編譯原理實(shí)驗(yàn)二：Bison

實(shí)驗(yàn)要求

1.了解Bision基礎(chǔ)知識(shí)，如何將文法產(chǎn)生式轉(zhuǎn)換為Bison語句

2.閱讀/src/common/SyntaxTree.c，對(duì)應(yīng)頭文件 /include/SyntaxTree.h，理解分析樹生成的過程。

3.了解Bison與Flex的協(xié)同工作過程，理解pass_node函數(shù)并改寫lab1代碼。了解yylval工作原理。

4.補(bǔ)全 src/parser/syntax_analyzer.y 文件和lexical_analyzer.l文件

實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)

1.Bison的使用

Bison是一個(gè)語法分析器的生成工具，用于生成語法分析器。Bison可以將LALR文法轉(zhuǎn)換可編譯的c代碼。Bison文件的擴(kuò)展名為.y，在Bison文件中給出LALR文法以及一些分析動(dòng)作，編譯就可以產(chǎn)生一個(gè)語法分析器。

Bison文件以.y結(jié)尾，與Lex文件的編寫規(guī)則類似，由%%區(qū)分的三部分構(gòu)成：

%{ /* 這部分代碼會(huì)被原樣拷貝到生成的 .c 文件的開頭 */ #include <stdio.h> int yylex(void); void yyerror(const char *s); %}/*一些指令，如用%start指定起始符號(hào)，%token定義token*/ %start reimu %token REIMU%% /*解析規(guī)則*/ 產(chǎn)生式 {動(dòng)作代碼}%% /*輔助函數(shù)，會(huì)被復(fù)制到生成的.c文件的末尾*/

Bison需要一個(gè)yylex來獲取下一個(gè)詞法單元，還需要一個(gè)yyerror提供報(bào)錯(cuò)。定義主函數(shù)，調(diào)用yyparse()，就可以讓語法分析器工作。

在語法分析過程中，語法分析樹的葉子節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具體的語義值，該值的類型是YYSTYPE，在Bison中用%union指明。不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同的終結(jié)符，可能為不同的類型，因此union中可以包含不同的數(shù)據(jù)類型。可以指明一個(gè)終結(jié)符或是非終結(jié)符的類型，以便后續(xù)的使用。可以使用%type <>或%token <>指明類型。其中%token是在聲明詞法單元名的同時(shí)指明類型，聲明的token會(huì)由Bison導(dǎo)出到最終的.h文件中，讓詞法分析器也可以直接使用。

%token <num> NUMBER /*聲明詞法單元名，并在<>中指明類型*/ %type <typex> expr /*指明類型*/ ... %union{char op;double num; }

下面說明語法分析時(shí)的動(dòng)作怎么編寫。以一個(gè)邊進(jìn)行語法分析邊按照語義執(zhí)行的計(jì)算器為例，識(shí)別到加法語句的動(dòng)作為：

E→E+E {E=E1+E2}

在Bison中的實(shí)現(xiàn)：

term : term ADDOP factor{switch $2 {case '+': $$ = $1 + $3; break;case '-': $$ = $1 - $3; break;}}

其中$$表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，$1,$2,$3表示產(chǎn)生式的成分，也是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。由于采用自底向上分析(LALR)文法，構(gòu)建語法樹是推導(dǎo)的過程，這些子節(jié)點(diǎn)是已經(jīng)解析的，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)則是規(guī)約產(chǎn)生的。使用節(jié)點(diǎn)union的哪個(gè)類型操作，是已經(jīng)用<>在開頭的%token和%type中指明的。

實(shí)際的編譯器中，語法分析相應(yīng)的動(dòng)作通常是建立抽象語法樹，進(jìn)行語義分析，或是直接產(chǎn)生中間或目標(biāo)代碼。在本實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)作為自底向上構(gòu)建語法分析樹。

2.Bison與Flex的協(xié)同工作

Bison需要一個(gè)yylex來完成詞法分析，這部分的工作是詞法分析器完成的。詞法分析器不僅要將詞素識(shí)別為詞法單元并返回詞法單元值，還要返回詞法單元的屬性。這是通過yylval完成的。yylval是使用Bison生成的.c文件中聲明的一個(gè)全局的變量，類型為YYSTYPE，即在Bison文件中%union聲明的類型，使用這個(gè)類型將屬性值傳遞。進(jìn)行詞法分析時(shí)，只要將屬性值存入yylval，語法分析器就可以從yylval獲取識(shí)別到的詞法單元的屬性值。

