കംപൈലർ ഡിസൈൻ: ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിന്റെ അടിസ്ഥാനതത്വങ്ങൾ

കംപ്യൂട്ടർ സയൻസിലെ വളരെ ആകർഷകവും നിർണായകവുമായ ഒരു മേഖലയാണ് കംപൈലർ ഡിസൈൻ, അത് ആധുനിക സോഫ്റ്റ്‌വെയർ വികസനത്തിന്റെ അടിത്തറയാണ്. മനുഷ്യർക്ക് വായിക്കാൻ കഴിയുന്ന സോഴ്‌സ് കോഡും മെഷീന് പ്രവർത്തിപ്പിക്കാൻ കഴിയുന്ന നിർദ്ദേശങ്ങളും തമ്മിലുള്ള പാലമാണ് കംപൈലർ. ഈ ലേഖനം കംപൈലേഷൻ പ്രക്രിയയുടെ പ്രാരംഭ ഘട്ടമായ ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിന്റെ അടിസ്ഥാനകാര്യങ്ങൾ വിശദീകരിക്കുന്നു. ഇതിന്റെ ഉദ്ദേശ്യം, പ്രധാന ആശയങ്ങൾ, ലോകമെമ്പാടുമുള്ള കംപൈലർ ഡിസൈനർമാർക്കും സോഫ്റ്റ്‌വെയർ എഞ്ചിനീയർമാർക്കും വേണ്ടിയുള്ള പ്രായോഗിക പ്രത്യാഘാതങ്ങൾ എന്നിവ നമ്മൾ പരിശോധിക്കും.

എന്താണ് ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്?

ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്, സ്കാനിംഗ് അല്ലെങ്കിൽ ടോക്കണൈസിംഗ് എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു, ഇത് ഒരു കംപൈലറിന്റെ ആദ്യ ഘട്ടമാണ്. സോഴ്സ് കോഡ് പ്രതീകങ്ങളുടെ ഒരു സ്ട്രീം ആയി വായിക്കുകയും അവയെ ലെക്സീമുകൾ എന്ന് വിളിക്കുന്ന അർത്ഥവത്തായ ശ്രേണികളായി തരംതിരിക്കുകയുമാണ് ഇതിന്റെ പ്രധാന ധർമ്മം. ഓരോ ലെക്സീമിനെയും അതിന്റെ പങ്കിന്റെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ തരംതിരിച്ച് ടോക്കണുകളുടെ ഒരു ശ്രേണി രൂപീകരിക്കുന്നു. കൂടുതൽ പ്രോസസ്സിംഗിനായി ഇൻപുട്ട് തയ്യാറാക്കുന്ന പ്രാരംഭ തരംതിരിക്കൽ, ലേബലിംഗ് പ്രക്രിയയായി ഇതിനെ കരുതുക.

നിങ്ങൾക്ക് `x = y + 5;` എന്നൊരു വാക്യം ഉണ്ടെന്ന് കരുതുക. ലെക്സിക്കൽ അനലൈസർ ഇതിനെ താഴെ പറയുന്ന ടോക്കണുകളായി വിഭജിക്കും:

• ഐഡന്റിഫയർ: `x`
• അസൈൻമെന്റ് ഓപ്പറേറ്റർ: `=`
• ഐഡന്റിഫയർ: `y`
• അഡിഷൻ ഓപ്പറേറ്റർ: `+`
• ഇന്റിജർ ലിറ്ററൽ: `5`
• സെമികോളൻ: `;`

പ്രോഗ്രാമിംഗ് ഭാഷയുടെ ഈ അടിസ്ഥാന ബിൽഡിംഗ് ബ്ലോക്കുകളെയാണ് ലെക്സിക്കൽ അനലൈസർ പ്രധാനമായും തിരിച്ചറിയുന്നത്.

ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിലെ പ്രധാന ആശയങ്ങൾ

ടോക്കണുകളും ലെക്സീമുകളും

മുകളിൽ സൂചിപ്പിച്ചതുപോലെ, ഒരു ടോക്കൺ എന്നത് ഒരു ലെക്സീമിന്റെ വർഗ്ഗീകരിച്ച പ്രതിനിധാനമാണ്. ഒരു ലെക്സീം എന്നത് സോഴ്സ് കോഡിലെ പ്രതീകങ്ങളുടെ യഥാർത്ഥ ശ്രേണിയാണ്, അത് ഒരു ടോക്കണിന്റെ പാറ്റേണുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു. പൈത്തണിലെ താഴെ പറയുന്ന കോഡ് സ്നിപ്പെറ്റ് പരിഗണിക്കുക:

if x > 5:
    print("x is greater than 5")

ഈ സ്നിപ്പെറ്റിൽ നിന്നുള്ള ടോക്കണുകളുടെയും ലെക്സീമുകളുടെയും ചില ഉദാഹരണങ്ങൾ ഇതാ:

• ടോക്കൺ: KEYWORD, ലെക്സീം: `if`
• ടോക്കൺ: IDENTIFIER, ലെക്സീം: `x`
• ടോക്കൺ: RELATIONAL_OPERATOR, ലെക്സീം: `>`
• ടോക്കൺ: INTEGER_LITERAL, ലെക്സീം: `5`
• ടോക്കൺ: COLON, ലെക്സീം: `:`
• ടോക്കൺ: KEYWORD, ലെക്സീം: `print`
• ടോക്കൺ: STRING_LITERAL, ലെക്സീം: `"x is greater than 5"`

