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24 十二月 2010

Yacc 與 Lex 快速入門

http://i.imgur.com/d5yV5hF.jpg

Lex 與 Yacc 介紹

Lex 和 Yacc 是 UNIX 兩個非常重要的、功能強大的工具。事實上,如果你熟練掌握 Lex 和 Yacc 的話,它們的強大功能使創建 FORTRAN 和 C 的編譯器如同兒戲。Ashish Bansal 為您詳細的討論了編寫自己的語言和編譯器所用到的這兩種工具,包括常規表達式、聲明、匹配模式、變量、Yacc 語法和解析器代碼。最後,他解釋了怎樣把 Lex 和 Yacc 結合起來。

Lex 代表 Lexical Analyzar。Yacc 代表 Yet Another Compiler Compiler。 讓我們從 Lex 開始吧。

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Lex

Lex 是一種生成掃瞄器的工具。掃瞄器是一種識別文本中的詞彙模式的程序。 這些詞彙模式(或者常規表達式)在一種特殊的句子結構中定義,這個我們一會兒就要討論。

一種匹配的常規表達式可能會包含相關的動作。這一動作可能還包括返回一個標記。 當 Lex 接收到文件或文本形式的輸入時,它試圖將文本與常規表達式進行匹配。 它一次讀入一個輸入字符,直到找到一個匹配的模式。 如果能夠找到一個匹配的模式,Lex 就執行相關的動作(可能包括返回一個標記)。 另一方面,如果沒有可以匹配的常規表達式,將會停止進一步的處理,Lex 將顯示一個錯誤消息。

Lex 和 C 是強耦合的。一個 .lex 文件(Lex 文件具有 .lex 的擴展名)通過 lex 公用程序來傳遞,並生成 C 的輸出文件。這些文件被編譯為詞法分析器的可執行版本。

 

Lex 的常規表達式

常規表達式是一種使用元語言的模式描述。表達式由符號組成。符號一般是字符和數字,但是 Lex 中還有一些具有特殊含義的其他標記。 下面兩個表格定義了 Lex 中使用的一些標記並給出了幾個典型的例子。

用 Lex 定義常規表達式
字符含義
A-Z, 0-9, a-z 構成了部分模式的字符和數字。
. 匹配任意字符,除了 \n。
- 用來指定範圍。例如:A-Z 指從 A 到 Z 之間的所有字符。
[ ] 一個字符集合。匹配括號內的 任意 字符。如果第一個字符是 ^ 那麼它表示否定模式。例如: [abC] 匹配 a, b, 和 C中的任何一個。
* 匹配 0個或者多個上述的模式。
+ 匹配 1個或者多個上述模式。
? 匹配 0個或1個上述模式。
$ 作為模式的最後一個字符匹配一行的結尾。
{ } 指出一個模式可能出現的次數。 例如: A{1,3} 表示 A 可能出現1次或3次。
\ 用來轉義元字符。同樣用來覆蓋字符在此表中定義的特殊意義,只取字符的本意。
^ 否定。
| 表達式間的邏輯或。
"<一些符號>" 字符的字面含義。元字符具有。
/ 向前匹配。如果在匹配的模版中的“/”後跟有後續表達式,只匹配模版中“/”前 面的部分。如:如果輸入 A01,那麼在模版 A0/1 中的 A0 是匹配的。
( ) 將一系列常規表達式分組。
常規表達式舉例
常規表達式含義
joke[rs] 匹配 jokes 或 joker。
A{1,2}shis+ 匹配 AAshis, Ashis, AAshi, Ashi。
(A[b-e])+ 匹配在 A 出現位置後跟隨的從 b 到 e 的所有字符中的 0 個或 1個。

Lex 中的標記聲明類似 C 中的變量名。每個標記都有一個相關的表達式。 (下表中給出了標記和表達式的例子。) 使用這個表中的例子,我們就可以編一個字數統計的程序了。 我們的第一個任務就是說明如何聲明標記。

標記聲明舉例
標記相關表達式含義
數字(number) ([0-9])+ 1個或多個數字
字符(chars) [A-Za-z] 任意字符
空格(blank) " " 一個空格
字(word) (chars)+ 1個或多個 chars
變量(variable) (字符)+(數字)*(字符)*(數字)*  
 

Lex 編程

Lex 編程可以分為三步:

  1. 以 Lex 可以理解的格式指定模式相關的動作。
  2. 在這一文件上運行 Lex,生成掃瞄器的 C 代碼。
  3. 編譯和鏈接 C 代碼,生成可執行的掃瞄器。

注意: 如果掃瞄器是用 Yacc 開發的解析器的一部分,只需要進行第一步和第二步。 關於這一特殊問題的幫助請閱讀 Yacc將 Lex 和 Yacc 結合起來部分。