在實(shí)驗(yàn)中，yylval僅包含一個(gè)語法分析樹的節(jié)點(diǎn)指針。節(jié)點(diǎn)中包含一個(gè)節(jié)點(diǎn)名。對(duì)于語法分析樹的葉子節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)名就是詞法單元的值，對(duì)于非葉子節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)名為語法成分名。在以下分析語法分析樹的生成過程中，分析了節(jié)點(diǎn)及分析樹是如何構(gòu)造的。

3.分析樹的生成過程

分析樹的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法定義在/include/SyntaxTree.h文件中，分析樹的節(jié)點(diǎn)記錄了父節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)的指針，以及子節(jié)點(diǎn)數(shù)和節(jié)點(diǎn)名信息，相關(guān)的方法包括生成新的節(jié)點(diǎn)，添加子節(jié)點(diǎn)，創(chuàng)建語法樹等。

//語法分析樹的節(jié)點(diǎn) struct _syntax_tree_node {struct _syntax_tree_node * parent;struct _syntax_tree_node * children[10];int children_num;char name[SYNTAX_TREE_NODE_NAME_MAX]; }; typedef struct _syntax_tree_node syntax_tree_node; //相關(guān)函數(shù) syntax_tree_node * new_anon_syntax_tree_node(); //創(chuàng)建新節(jié)點(diǎn) syntax_tree_node * new_syntax_tree_node(const char * name); int syntax_tree_add_child(syntax_tree_node * parent, syntax_tree_node * child); //添加子節(jié)點(diǎn) void del_syntax_tree_node(syntax_tree_node * node, int recursive); //刪除節(jié)點(diǎn) syntax_tree* new_syntax_tree(); //創(chuàng)建語法分析樹 void del_syntax_tree(syntax_tree * tree); //刪除分析樹 void print_syntax_tree(FILE * fout, syntax_tree * tree); //輸出分析樹

每個(gè)終結(jié)符都對(duì)應(yīng)著一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，這個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)在詞法分析時(shí)就可以產(chǎn)生。在自底向上的分析過程中，首先產(chǎn)生的是葉子節(jié)點(diǎn)，在用產(chǎn)生式進(jìn)行規(guī)約時(shí)向上構(gòu)建語法分析樹。葉子節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生在詞法分析器中的pass_node()函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)建一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，并將其指針賦值給yylval，節(jié)點(diǎn)名為其成分(非終結(jié)符名或終結(jié)符名)，這樣語法分析器就可以使用該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造語法分析樹。

//生成節(jié)點(diǎn)并存入yylval傳遞給語法分析器 void pass_node(char *text){yylval.node = new_syntax_tree_node(text); } //識(shí)別詞法單元時(shí)調(diào)用pass_node \+ { pos_start = pos_end; pos_end += 1; pass_node(yytext); return ADD; }

詞法分析完成了葉子節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生，剩下的工作就由語法分析來完成了。構(gòu)建的過程就是在每使用一個(gè)產(chǎn)生式進(jìn)行規(guī)約時(shí)，建立一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)表示當(dāng)前產(chǎn)生式的非終結(jié)符，然后將產(chǎn)生式中的成分，也就是子節(jié)點(diǎn)的指針存入這個(gè)新節(jié)點(diǎn)中。當(dāng)最后使用起始產(chǎn)生式規(guī)約時(shí)，產(chǎn)生的新節(jié)點(diǎn)就是語法分析樹的根節(jié)點(diǎn)，就完成了向上構(gòu)建語法分析樹的工作。實(shí)驗(yàn)在Bison的.y文件中，已經(jīng)給出了創(chuàng)建新節(jié)點(diǎn)并建立節(jié)點(diǎn)關(guān)系的函數(shù)，為node()函數(shù)，參數(shù)為產(chǎn)生式的非終結(jié)符名，產(chǎn)生式成分個(gè)數(shù)(也即子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù))，子節(jié)點(diǎn)的指針。