ടോക്കൺ ലെക്സീമിന്റെ *വിഭാഗത്തെ* പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു, അതേസമയം ലെക്സീം സോഴ്സ് കോഡിൽ നിന്നുള്ള *യഥാർത്ഥ സ്ട്രിംഗ്* ആണ്. കംപൈലേഷന്റെ അടുത്ത ഘട്ടമായ പാർസർ, പ്രോഗ്രാമിന്റെ ഘടന മനസ്സിലാക്കാൻ ടോക്കണുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകൾ

പ്രതീകങ്ങളുടെ പാറ്റേണുകൾ വിവരിക്കുന്നതിനുള്ള ശക്തവും സംക്ഷിപ്തവുമായ ഒരു രീതിയാണ് റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകൾ (regex). ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിൽ, നിർദ്ദിഷ്ട ടോക്കണുകളായി അംഗീകരിക്കപ്പെടാൻ ലെക്സീമുകൾ പൊരുത്തപ്പെടേണ്ട പാറ്റേണുകൾ നിർവചിക്കാൻ അവ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. കംപൈലർ ഡിസൈനിൽ മാത്രമല്ല, ടെക്സ്റ്റ് പ്രോസസ്സിംഗ് മുതൽ നെറ്റ്‌വർക്ക് സുരക്ഷ വരെ കമ്പ്യൂട്ടർ സയൻസിന്റെ പല മേഖലകളിലും റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകൾ ഒരു അടിസ്ഥാന ആശയമാണ്.

ചില സാധാരണ റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷൻ ചിഹ്നങ്ങളും അവയുടെ അർത്ഥങ്ങളും താഴെ നൽകുന്നു:

• `.` (ഡോട്ട്): ഒരു ന്യൂലൈൻ ഒഴികെയുള്ള ഏതെങ്കിലും ഒരൊറ്റ പ്രതീകവുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു.
• `*` (ആസ്റ്ററിസ്ക്): മുൻപത്തെ ഘടകവുമായി പൂജ്യമോ അതിലധികമോ തവണ പൊരുത്തപ്പെടുന്നു.
• `+` (പ്ലസ്): മുൻപത്തെ ഘടകവുമായി ഒന്നോ അതിലധികമോ തവണ പൊരുത്തപ്പെടുന്നു.
• `?` (ചോദ്യചിഹ്നം): മുൻപത്തെ ഘടകവുമായി പൂജ്യമോ ഒരു തവണയോ പൊരുത്തപ്പെടുന്നു.
• `[]` (സ്ക്വയർ ബ്രാക്കറ്റുകൾ): ഒരു പ്രതീക ക്ലാസ് നിർവചിക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, `[a-z]` ഏതെങ്കിലും ചെറിയ അക്ഷരവുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു.
• `[^]` (നെഗേറ്റഡ് സ്ക്വയർ ബ്രാക്കറ്റുകൾ): ഒരു നെഗേറ്റഡ് പ്രതീക ക്ലാസ് നിർവചിക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, `[^0-9]` അക്കമല്ലാത്ത ഏതെങ്കിലും പ്രതീകവുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു.
• `|` (പൈപ്പ്): ആൾട്ടർനേഷൻ (OR) പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, `a|b` ഒന്നുകിൽ `a` അല്ലെങ്കിൽ `b` യുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു.
• `()` (പാരന്തസിസ്): ഘടകങ്ങളെ ഒരുമിച്ച് ഗ്രൂപ്പ് ചെയ്യുകയും അവയെ ക്യാപ്‌ചർ ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നു.
• `\` (ബാക്ക്‌സ്ലാഷ്): പ്രത്യേക പ്രതീകങ്ങളെ എസ്‌കേപ്പ് ചെയ്യുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, `\.` ഒരു യഥാർത്ഥ ഡോട്ടായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു.

ടോക്കണുകൾ നിർവചിക്കാൻ റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകൾ എങ്ങനെ ഉപയോഗിക്കാം എന്നതിന്റെ ചില ഉദാഹരണങ്ങൾ നോക്കാം:

• ഇന്റിജർ ലിറ്ററൽ: `[0-9]+` (ഒന്നോ അതിലധികമോ അക്കങ്ങൾ)
• ഐഡന്റിഫയർ: `[a-zA-Z_][a-zA-Z0-9_]*` (ഒരു അക്ഷരത്തിലോ അണ്ടർസ്കോറിലോ ആരംഭിക്കുന്നു, തുടർന്ന് പൂജ്യമോ അതിലധികമോ അക്ഷരങ്ങൾ, അക്കങ്ങൾ, അല്ലെങ്കിൽ അണ്ടർസ്കോറുകൾ)
• ഫ്ലോട്ടിംഗ്-പോയിന്റ് ലിറ്ററൽ: `[0-9]+\.[0-9]+` (ഒന്നോ അതിലധികമോ അക്കങ്ങൾ, തുടർന്ന് ഒരു ഡോട്ട്, തുടർന്ന് ഒന്നോ അതിലധികമോ അക്കങ്ങൾ) ഇതൊരു ലളിതമായ ഉദാഹരണമാണ്; കൂടുതൽ ശക്തമായ ഒരു റെജെക്സ് എക്സ്പോണന്റുകളും ഓപ്ഷണൽ ചിഹ്നങ്ങളും കൈകാര്യം ചെയ്യും.