現在讓我們來看一看 Lex 可以理解的程序格式。一個 Lex 程序分為三個段:第一段是 C 和 Lex 的全局聲明,第二段包括模式(C 代碼),第三段是補充的 C 函數。 例如, 第三段中一般都有 main() 函數。這些段以%%來分界。 那麼,回到字數統計的 Lex 程序,讓我們看一下程序不同段的構成。

 

C 和 Lex 的全局聲明

這一段中我們可以增加 C 變量聲明。這裡我們將為字數統計程序聲明一個整型變量,來保存程序統計出來的字數。 我們還將進行 Lex 的標記聲明。

字數統計程序的聲明
       %{
        int wordCount = 0;
        %}
        chars [A-za-z\_\'\.\"]
        numbers ([0-9])+
        delim [" "\n\t]
        whitespace {delim}+
        words {chars}+
        %%

兩個百分號標記指出了 Lex 程序中這一段的結束和三段中第二段的開始。

 

Lex 的模式匹配規則

讓我們看一下 Lex 描述我們所要匹配的標記的規則。(我們將使用 C 來定義標記匹配後的動作。) 繼續看我們的字數統計程序,下面是標記匹配的規則。

字數統計程序中的 Lex 規則
       {words} { wordCount++; /*
        increase the word count by one*/ }
        {whitespace} { /* do
        nothing*/ }
        {numbers} { /* one may
        want to add some processing here*/ }
        %%
 

C 代碼

Lex 編程的第三段,也就是最後一段覆蓋了 C 的函數聲明(有時是主函數)。注意這一段必須包括 yywrap() 函數。 Lex 有一套可供使用的函數和變量。 其中之一就是 yywrap。 一般來說,yywrap() 的定義如下例。我們將在 高級 Lex 中探討這一問題。

字數統計程序的 C 代碼段
       void main()
        {
        yylex(); /* start the
        analysis*/
        printf(" No of words:
        %d\n", wordCount);
        }
        int yywrap()
        {
        return 1;
        }

上一節我們討論了 Lex 編程的基本元素,它將幫助你編寫簡單的詞法分析程序。 在 高級 Lex 這一節中我們將討論 Lex 提供的函數,這樣你就能編寫更加複雜的程序了。

 

將它們全部結合起來

.lex文件是 Lex 的掃瞄器。它在 Lex 程序中如下表示:

   $ lex <file name.lex>

這生成了 lex.yy.c 文件,它可以用 C 編譯器來進行編譯。它還可以用解析器來生成可執行程序,或者在鏈接步驟中通過選項 �ll 包含 Lex 庫。

這裡是一些 Lex 的標誌:

  • -c表示 C 動作,它是缺省的。
  • -t寫入 lex.yy.c 程序來代替標準輸出。
  • -v提供一個兩行的統計彙總。
  • -n不打印 -v 的彙總。
 

高級 Lex

Lex 有幾個函數和變量提供了不同的信息,可以用來編譯實現複雜函數的程序。 下表中列出了一些變量和函數,以及它們的使用。 詳盡的列表請參考 Lex 或 Flex 手冊(見後文的 資源)。

Lex 變量
yyinFILE* 類型。 它指向 lexer 正在解析的當前文件。
yyout FILE* 類型。 它指向記錄 lexer 輸出的位置。 缺省情況下,yyin 和 yyout 都指向標準輸入和輸出。
yytext 匹配模式的文本存儲在這一變量中(char*)。
yyleng 給出匹配模式的長度。
yylineno 提供當前的行數信息。 (lexer不一定支持。)
Lex 函數
yylex()這一函數開始分析。 它由 Lex 自動生成。
yywrap() 這一函數在文件(或輸入)的末尾調用。 如果函數的返回值是1,就停止解析。 因此它可以用來解析多個文件。 代碼可以寫在第三段,這就能夠解析多個文件。 方法是使用 yyin 文件指針(見上表)指向不同的文件,直到所有的文件都被解析。 最後,yywrap() 可以返回 1 來表示解析的結束。
yyless(int n) 這一函數可以用來送回除了前�n? 個字符外的所有讀出標記。
yymore() 這一函數告訴 Lexer 將下一個標記附加到當前標記後。

對 Lex 的討論就到這裡。下面我們來討論 Yacc...

 

Yacc

Yacc 代表 Yet Another Compiler Compiler。 Yacc 的 GNU 版叫做 Bison。它是一種工具,將任何一種編程語言的所有語法翻譯成針對此種語言的 Yacc 語 法解析器。它用巴科斯範式(BNF, Backus Naur Form)來書寫。按照慣例,Yacc 文件有 .y 後綴。編譯行如下調用 Yacc 編譯器:

       $ yacc <options>
        <filename ending with .y>

在進一步闡述以前,讓我們複習一下什麼是語法。在上一節中,我們看到 Lex 從輸入序列中識別標記。 如果你在查看標記序列,你可能想在這一序列出現時執行某一動作。 這種情況下有效序列的規範稱為語法。Yacc 語法文件包括這一語法規範。 它還包含了序列匹配時你想要做的事。

為了更加說清這一概念,讓我們以英語為例。 這一套標記可能是:名詞, 動詞, 形容詞等等。為了使用這些標記造一個語法正確的句子,你的結構必須符合一定的規則。 一個簡單的句子可能是名詞+動詞或者名詞+動詞+名詞。(如 I care. See spot run.)