//產(chǎn)生一個(gè)語法分析樹新節(jié)點(diǎn)的函數(shù) syntax_tree_node *node(const char *node_name, int children_num, ...); //應(yīng)用該函數(shù)構(gòu)造語法分析樹，根節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造 program : declaration-list { $$ = node("program", 1, $1); gt->root = $$; }

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.詞法分析部分

完善詞法分析部分，即./src/parser/lexical_analyzer.l文件。只需要在識(shí)別動(dòng)作中添加pass_node(yytext)產(chǎn)生詞法單元葉子節(jié)點(diǎn)，通過yylval傳遞給語法分析器。對(duì)于注釋，換行符和空格，不需要添加到語法分析樹當(dāng)中，因此創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)和返回值，如果讀到了就更新lines與pos，保證出錯(cuò)時(shí)可以定位，然后進(jìn)行下一個(gè)詞法單元的識(shí)別就可以了。

%%\+ { pos_start = pos_end; pos_end += 1; pass_node(yytext); return ADD; } \- {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return SUB;} \* {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return MUL;} \/ {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return DIV;} \< {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return LT;} "<=" {pos_start = pos_end; pos_end+=2; pass_node(yytext); return LTE;} \> {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return GT;} ">=" {pos_start = pos_end; pos_end+=2; pass_node(yytext); return GTE;} "==" {pos_start = pos_end; pos_end+=2; pass_node(yytext); return EQ;} "!=" {pos_start = pos_end; pos_end+=2; pass_node(yytext); return NEQ;} \= {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return ASSIN;} \; {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return SEMICOLON;} \, {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return COMMA;} \( {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return LPARENTHESE;} \) {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return RPARENTHESE;} \[ {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return LBRACKET;} \] {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return RBRACKET;} \{ {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return LBRACE;} \} {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return RBRACE;} else {pos_start = pos_end; pos_end+=4; pass_node(yytext); return ELSE;} if {pos_start = pos_end; pos_end+=2; pass_node(yytext); return IF;} int {pos_start = pos_end; pos_end+=3; pass_node(yytext); return INT;} float {pos_start = pos_end; pos_end+=5; pass_node(yytext); return FLOAT;} return {pos_start = pos_end; pos_end+=6; pass_node(yytext); return RETURN;} void {pos_start = pos_end; pos_end+=4; pass_node(yytext); return VOID;} while {pos_start = pos_end; pos_end+=5; pass_node(yytext); return WHILE;} [a-zA-Z]+ {pos_start = pos_end; pos_end+=strlen(yytext); pass_node(yytext); return IDENTIFIER;} [a-zA-Z] {pos_start = pos_end; pos_end++; pass_node(yytext); return LETTER;} [0-9]+ {pos_start = pos_end; pos_end+=strlen(yytext); pass_node(yytext); return INTEGER;} [0-9]+\.|[0-9]*\.[0-9]+ {pos_start = pos_end; pos_end+=strlen(yytext); pass_node(yytext); return FLOATPOINT;} "[]" {pos_start = pos_end; pos_end+=2; pass_node(yytext); return ARRAY;} \n {lines++;pos_end = 1;} "/*"([^*]|\*+[^*/])*\*+"/" {for(int i=0;i<strlen(yytext);i++){if(yytext[i]=='\n') {lines++;pos_end = 1; //pos_start由pos_end得到，這里就不需要置1了}else pos_end++;} } [" "|\t] {pos_start = pos_end; pos_end+=strlen(yytext);} . {pos_start = pos_end; pos_end+=strlen(yytext);printf("lexical analyze error at line %d pos %d\n",lines,pos_start);}%%

2.語法分析部分

完善詞法分析部分，即./src/parser/lexical_analyzer.l文件。首先完成yylval的定義，在union中只含有一個(gè)節(jié)點(diǎn)指針。

%union {syntax_tree_node *node; }

接下來進(jìn)行終結(jié)符(詞法單元)的聲明和非終結(jié)符的類型聲明，類型都是語法分析樹的節(jié)點(diǎn)指針，其中終結(jié)符名要和詞法分析部分中的token一致，非終結(jié)符名和Cminus-f的語法規(guī)則中一致。聲明如下：