വ്യത്യസ്ത പ്രോഗ്രാമിംഗ് ഭാഷകൾക്ക് ഐഡന്റിഫയറുകൾ, ഇന്റിജർ ലിറ്ററലുകൾ, മറ്റ് ടോക്കണുകൾ എന്നിവയ്ക്ക് വ്യത്യസ്ത നിയമങ്ങൾ ഉണ്ടായിരിക്കാം. അതിനാൽ, അനുബന്ധ റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകൾ അതനുസരിച്ച് ക്രമീകരിക്കേണ്ടതുണ്ട്. ഉദാഹരണത്തിന്, ചില ഭാഷകൾ ഐഡന്റിഫയറുകളിൽ യൂണിക്കോഡ് പ്രതീകങ്ങൾ അനുവദിച്ചേക്കാം, അതിന് കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണമായ റെജെക്സ് ആവശ്യമാണ്.

ഫൈനൈറ്റ് ഓട്ടോമാറ്റ

റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകൾ നിർവചിക്കുന്ന പാറ്റേണുകൾ തിരിച്ചറിയാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന അമൂർത്തമായ യന്ത്രങ്ങളാണ് ഫൈനൈറ്റ് ഓട്ടോമാറ്റ (FA). ലെക്സിക്കൽ അനലൈസറുകളുടെ നിർവ്വഹണത്തിലെ ഒരു പ്രധാന ആശയമാണിത്. രണ്ട് പ്രധാന തരം ഫൈനൈറ്റ് ഓട്ടോമാറ്റകളുണ്ട്:

• ഡിറ്റർമിനിസ്റ്റിക് ഫൈനൈറ്റ് ഓട്ടോമാറ്റൺ (DFA): ഓരോ സ്റ്റേറ്റിനും ഇൻപുട്ട് ചിഹ്നത്തിനും, മറ്റൊരു സ്റ്റേറ്റിലേക്ക് കൃത്യമായി ഒരു ട്രാൻസിഷൻ മാത്രമേ ഉണ്ടാകൂ. DFA-കൾ നടപ്പിലാക്കാനും പ്രവർത്തിപ്പിക്കാനും എളുപ്പമാണ്, പക്ഷേ റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകളിൽ നിന്ന് നേരിട്ട് നിർമ്മിക്കാൻ കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണമായേക്കാം.
• നോൺ-ഡിറ്റർമിനിസ്റ്റിക് ഫൈനൈറ്റ് ഓട്ടോമാറ്റൺ (NFA): ഓരോ സ്റ്റേറ്റിനും ഇൻപുട്ട് ചിഹ്നത്തിനും, മറ്റ് സ്റ്റേറ്റുകളിലേക്ക് പൂജ്യം, ഒന്ന്, അല്ലെങ്കിൽ ഒന്നിലധികം ട്രാൻസിഷനുകൾ ഉണ്ടാകാം. NFA-കൾ റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകളിൽ നിന്ന് നിർമ്മിക്കാൻ എളുപ്പമാണ്, പക്ഷേ കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണമായ എക്സിക്യൂഷൻ അൽഗോരിതങ്ങൾ ആവശ്യമാണ്.

ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിലെ സാധാരണ പ്രക്രിയയിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

1. ഓരോ ടോക്കൺ തരത്തിനുമുള്ള റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകളെ ഒരു NFA-ലേക്ക് പരിവർത്തനം ചെയ്യുക.
2. NFA-യെ ഒരു DFA-ലേക്ക് പരിവർത്തനം ചെയ്യുക.
3. DFA-യെ ഒരു ടേബിൾ-ഡ്രിവൺ സ്കാനറായി നടപ്പിലാക്കുക.

ഇൻപുട്ട് സ്ട്രീം സ്കാൻ ചെയ്യാനും ടോക്കണുകൾ തിരിച്ചറിയാനും DFA ഉപയോഗിക്കുന്നു. DFA ഒരു പ്രാരംഭ സ്റ്റേറ്റിൽ നിന്ന് ആരംഭിച്ച് ഇൻപുട്ട് ഓരോ പ്രതീകമായി വായിക്കുന്നു. നിലവിലെ സ്റ്റേറ്റിന്റെയും ഇൻപുട്ട് പ്രതീകത്തിന്റെയും അടിസ്ഥാനത്തിൽ, അത് ഒരു പുതിയ സ്റ്റേറ്റിലേക്ക് മാറുന്നു. ഒരു കൂട്ടം പ്രതീകങ്ങൾ വായിച്ചതിനുശേഷം DFA ഒരു സ്വീകാര്യമായ സ്റ്റേറ്റിൽ എത്തിയാൽ, ആ ശ്രേണിയെ ഒരു ലെക്സീം ആയി തിരിച്ചറിയുകയും അനുബന്ധ ടോക്കൺ സൃഷ്ടിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ് എങ്ങനെ പ്രവർത്തിക്കുന്നു