所以在我們這裡,標記本身來自語言(Lex),並且標記序列允許用 Yacc 來指定這些標記(標記序列也叫語法)。

終端和非終端符號

終端符號 : 代表一類在語法結構上等效的標記。 終端符號有三種類型:

命名標記: 這些由 %token 標識符來定義。 按照慣例,它們都是大寫。

字符標記 : 字符常量的寫法與 C 相同。例如, -- 就是一個字符標記。

字符串標記 : 寫法與 C 的字符串常量相同。例如,"<<" 就是一個字符串標記。

lexer 返回命名標記。

非終端符號 : 是一組非終端符號和終端符號組成的符號。 按照慣例,它們都是小寫。 在例子中,file 是一個非終端標記而 NAME 是一個終端標記。

用 Yacc 來創建一個編譯器包括四個步驟:

  1. 通過在語法文件上運行 Yacc 生成一個解析器。
  2. 說明語法:
    • 編寫一個 .y 的語法文件(同時說明 C 在這裡要進行的動作)。
    • 編寫一個詞法分析器來處理輸入並將標記傳遞給解析器。 這可以使用 Lex 來完成。
    • 編寫一個函數,通過調用 yyparse() 來開始解析。
    • 編寫錯誤處理例程(如 yyerror())。
  3. 編譯 Yacc 生成的代碼以及其他相關的源文件。
  4. 將目標文件鏈接到適當的可執行解析器庫。
 

用 Yacc 編寫語法

如同 Lex 一樣, 一個 Yacc 程序也用雙百分號分為三段。 它們是:聲明、語法規則和 C 代碼。 我們將解析一個格式為 姓名 = 年齡 的文件作為例子,來說明語法規則。 我們假設文件有多個姓名和年齡,它們以空格分隔。 在看 Yacc 程序的每一段時,我們將為我們的例子編寫一個語法文件。

 

C 與 Yacc 的聲明

C 聲明可能會定義動作中使用的類型和變量,以及宏。 還可以包含頭文件。每個 Yacc 聲明段聲明了終端符號和非終端符號(標記)的名稱,還可能描述操作符優先級和針對不同符號的數據類型。 lexer (Lex) 一般返回這些標記。所有這些標記都必須在 Yacc 聲明中進行說明。

在文件解析的例子中我們感興趣的是這些標記:name, equal sign, 和 age。Name 是一個完全由字符組成的值。 Age 是數字。於是聲明段就會像這樣:

文件解析例子的聲明
       %
        #typedef char* string; /*
        to specify token types as char* */
        #define YYSTYPE string /*
        a Yacc variable which has the value of returned token */
        %}
        %token NAME EQ AGE
        %%

你可能會覺得 YYSTYPE 有點奇怪。但是類似 Lex, Yacc 也有一套變量和函數可供用戶來進行功能擴展。 YYSTYPE 定義了用來將值從 lexer 拷貝到解析器或者 Yacc 的 yylval (另一個 Yacc 變量)的類型。 默認的類型是 int。 由於字符串可以從 lexer 拷貝,類型被重定義為 char*。 關於 Yacc 變量的詳細討論,請參考 Yacc 手冊(見 資源)。

 

Yacc 語法規則

Yacc 語法規則具有以下一般格式:

       result: components { /*
        action to be taken in C */ }
        ;

在這個例子中,result 是規則描述的非終端符號。Components 是根據規則放在一起的不同的終端和非終端符號。 如果匹配特定序列的話 Components 後面可以跟隨要執行的動作。 考慮如下的例子:

       param : NAME EQ NAME {
        printf("\tName:%s\tValue(name):%s\n", $1,$3);}
            | NAME EQ VALUE{
            printf("\tName:%s\tValue(value):%s\n",$1,$3);}
        ;

如果上例中序列 NAME EQ NAME 被匹配,將執行相應的 { } 括號中的動作。 這裡另一個有用的就是 $1 和 $3 的使用, 它們引用了標記 NAME 和 NAME(或者第二行的 VALUE)的值。 lexer 通過 Yacc 的變量 yylval 返回這些值。標記 NAME 的 Lex 代碼是這樣的:

       char [A-Za-z]
        name {char}+
        %%
        {name} { yylval = strdup(yytext);
        return NAME; }

文件解析例子的規則段是這樣的:

文件解析的語法
       file : record file
        | record
        ;
        record: NAME EQ AGE {
        printf("%s is now %s years old!!!", $1, $3);}
        ;
        %%
 

附加 C 代碼

現在讓我們看一下語法文件的最後一段,附加 C 代碼。 (這一段是可選的,如果有人想要略過它的話:)一個函數如 main() 調用 yyparse() 函數(Yacc 中 Lex 的 yylex() 等效函數)。 一般來說,Yacc 最好提供 yyerror(char msg) 函數的代碼。 當解析器遇到錯誤時調用 yyerror(char msg)。錯誤消息作為參數來傳遞。 一個簡單的 yyerror( char* ) 可能是這樣的:

       int yyerror(char* msg)
        {
        printf("Error: %s
        encountered at line number:%d\n", msg, yylineno);
        }

yylineno 提供了行數信息。

這一段還包括文件解析例子的主函數:

附加 C 代碼
       void main()
        {
            yyparse();
        }
        int yyerror(char* msg)
        {
        printf("Error: %s
        encountered \n", msg);

要生成代碼,可能用到以下命令:

       $ yacc _d <filename.y>

這生成了輸出文件 y.tab.h 和 y.tab.c,它們可以用 UNIX 上的任何標準 C 編譯器來編譯(如 gcc)。

 

命令行的其他常用選項

  • '-d' ,'--defines' : 編寫額外的輸出文件,它們包含這些宏定義:語法中定義的標記類型名稱,語義的取值類型 YYSTYPE, 以及一些外部變量聲明。如果解析器輸出文件名叫 'name.c', 那麼 '-d' 文件就叫做 'name.h'。 如果你想將 yylex 定義放到獨立的源文件中,你需要 'name.h', 因為yylex 必須能夠引用標記類型代碼和 yylval變量。
  • '-b file-prefix' ,'--file-prefix=prefix' : 指定一個所有Yacc輸出文件名都可以使用的前綴。選擇一個名字,就如輸入文件名叫 'prefix.c'.
  • '-o outfile' ,'--output-file=outfile' : 指定解析器文件的輸出文件名。其他輸出文件根據 '-d' 選項描述的輸出文件來命名。

Yacc 庫通常在編譯步驟中自動被包括。但是它也能被顯式的包括,以便在編譯步驟中指定 �ly選項。這種情況下的編譯命令行是:

       $ cc <source file
        names> -ly
 

將 Lex 與 Yacc 結合起來

到目前為止我們已經分別討論了 Lex 和 Yacc。現在讓我們來看一下他們是怎樣結合使用的。

一個程序通常在每次返回一個標記時都要調用 yylex() 函數。只有在文件結束或者出現錯誤標記時才會終止。

一個由 Yacc 生成的解析器調用 yylex() 函數來獲得標記。 yylex() 可以由 Lex 來生成或完全由自己來編寫。 對於由 Lex 生成的 lexer 來說,要和 Yacc 結合使用,每當 Lex 中匹配一個模式時都必須返回一個標記。 因此 Lex 中匹配模式時的動作一般格式為:

       {pattern} { /* do smthg*/
        return TOKEN_NAME; }

於是 Yacc 就會獲得返回的標記。當 Yacc 編譯一個帶有 _d 標記的 .y文件時,會生成一個頭文件,它對每個標記都有 #define 的定義。 如果 Lex 和 Yacc 一起使用的話,頭文件必須在相應的 Lex 文件 .lex中的 C 聲明段中包括。

讓我們回到名字和年齡的文件解析例子中,看一看 Lex 和 Yacc 文件的代碼。

Name.y - 語法文件
       %
        typedef char* string;
        #define YYSTYPE string
        %}
        %token NAME EQ AGE
        %%
        file : record file
        | record
        ;
        record : NAME EQ AGE {
        printf("%s is %s years old!!!\n", $1, $3); }
        ;
        %%
        int main()
        {
        yyparse();
        return 0;
        }
        int yyerror(char *msg)
        {
        printf("Error
        encountered: %s \n", msg);
        }
Name.lex - Lex 的解析器文件
       %{
        #include "y.tab.h"
        
        #include <stdio.h>
        #include <string.h>
        extern char* yylval;
        %}
        char [A-Za-z]
        num [0-9]
        eq [=]
        name {char}+
        age {num}+
        %%
        {name} { yylval = strdup(yytext);
        return NAME; }
        {eq} { return EQ; }
        {age} { yylval = strdup(yytext);
        return AGE; }
        %%
        int yywrap()
        {
        return 1;
        }

作為一個參考,我們列出了 y.tab.h, Yacc 生成的頭文件。

y.tab.h - Yacc 生成的頭文件
       # define NAME 257
        # define EQ 258
        # define AGE 259

我們對於 Lex 和 Yacc的討論到此為止。今天你想要編譯什麼語言呢?

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