%start program %token <node> ADD SUB MUL DIV %token <node> LT LTE GT GTE EQ NEQ ASSIN %token <node> SEMICOLON COMMA LPARENTHESE RPARENTHESE LBRACKET RBRACKET LBRACE RBRACE %token <node> ELSE IF INT FLOAT RETURN VOID WHILE IDENTIFIER LETTER INTEGER FLOATPOINT ARRAY %type <node> type-specifier relop addop mulop %type <node> declaration-list declaration var-declaration fun-declaration local-declarations %type <node> compound-stmt statement-list statement expression-stmt iteration-stmt selection-stmt return-stmt %type <node> simple-expression expression var additive-expression term factor integer float call %type <node> params param-list param args arg-list program

最后補(bǔ)充語法規(guī)則的部分，規(guī)則按照給出的Cminus-f的語法編寫，動(dòng)作則是調(diào)用node()函數(shù)構(gòu)造語法分析樹的節(jié)點(diǎn)，參數(shù)為子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和使用$n表示的子節(jié)點(diǎn)的指針，當(dāng)產(chǎn)生式為空輸入時(shí)，參數(shù)為0，子節(jié)點(diǎn)為空串。

program : declaration-list { $$ = node("program", 1, $1); gt->root = $$; } ; declaration-list : declaration-list declaration { $$ = node("declaration-list", 2, $1, $2); }| declaration { $$ = node("declaration-list", 1, $1); }; declaration : var-declaration { $$ = node("declaration", 1, $1); }| fun-declaration { $$ = node("declaration", 1, $1); }; var-declaration : type-specifier IDENTIFIER SEMICOLON { $$ = node("var-declaration", 3, $1, $2, $3); }| type-specifier IDENTIFIER LBRACKET INTEGER RBRACKET SEMICOLON { $$ = node("var-declaration", 6, $1, $2, $3, $4, $5, $6); }; type-specifier : INT { $$ = node("type-specifier", 1, $1); }| FLOAT { $$ = node("type-specifier", 1, $1); }| VOID { $$ = node("type-specifier", 1, $1); }; fun-declaration : type-specifier IDENTIFIER LPARENTHESE params RPARENTHESE compound-stmt { $$ = node("fun-declaration", 6, $1, $2, $3, $4, $5, $6); } ; params : param-list { $$ = node("params", 1, $1); }| VOID { $$ = node("params", 1, $1); }; param-list : param-list COMMA param { $$ = node("param-list", 3, $1, $2, $3); }| param { $$ = node("param-list", 1, $1); }; param : type-specifier IDENTIFIER { $$ = node("param", 2, $1, $2); }| type-specifier IDENTIFIER ARRAY { $$ = node("param", 3, $1, $2, $3); }; compound-stmt : LBRACE local-declarations statement-list RBRACE { $$ = node("compound-stmt", 4, $1, $2, $3, $4); } ; local-declarations : { $$ = node("local-declarations", 0); }| local-declarations var-declaration { $$ = node("local-declarations", 2, $1, $2); }; statement-list : { $$ = node("statement-list", 0); }| statement-list statement { $$ = node("statement-list", 2, $1, $2); }; statement : expression-stmt { $$ = node("statement", 1, $1); }| compound-stmt { $$ = node("statement", 1, $1); }| selection-stmt { $$ = node("statement", 1, $1); }| iteration-stmt { $$ = node("statement", 1, $1); }| return-stmt { $$ = node("statement", 1, $1); }; expression-stmt : expression SEMICOLON { $$ = node("expression-stmt", 2, $1, $2); }| SEMICOLON { $$ = node("expression-stmt", 1, $1); }; selection-stmt : IF LPARENTHESE expression RPARENTHESE statement { $$ = node("selection-stmt", 5, $1, $2, $3, $4, $5); }| IF LPARENTHESE expression RPARENTHESE statement ELSE statement { $$ = node("selection-stmt", 7, $1, $2, $3, $4, $5, $6, $7); }; iteration-stmt : WHILE LPARENTHESE expression RPARENTHESE statement { $$ = node("iteration-stmt", 5, $1, $2, $3, $4, $5); } ; return-stmt : RETURN SEMICOLON { $$ = node("return-stmt", 2, $1, $2); }| RETURN expression SEMICOLON { $$ = node("return-stmt", 3, $1, $2, $3); }; expression : var ASSIN expression { $$ = node("expression", 3, $1, $2, $3); }| simple-expression { $$ = node("expression", 1, $1); }; var : IDENTIFIER { $$ = node("var", 1, $1); }| IDENTIFIER LBRACKET expression RBRACKET { $$ = node("var", 4, $1, $2, $3, $4); }; simple-expression : additive-expression relop additive-expression { $$ = node("simple-expression", 3, $1, $2, $3); }| additive-expression { $$ = node("simple-expression", 1, $1); }; relop : LTE { $$ = node("relop", 1, $1); }| LT { $$ = node("relop", 1, $1); }| GT { $$ = node("relop", 1, $1); }| GTE { $$ = node("relop", 1, $1); }| EQ { $$ = node("relop", 1, $1); }| NEQ { $$ = node("relop", 1, $1); }; additive-expression : additive-expression addop term { $$ = node("additive-expression", 3, $1, $2, $3); }| term { $$ = node("additive-expression", 1, $1); }; addop : ADD { $$ = node("addop", 1, $1); }| SUB { $$ = node("addop", 1, $1); }; term : term mulop factor { $$ = node("term", 3, $1, $2, $3); }| factor { $$ = node("term", 1, $1); }; mulop : MUL { $$ = node("mulop", 1, $1); }| DIV { $$ = node("mulop", 1, $1); }; factor : LPARENTHESE expression RPARENTHESE { $$ = node("factor", 3, $1, $2, $3); }| var { $$ = node("factor", 1, $1); }| call { $$ = node("factor", 1, $1); }| integer { $$ = node("factor", 1, $1); }| float { $$ = node("factor", 1, $1); }; integer : INTEGER { $$ = node("integer", 1, $1); } ; float : FLOATPOINT { $$ = node("float", 1, $1); } ; call : IDENTIFIER LPARENTHESE args RPARENTHESE { $$ = node("call", 4, $1, $2, $3, $4); } ; args : { $$ = node("args", 0); }| arg-list { $$ = node("args", 1, $1); }; arg-list : arg-list COMMA expression { $$ = node("arg-list", 3, $1, $2, $3); }| expression { $$ = node("arg-list", 1, $1); };