ലെക്സിക്കൽ അനലൈസർ താഴെ പറയുന്ന രീതിയിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്നു:

1. സോഴ്സ് കോഡ് വായിക്കുന്നു: ലെക്സർ ഇൻപുട്ട് ഫയലിൽ നിന്നോ സ്ട്രീമിൽ നിന്നോ സോഴ്സ് കോഡ് ഓരോ പ്രതീകമായി വായിക്കുന്നു.
2. ലെക്സീമുകൾ തിരിച്ചറിയുന്നു: സാധുവായ ലെക്സീമുകൾ രൂപീകരിക്കുന്ന പ്രതീകങ്ങളുടെ ശ്രേണികളെ തിരിച്ചറിയാൻ ലെക്സർ റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകൾ (അല്ലെങ്കിൽ, കൂടുതൽ കൃത്യമായി പറഞ്ഞാൽ, റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകളിൽ നിന്ന് ഉരുത്തിരിഞ്ഞ ഒരു DFA) ഉപയോഗിക്കുന്നു.
3. ടോക്കണുകൾ സൃഷ്ടിക്കുന്നു: കണ്ടെത്തിയ ഓരോ ലെക്സീമിനും, ലെക്സർ ഒരു ടോക്കൺ സൃഷ്ടിക്കുന്നു, അതിൽ ലെക്സീം തന്നെയും അതിന്റെ ടോക്കൺ തരവും (ഉദാഹരണത്തിന്, IDENTIFIER, INTEGER_LITERAL, OPERATOR) ഉൾപ്പെടുന്നു.
4. പിശകുകൾ കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നു: നിർവചിക്കപ്പെട്ട ഒരു പാറ്റേണുമായി പൊരുത്തപ്പെടാത്ത (അതായത്, ടോക്കണൈസ് ചെയ്യാൻ കഴിയാത്ത) ഒരു പ്രതീകങ്ങളുടെ ശ്രേണി ലെക്സർ കണ്ടുമുട്ടിയാൽ, അത് ഒരു ലെക്സിക്കൽ പിശക് റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യുന്നു. ഇതിൽ അസാധുവായ ഒരു പ്രതീകമോ തെറ്റായി രൂപീകരിച്ച ഐഡന്റിഫയറോ ഉൾപ്പെടാം.
5. പാർസറിലേക്ക് ടോക്കണുകൾ കൈമാറുന്നു: ലെക്സർ ടോക്കണുകളുടെ സ്ട്രീം കംപൈലറിന്റെ അടുത്ത ഘട്ടമായ പാർസറിലേക്ക് കൈമാറുന്നു.

ഈ ലളിതമായ സി കോഡ് സ്നിപ്പെറ്റ് പരിഗണിക്കുക:

int main() {
  int x = 10;
  return 0;
}

ലെക്സിക്കൽ അനലൈസർ ഈ കോഡ് പ്രോസസ്സ് ചെയ്യുകയും താഴെ പറയുന്ന ടോക്കണുകൾ (ലളിതമാക്കിയത്) സൃഷ്ടിക്കുകയും ചെയ്യും:

• KEYWORD: `int`
• IDENTIFIER: `main`
• LEFT_PAREN: `(`
• RIGHT_PAREN: `)`
• LEFT_BRACE: `{`
• KEYWORD: `int`
• IDENTIFIER: `x`
• ASSIGNMENT_OPERATOR: `=`
• INTEGER_LITERAL: `10`
• SEMICOLON: `;`
• KEYWORD: `return`
• INTEGER_LITERAL: `0`
• SEMICOLON: `;`
• RIGHT_BRACE: `}`

ഒരു ലെക്സിക്കൽ അനലൈസറിന്റെ പ്രായോഗിക നിർവ്വഹണം

ഒരു ലെക്സിക്കൽ അനലൈസർ നടപ്പിലാക്കാൻ രണ്ട് പ്രധാന സമീപനങ്ങളുണ്ട്:

1. മാനുവൽ നിർവ്വഹണം: ലെക്സർ കോഡ് നേരിട്ട് എഴുതുക. ഇത് കൂടുതൽ നിയന്ത്രണവും ഒപ്റ്റിമൈസേഷൻ സാധ്യതകളും നൽകുന്നു, പക്ഷേ കൂടുതൽ സമയമെടുക്കുന്നതും പിശകുകൾക്ക് സാധ്യതയുള്ളതുമാണ്.
2. ലെക്സർ ജനറേറ്ററുകൾ ഉപയോഗിക്കൽ: Lex (Flex), ANTLR, അല്ലെങ്കിൽ JFlex പോലുള്ള ടൂളുകൾ ഉപയോഗിക്കുക, ഇവ റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷൻ സ്പെസിഫിക്കേഷനുകളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി ലെക്സർ കോഡ് യാന്ത്രികമായി സൃഷ്ടിക്കുന്നു.

