M

MLOG

Українська

Поглиблене дослідження лексичного аналізу, першої фази розробки компілятора. Дізнайтеся про токени, лексеми, регулярні вирази, скінченні автомати та їх практичне застосування.

Дизайн компіляторів: Основи лексичного аналізу

Дизайн компіляторів — це захоплююча та ключова галузь комп'ютерних наук, яка лежить в основі значної частини сучасної розробки програмного забезпечення. Компілятор — це міст між вихідним кодом, зрозумілим людині, та інструкціями, що виконуються машиною. Ця стаття заглибиться в основи лексичного аналізу, початкової фази процесу компіляції. Ми розглянемо його мету, ключові поняття та практичне значення для майбутніх розробників компіляторів та інженерів програмного забезпечення по всьому світу.

Що таке лексичний аналіз?

Лексичний аналіз, також відомий як сканування або токенізація, є першою фазою компілятора. Його основна функція — читати вихідний код як потік символів і групувати їх у значущі послідовності, що називаються лексемами. Кожна лексема потім класифікується на основі її ролі, в результаті чого утворюється послідовність токенів. Уявіть це як початковий процес сортування та маркування, який готує вхідні дані для подальшої обробки.

Уявіть, що у вас є речення: `x = y + 5;` Лексичний аналізатор розбив би його на такі токени:

Лексичний аналізатор по суті ідентифікує ці основні будівельні блоки мови програмування.

Ключові поняття лексичного аналізу

Токени та лексеми

Як згадувалося вище, токен — це класифіковане представлення лексеми. Лексема — це фактична послідовність символів у вихідному коді, яка відповідає шаблону для токена. Розглянемо наступний фрагмент коду на Python:

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

Ось кілька прикладів токенів та лексем з цього фрагмента:

Токен представляє *категорію* лексеми, тоді як лексема — це *фактичний рядок* з вихідного коду. Парсер, наступний етап компіляції, використовує токени для розуміння структури програми.

Регулярні вирази

Регулярні вирази (regex) — це потужний і стислий спосіб опису шаблонів символів. Вони широко використовуються в лексичному аналізі для визначення шаблонів, яким повинні відповідати лексеми, щоб бути розпізнаними як конкретні токени. Регулярні вирази є фундаментальним поняттям не тільки в дизайні компіляторів, але й у багатьох галузях комп'ютерних наук, від обробки тексту до мережевої безпеки.

Ось деякі поширені символи регулярних виразів та їх значення:

Розглянемо кілька прикладів того, як регулярні вирази можна використовувати для визначення токенів:

Різні мови програмування можуть мати різні правила для ідентифікаторів, цілочислових літералів та інших токенів. Тому відповідні регулярні вирази потрібно коригувати. Наприклад, деякі мови можуть дозволяти символи Unicode в ідентифікаторах, що вимагає більш складного regex.

Скінченні автомати

Скінченні автомати (СА) — це абстрактні машини, що використовуються для розпізнавання шаблонів, визначених регулярними виразами. Вони є основним поняттям у реалізації лексичних аналізаторів. Існує два основних типи скінченних автоматів:

Типовий процес лексичного аналізу включає:

  1. Перетворення регулярних виразів для кожного типу токена в НСА.
  2. Перетворення НСА в ДСА.
  3. Реалізація ДСА як сканера, керованого таблицею.

ДСА потім використовується для сканування вхідного потоку та ідентифікації токенів. ДСА починає роботу в початковому стані і читає вхідні дані символ за символом. На основі поточного стану та вхідного символу він переходить у новий стан. Якщо ДСА досягає стану прийняття після прочитання послідовності символів, ця послідовність розпізнається як лексема, і генерується відповідний токен.

Як працює лексичний аналіз

Лексичний аналізатор працює наступним чином:

  1. Читає вихідний код: Лексер читає вихідний код символ за символом з вхідного файлу або потоку.
  2. Ідентифікує лексеми: Лексер використовує регулярні вирази (або, точніше, ДСА, отриманий з регулярних виразів) для ідентифікації послідовностей символів, що утворюють дійсні лексеми.
  3. Генерує токени: Для кожної знайденої лексеми лексер створює токен, який включає саму лексему та її тип (наприклад, ІДЕНТИФІКАТОР, ЦІЛОЧИСЛОВИЙ_ЛІТЕРАЛ, ОПЕРАТОР).
  4. Обробляє помилки: Якщо лексер зустрічає послідовність символів, яка не відповідає жодному визначеному шаблону (тобто її неможливо токенізувати), він повідомляє про лексичну помилку. Це може бути недійсний символ або неправильно сформований ідентифікатор.
  5. Передає токени парсеру: Лексер передає потік токенів наступній фазі компілятора — парсеру.