完成了以上的補(bǔ)充后，語法分析和詞法分析就應(yīng)該都可以正常進(jìn)行了。嘗試編譯時(shí)提示缺少yyin的聲明，在語法分析函數(shù)parse中使用了yyin來進(jìn)行讀入，yyin是詞法分析Flex產(chǎn)生的變量，這里需要引入，因此在開頭補(bǔ)充引入該文件指針變量。

extern FILE *yyin;

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

1.給出的測(cè)試樣例

編譯成功后執(zhí)行命令./tests/lab2/test_syntax.sh easy和./tests/lab2/test_syntax.sh normal生成語法分析樹。

diff命令驗(yàn)證結(jié)果是否正確。

2.自行編寫的測(cè)試樣例

編寫一個(gè)cminus-f程序進(jìn)行語法分析，產(chǎn)生語法分析樹。

int main(void){int i;int a[10];int j;i=0;j=10;quicksort(a,i,j);return 0; } void quicksort(int a[],int l, int r){int p;if(l<r){p = partition(a,l,r);quicksort(a,l,p-1);quicksort(a,l,p+1);} } int partition(int a[],int l,int r){int temp;temp = a[l];while(l<r){while(temp<=a[r]){r = r-1;if(l==r){a[l] = temp;return l;}}a[l] = a[r];while(temp>=a[l]){l = l+1;if(l==r){a[l] = temp;return l;}}} }

沒有語法錯(cuò)誤，相應(yīng)的語法分析樹也是正確的。部分結(jié)果如下：

編寫一個(gè)存在語法錯(cuò)誤的程序，cminus語法中變量不可以在一個(gè)聲明語句聲明多個(gè)同類型變量。

int func(int a[], int n){int i,sum;i = n;sum = 0;while(i>0){sum = sum+a[i];i--;}return ; }

程序給出了語法錯(cuò)誤的位置。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的编译原理实验二：Bison的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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