മാനുവൽ നിർവ്വഹണം

ഒരു മാനുവൽ നിർവ്വഹണത്തിൽ സാധാരണയായി ഒരു സ്റ്റേറ്റ് മെഷീൻ (DFA) സൃഷ്ടിക്കുകയും ഇൻപുട്ട് പ്രതീകങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി സ്റ്റേറ്റുകൾക്കിടയിൽ മാറുന്നതിനുള്ള കോഡ് എഴുതുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ സമീപനം ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ് പ്രക്രിയയിൽ സൂക്ഷ്മമായ നിയന്ത്രണം അനുവദിക്കുകയും നിർദ്ദിഷ്ട പ്രകടന ആവശ്യകതകൾക്കായി ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യാനും കഴിയും. എന്നിരുന്നാലും, ഇതിന് റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകളെയും ഫൈനൈറ്റ് ഓട്ടോമാറ്റയെയും കുറിച്ച് ആഴത്തിലുള്ള ധാരണ ആവശ്യമാണ്, കൂടാതെ ഇത് പരിപാലിക്കാനും ഡീബഗ് ചെയ്യാനും വെല്ലുവിളി നിറഞ്ഞതാണ്.

പൈത്തണിൽ ഒരു മാനുവൽ ലെക്സർ എങ്ങനെ ഇന്റിജർ ലിറ്ററലുകൾ കൈകാര്യം ചെയ്യാം എന്നതിൻ്റെ ഒരു ആശയപരമായ (വളരെ ലളിതമായ) ഉദാഹരണം ഇതാ:

def lexer(input_string):
    tokens = []
    i = 0
    while i < len(input_string):
        if input_string[i].isdigit():
            # ഒരു അക്കം കണ്ടെത്തി, ഇന്റിജർ നിർമ്മിക്കാൻ തുടങ്ങുന്നു
            num_str = ""
            while i < len(input_string) and input_string[i].isdigit():
                num_str += input_string[i]
                i += 1
            tokens.append(("INTEGER", int(num_str)))
            i -= 1 # അവസാനത്തെ ഇൻക്രിമെന്റിനായി തിരുത്തുന്നു
        elif input_string[i] == '+':
            tokens.append(("PLUS", "+"))
        elif input_string[i] == '-':
            tokens.append(("MINUS", "-"))
        # ... (മറ്റ് പ്രതീകങ്ങളും ടോക്കണുകളും കൈകാര്യം ചെയ്യുക)
        i += 1
    return tokens

ഇതൊരു പ്രാഥമിക ഉദാഹരണമാണ്, പക്ഷേ ഇത് ഇൻപുട്ട് സ്ട്രിംഗ് സ്വമേധയാ വായിക്കുകയും പ്രതീക പാറ്റേണുകളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി ടോക്കണുകൾ തിരിച്ചറിയുകയും ചെയ്യുന്ന അടിസ്ഥാന ആശയം വ്യക്തമാക്കുന്നു.

ലെക്സർ ജനറേറ്ററുകൾ

ലെക്സിക്കൽ അനലൈസറുകൾ സൃഷ്ടിക്കുന്ന പ്രക്രിയ ഓട്ടോമേറ്റ് ചെയ്യുന്ന ടൂളുകളാണ് ലെക്സർ ജനറേറ്ററുകൾ. അവ ഇൻപുട്ടായി ഒരു സ്പെസിഫിക്കേഷൻ ഫയൽ എടുക്കുന്നു, അതിൽ ഓരോ ടോക്കൺ തരത്തിനുമുള്ള റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകളും ഒരു ടോക്കൺ തിരിച്ചറിയുമ്പോൾ ചെയ്യേണ്ട പ്രവർത്തനങ്ങളും നിർവചിക്കുന്നു. തുടർന്ന് ജനറേറ്റർ ഒരു ടാർഗെറ്റ് പ്രോഗ്രാമിംഗ് ഭാഷയിൽ ലെക്സർ കോഡ് നിർമ്മിക്കുന്നു.

ചില ജനപ്രിയ ലെക്സർ ജനറേറ്ററുകൾ ഇതാ:

• Lex (Flex): വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു ലെക്സർ ജനറേറ്റർ, ഇത് പലപ്പോഴും Yacc (Bison) എന്ന പാർസർ ജനറേറ്ററുമായി ചേർന്ന് ഉപയോഗിക്കുന്നു. Flex അതിന്റെ വേഗതയ്ക്കും കാര്യക്ഷമതയ്ക്കും പേരുകേട്ടതാണ്.
• ANTLR (ANother Tool for Language Recognition): ഒരു ലെക്സർ ജനറേറ്ററും ഉൾക്കൊള്ളുന്ന ശക്തമായ ഒരു പാർസർ ജനറേറ്റർ. ANTLR വൈവിധ്യമാർന്ന പ്രോഗ്രാമിംഗ് ഭാഷകളെ പിന്തുണയ്ക്കുകയും സങ്കീർണ്ണമായ വ്യാകരണങ്ങളും ലെക്സറുകളും സൃഷ്ടിക്കാൻ അനുവദിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.
• JFlex: ജാവയ്ക്കായി പ്രത്യേകം രൂപകൽപ്പന ചെയ്ത ഒരു ലെക്സർ ജനറേറ്റർ. JFlex കാര്യക്ഷമവും ഇഷ്ടാനുസൃതമാക്കാവുന്നതുമായ ലെക്സറുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നു.

