LexicalAnalysisCharBuffer() {
super();
}

public LexicalAnalysisCharBuffer(String source) {
charBuffer = CharBuffer.wrap(source.toCharArray());
}

public void doAnalyze() throws IOException {
do {
analyzer();
} while (charBuffer.hasRemaining());

for (Kind kind : list) {
System.out.println(kind);
}

}

private void analyzer() throws IOException {
// 清空 builder
builder.delete(0, builder.length());
char aChar = charBuffer.get();

// 剔除空格和换行符
while (aChar == ' ' || aChar == '\n') {
aChar = charBuffer.get();
}

if (Character.isLetter(aChar)) { // 以字符 [a-zA-Z] 开头,可能是关键字也可能是标识符
// 提取出整个字符串 [a-zA-Z0-9]
while (Character.isLetterOrDigit(aChar)) {
builder.append(aChar);
aChar = charBuffer.get();
}
// 最后一个字符不符合条件,所以 index 自减 1
charBuffer.position(charBuffer.position() - 1);
String s = builder.toString();
for (String reverse : reverses) {
if (s.equals(reverse)) {
list.add(new Kind(Code.Reverse, s));
return;
}
}
list.add(new Kind(Code.Identifier, s));
} else if (Character.isDigit(aChar)) {
// 整数
int sum = 0;
while (Character.isDigit(aChar)) {
System.out.println("计算:" + aChar);
sum = sum * 10 + (aChar - '0');
System.out.println("sum: " + aChar);
aChar = charBuffer.get();
}
// index 自减的原因同上
charBuffer.position(charBuffer.position() - 1);
list.add(new Kind(Code.Constant, String.valueOf(sum)));
} else {
switch (aChar) {
case '+':
case '-':
case '*':
case '/':
case '>':
case '<':
list.add(new Kind(Code.Operator, String.valueOf(aChar)));
break;
case '=':
char prev = charBuffer.get(charBuffer.position() - 2);
if ("><!".contains(String.valueOf(prev))) {
// 如果 = 前边的字符是 > < !,则更新最后一个元素
Kind last = list.get(list.size() - 1);
last.value = String.valueOf(prev) + last.value;
} else {
// 否则,新增
list.add(new Kind(Code.Operator, String.valueOf(aChar)));
}
break;
case ',':
case ';':
case '{':
case '}':
case '(':
case ')':
list.add(new Kind(Code.Separator, String.valueOf(aChar)));
break;
}
}
}

private enum Code {
Reverse(1), Identifier(2), Constant(3), Operator(4), Separator(5);

private int value;

Code(int value) {
this.value = value;
}
}

private static final class Kind {
private Code code;
private String value;

Kind(Code code, String value) {
this.code = code;
this.value = value;
}

@Override
public String toString() {
return "(" + code.value + ", \"" + value + "\")";
}
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);

System.out.println("请输入C语言源程序的位置:");
String line;

try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(scanner.next()))) {
// 读取文件,构建 String
while ((line = reader.readLine()) != null) {
sb.append(line);
}
}

LexicalAnalysisCharBuffer lexicalAnalysisCharBuffer = new LexicalAnalysisCharBuffer(sb.toString());

lexicalAnalysisCharBuffer.doAnalyze();
}
}

思路与上一种实现一样,不过使用这种方式我们无需操作 index。

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  • 本文标题:编译原理之 C 语言子集词法分析程序的构建 —— Java实现
  • 本文作者:xlui
  • 发布时间:2018年05月13日 - 11:05
  • 最后更新:2019年01月30日 - 09:01
  • 本文链接: https://xlui.me/t/compiling-principle-lexical-analysis/
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