ഒരു ലെക്സർ ജനറേറ്റർ ഉപയോഗിക്കുന്നത് നിരവധി ഗുണങ്ങൾ നൽകുന്നു:

• വികസന സമയം കുറയ്ക്കുന്നു: ലെക്സർ ജനറേറ്ററുകൾ ഒരു ലെക്സിക്കൽ അനലൈസർ വികസിപ്പിക്കുന്നതിനുള്ള സമയവും പ്രയത്നവും ഗണ്യമായി കുറയ്ക്കുന്നു.
• മെച്ചപ്പെട്ട കൃത്യത: ലെക്സർ ജനറേറ്ററുകൾ വ്യക്തമായി നിർവചിക്കപ്പെട്ട റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി ലെക്സറുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നു, ഇത് പിശകുകളുടെ സാധ്യത കുറയ്ക്കുന്നു.
• പരിപാലനം: ലെക്സർ സ്പെസിഫിക്കേഷൻ സാധാരണയായി കൈകൊണ്ട് എഴുതിയ കോഡിനേക്കാൾ വായിക്കാനും പരിപാലിക്കാനും എളുപ്പമാണ്.
• പ്രകടനം: ആധുനിക ലെക്സർ ജനറേറ്ററുകൾ മികച്ച പ്രകടനം കൈവരിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഉയർന്ന ഒപ്റ്റിമൈസ്ഡ് ലെക്സറുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നു.

ഇന്റിജറുകളും ഐഡന്റിഫയറുകളും തിരിച്ചറിയുന്നതിനുള്ള ഒരു ലളിതമായ Flex സ്പെസിഫിക്കേഷന്റെ ഉദാഹരണം ഇതാ:

%%
[0-9]+      { printf("INTEGER: %s\n", yytext); }
[a-zA-Z_][a-zA-Z0-9_]* { printf("IDENTIFIER: %s\n", yytext); }
[ \t\n]+  ; // വൈറ്റ്‌സ്‌പെയ്‌സ് അവഗണിക്കുക
.           { printf("ILLEGAL CHARACTER: %s\n", yytext); }
%%

ഈ സ്പെസിഫിക്കേഷൻ രണ്ട് നിയമങ്ങൾ നിർവചിക്കുന്നു: ഒന്ന് ഇന്റിജറുകൾക്കും മറ്റൊന്ന് ഐഡന്റിഫയറുകൾക്കും. Flex ഈ സ്പെസിഫിക്കേഷൻ പ്രോസസ്സ് ചെയ്യുമ്പോൾ, ഈ ടോക്കണുകൾ തിരിച്ചറിയുന്ന ഒരു ലെക്സറിനായി അത് സി കോഡ് ജനറേറ്റ് ചെയ്യുന്നു. `yytext` എന്ന വേരിയബിളിൽ പൊരുത്തപ്പെട്ട ലെക്സീം അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു.

ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിലെ എറർ ഹാൻഡ്ലിംഗ്

ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിന്റെ ഒരു പ്രധാന വശമാണ് എറർ ഹാൻഡ്ലിംഗ്. ലെക്സർ അസാധുവായ ഒരു പ്രതീകമോ തെറ്റായി രൂപീകരിച്ച ലെക്സീമോ നേരിടുമ്പോൾ, അത് ഉപയോക്താവിന് ഒരു പിശക് റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യേണ്ടതുണ്ട്. സാധാരണ ലെക്സിക്കൽ പിശകുകളിൽ ഇവ ഉൾപ്പെടുന്നു:

• അസാധുവായ പ്രതീകങ്ങൾ: ഭാഷയുടെ അക്ഷരമാലയുടെ ഭാഗമല്ലാത്ത പ്രതീകങ്ങൾ (ഉദാഹരണത്തിന്, ഐഡന്റിഫയറുകളിൽ അനുവദിക്കാത്ത ഒരു `$` ചിഹ്നം).
• അവസാനിക്കാത്ത സ്ട്രിംഗുകൾ: ഒരു പൊരുത്തപ്പെടുന്ന ഉദ്ധരണി ഉപയോഗിച്ച് അടയ്ക്കാത്ത സ്ട്രിംഗുകൾ.
• അസാധുവായ നമ്പറുകൾ: ശരിയായി രൂപീകരിക്കാത്ത നമ്പറുകൾ (ഉദാഹരണത്തിന്, ഒന്നിലധികം ദശാംശ ബിന്ദുക്കളുള്ള ഒരു നമ്പർ).
• പരമാവധി നീളം കവിയുന്നത്: അനുവദനീയമായ പരമാവധി നീളം കവിയുന്ന ഐഡന്റിഫയറുകൾ അല്ലെങ്കിൽ സ്ട്രിംഗ് ലിറ്ററലുകൾ.

ഒരു ലെക്സിക്കൽ പിശക് കണ്ടെത്തുമ്പോൾ, ലെക്സർ ചെയ്യേണ്ടത്:

1. പിശക് റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യുക: പിശക് സംഭവിച്ച ലൈൻ നമ്പറും കോളം നമ്പറും പിശകിന്റെ വിവരണവും ഉൾപ്പെടെ ഒരു പിശക് സന്ദേശം സൃഷ്ടിക്കുക.
2. വീണ്ടെടുക്കാൻ ശ്രമിക്കുക: പിശകിൽ നിന്ന് കരകയറാനും ഇൻപുട്ട് സ്കാൻ ചെയ്യുന്നത് തുടരാനും ശ്രമിക്കുക. ഇതിൽ അസാധുവായ പ്രതീകങ്ങൾ ഒഴിവാക്കുകയോ നിലവിലെ ടോക്കൺ അവസാനിപ്പിക്കുകയോ ഉൾപ്പെടാം. തുടർച്ചയായ പിശകുകൾ ഒഴിവാക്കുകയും ഉപയോക്താവിന് കഴിയുന്നത്ര വിവരങ്ങൾ നൽകുകയും ചെയ്യുക എന്നതാണ് ലക്ഷ്യം.

പിശക് സന്ദേശങ്ങൾ വ്യക്തവും വിജ്ഞാനപ്രദവുമായിരിക്കണം, ഇത് പ്രോഗ്രാമർക്ക് പ്രശ്നം വേഗത്തിൽ കണ്ടെത്താനും പരിഹരിക്കാനും സഹായിക്കുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, അവസാനിക്കാത്ത ഒരു സ്ട്രിംഗിനുള്ള നല്ലൊരു പിശക് സന്ദേശം ഇതായിരിക്കാം: `Error: Unterminated string literal at line 10, column 25`.

കംപൈലേഷൻ പ്രക്രിയയിൽ ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിന്റെ പങ്ക്

കംപൈലേഷൻ പ്രക്രിയയിലെ നിർണായകമായ ആദ്യപടിയാണ് ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്. അതിന്റെ ഔട്ട്പുട്ടായ ടോക്കണുകളുടെ ഒരു സ്ട്രീം അടുത്ത ഘട്ടമായ പാർസറിന് (സിന്റാക്സ് അനലൈസർ) ഇൻപുട്ടായി വർത്തിക്കുന്നു. പ്രോഗ്രാമിന്റെ വ്യാകരണപരമായ ഘടനയെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്ന ഒരു അബ്സ്ട്രാക്റ്റ് സിന്റാക്സ് ട്രീ (AST) നിർമ്മിക്കാൻ പാർസർ ടോക്കണുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു. കൃത്യവും വിശ്വസനീയവുമായ ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ് ഇല്ലാതെ, പാർസറിന് സോഴ്സ് കോഡ് ശരിയായി വ്യാഖ്യാനിക്കാൻ കഴിയില്ല.

ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസും പാർസിംഗും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം താഴെ പറയുന്ന രീതിയിൽ സംഗ്രഹിക്കാം:

• ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്: സോഴ്സ് കോഡിനെ ടോക്കണുകളുടെ ഒരു സ്ട്രീം ആയി വിഭജിക്കുന്നു.
• പാർസിംഗ്: ടോക്കൺ സ്ട്രീമിന്റെ ഘടന വിശകലനം ചെയ്യുകയും ഒരു അബ്സ്ട്രാക്റ്റ് സിന്റാക്സ് ട്രീ (AST) നിർമ്മിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

സെമാന്റിക് അനാലിസിസ്, ഇന്റർമീഡിയറ്റ് കോഡ് ജനറേഷൻ, കോഡ് ഒപ്റ്റിമൈസേഷൻ തുടങ്ങിയ കംപൈലറിന്റെ തുടർന്നുള്ള ഘട്ടങ്ങളിൽ അന്തിമ എക്സിക്യൂട്ടബിൾ കോഡ് നിർമ്മിക്കാൻ AST ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിലെ അഡ്വാൻസ്ഡ് വിഷയങ്ങൾ

ഈ ലേഖനം ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിന്റെ അടിസ്ഥാനകാര്യങ്ങൾ ഉൾക്കൊള്ളുന്നുണ്ടെങ്കിലും, കൂടുതൽ പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യേണ്ട നിരവധി അഡ്വാൻസ്ഡ് വിഷയങ്ങളുണ്ട്:

• യൂണിക്കോഡ് പിന്തുണ: ഐഡന്റിഫയറുകളിലും സ്ട്രിംഗ് ലിറ്ററലുകളിലും യൂണിക്കോഡ് പ്രതീകങ്ങൾ കൈകാര്യം ചെയ്യുക. ഇതിന് കൂടുതൽ സങ്കീർണ്ണമായ റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകളും പ്രതീക വർഗ്ഗീകരണ രീതികളും ആവശ്യമാണ്.
• ഉൾച്ചേർത്ത ഭാഷകൾക്കുള്ള ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്: മറ്റ് ഭാഷകളിൽ ഉൾച്ചേർത്ത ഭാഷകൾക്കുള്ള ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ് (ഉദാഹരണത്തിന്, ജാവയിൽ ഉൾച്ചേർത്ത SQL). ഇതിന് പലപ്പോഴും സന്ദർഭത്തിനനുസരിച്ച് വ്യത്യസ്ത ലെക്സറുകൾക്കിടയിൽ മാറേണ്ടി വരും.
• ഇൻക്രിമെന്റൽ ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്: മാറ്റം വരുത്തിയ സോഴ്സ് കോഡിന്റെ ഭാഗങ്ങൾ മാത്രം കാര്യക്ഷമമായി വീണ്ടും സ്കാൻ ചെയ്യാൻ കഴിയുന്ന ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്, ഇത് ഇന്ററാക്ടീവ് ഡെവലപ്മെന്റ് എൻവയോൺമെന്റുകളിൽ ഉപയോഗപ്രദമാണ്.
• സന്ദർഭ-അധിഷ്ഠിത ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്: ടോക്കണിന്റെ തരം ചുറ്റുമുള്ള സന്ദർഭത്തെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്ന ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്. ഭാഷാ വാക്യഘടനയിലെ അവ്യക്തതകൾ കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ ഇത് ഉപയോഗിക്കാം.

അന്താരാഷ്ട്രവൽക്കരണ പരിഗണനകൾ

ആഗോള ഉപയോഗത്തിനായി ഉദ്ദേശിച്ചിട്ടുള്ള ഒരു ഭാഷയ്ക്ക് ഒരു കംപൈലർ രൂപകൽപ്പന ചെയ്യുമ്പോൾ, ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിനായി ഈ അന്താരാഷ്ട്രവൽക്കരണ വശങ്ങൾ പരിഗണിക്കുക:

• പ്രതീക എൻകോഡിംഗ്: വ്യത്യസ്ത അക്ഷരമാലകളും പ്രതീക സെറ്റുകളും കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നതിനായി വിവിധ പ്രതീക എൻകോഡിംഗുകൾക്കുള്ള (UTF-8, UTF-16, മുതലായവ) പിന്തുണ.
• പ്രാദേശിക-നിർദ്ദിഷ്ട ഫോർമാറ്റിംഗ്: പ്രാദേശിക-നിർദ്ദിഷ്ട നമ്പർ, തീയതി ഫോർമാറ്റുകൾ കൈകാര്യം ചെയ്യുക. ഉദാഹരണത്തിന്, ചില പ്രദേശങ്ങളിൽ ദശാംശ വിഭജനം ഒരു പിരീഡിന് (`.`) പകരം ഒരു കോമ (`,`) ആയിരിക്കാം.
• യൂണിക്കോഡ് നോർമലൈസേഷൻ: സ്ഥിരമായ താരതമ്യവും പൊരുത്തപ്പെടുത്തലും ഉറപ്പാക്കാൻ യൂണിക്കോഡ് സ്ട്രിംഗുകൾ നോർമലൈസ് ചെയ്യുക.

അന്താരാഷ്ട്രവൽക്കരണം ശരിയായി കൈകാര്യം ചെയ്യുന്നതിൽ പരാജയപ്പെടുന്നത്, വ്യത്യസ്ത ഭാഷകളിൽ എഴുതിയതോ വ്യത്യസ്ത പ്രതീക സെറ്റുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നതോ ആയ സോഴ്സ് കോഡുമായി ഇടപെഴകുമ്പോൾ തെറ്റായ ടോക്കണൈസേഷനും കംപൈലേഷൻ പിശകുകൾക്കും ഇടയാക്കും.

ഉപസംഹാരം

കംപൈലർ ഡിസൈനിന്റെ അടിസ്ഥാനപരമായ ഒരു വശമാണ് ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസ്. കംപൈലറുകൾ, ഇന്റർപ്രെട്ടറുകൾ, അല്ലെങ്കിൽ മറ്റ് ഭാഷാ പ്രോസസ്സിംഗ് ടൂളുകൾ എന്നിവയുമായി ബന്ധപ്പെട്ട് പ്രവർത്തിക്കുന്ന ഏതൊരാൾക്കും ഈ ലേഖനത്തിൽ ചർച്ച ചെയ്ത ആശയങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള ആഴത്തിലുള്ള ധാരണ അത്യാവശ്യമാണ്. ടോക്കണുകളും ലെക്സീമുകളും മനസ്സിലാക്കുന്നത് മുതൽ റെഗുലർ എക്സ്പ്രഷനുകളിലും ഫൈനൈറ്റ് ഓട്ടോമാറ്റയിലും പ്രാവീണ്യം നേടുന്നത് വരെ, ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിലെ അറിവ് കംപൈലർ നിർമ്മാണ ലോകത്തേക്ക് കൂടുതൽ പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യുന്നതിനുള്ള ശക്തമായ അടിത്തറ നൽകുന്നു. ലെക്സർ ജനറേറ്ററുകൾ സ്വീകരിക്കുന്നതിലൂടെയും അന്താരാഷ്ട്രവൽക്കരണ വശങ്ങൾ പരിഗണിക്കുന്നതിലൂടെയും, ഡെവലപ്പർമാർക്ക് വൈവിധ്യമാർന്ന പ്രോഗ്രാമിംഗ് ഭാഷകൾക്കും പ്ലാറ്റ്‌ഫോമുകൾക്കുമായി കരുത്തുറ്റതും കാര്യക്ഷമവുമായ ലെക്സിക്കൽ അനലൈസറുകൾ സൃഷ്ടിക്കാൻ കഴിയും. സോഫ്റ്റ്‌വെയർ വികസനം വികസിക്കുന്നത് തുടരുമ്പോൾ, ലെക്സിക്കൽ അനാലിസിസിന്റെ തത്വങ്ങൾ ആഗോളതലത്തിൽ ഭാഷാ പ്രോസസ്സിംഗ് സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ ഒരു മൂലക്കല്ലായി തുടരും.