Розглянемо цей простий фрагмент коду на C:

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

Лексичний аналізатор обробить цей код і згенерує наступні токени (спрощено):

Практична реалізація лексичного аналізатора

Існує два основних підходи до реалізації лексичного аналізатора:

  1. Ручна реалізація: Написання коду лексера вручну. Це забезпечує більший контроль та можливості оптимізації, але є більш трудомістким і схильним до помилок.
  2. Використання генераторів лексерів: Застосування інструментів, таких як Lex (Flex), ANTLR або JFlex, які автоматично генерують код лексера на основі специфікацій регулярних виразів.

Ручна реалізація

Ручна реалізація зазвичай включає створення кінцевого автомата (ДСА) та написання коду для переходу між станами на основі вхідних символів. Цей підхід дозволяє детально контролювати процес лексичного аналізу і може бути оптимізований для конкретних вимог до продуктивності. Однак він вимагає глибокого розуміння регулярних виразів і скінченних автоматів, і його може бути складно підтримувати та налагоджувати.

Ось концептуальний (і дуже спрощений) приклад того, як ручний лексер може обробляти цілочислові літерали на Python:

def lexer(input_string):
    tokens = []
    i = 0
    while i < len(input_string):
        if input_string[i].isdigit():
            # Found a digit, start building the integer
            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 # Correct for the last increment
        elif input_string[i] == '+':
            tokens.append(("PLUS", "+"))
        elif input_string[i] == '-':
            tokens.append(("MINUS", "-"))
        # ... (handle other characters and tokens)
        i += 1
    return tokens

Це рудиментарний приклад, але він ілюструє основну ідею ручного читання вхідного рядка та ідентифікації токенів на основі шаблонів символів.

Генератори лексерів

Генератори лексерів — це інструменти, що автоматизують процес створення лексичних аналізаторів. Вони приймають на вхід файл специфікації, який визначає регулярні вирази для кожного типу токена та дії, які потрібно виконати при розпізнаванні токена. Потім генератор створює код лексера цільовою мовою програмування.

Ось деякі популярні генератори лексерів:

Використання генератора лексерів пропонує кілька переваг:

Ось приклад простої специфікації Flex для розпізнавання цілих чисел та ідентифікаторів:

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

Ця специфікація визначає два правила: одне для цілих чисел і одне для ідентифікаторів. Коли Flex обробляє цю специфікацію, він генерує код на C для лексера, який розпізнає ці токени. Змінна `yytext` містить відповідну лексему.

Обробка помилок у лексичному аналізі

Обробка помилок є важливою частиною лексичного аналізу. Коли лексер зустрічає недійсний символ або неправильно сформовану лексему, він повинен повідомити про помилку користувачеві. Поширені лексичні помилки включають:

При виявленні лексичної помилки лексер повинен:

  1. Повідомити про помилку: Згенерувати повідомлення про помилку, яке включає номер рядка та номер стовпця, де сталася помилка, а також опис помилки.
  2. Спробувати відновитися: Спробувати відновитися після помилки та продовжити сканування вхідних даних. Це може включати пропуск недійсних символів або завершення поточного токена. Мета — уникнути каскадних помилок і надати якомога більше інформації користувачеві.

Повідомлення про помилки повинні бути чіткими та інформативними, допомагаючи програмісту швидко виявити та виправити проблему. Наприклад, хороше повідомлення про помилку для незавершеного рядка може бути таким: `Помилка: Незавершений рядковий літерал у рядку 10, стовпці 25`.

Роль лексичного аналізу в процесі компіляції

Лексичний аналіз — це вирішальний перший крок у процесі компіляції. Його вивід, потік токенів, служить вхідними даними для наступної фази, парсера (синтаксичного аналізатора). Парсер використовує токени для побудови абстрактного синтаксичного дерева (АСД), яке представляє граматичну структуру програми. Без точного та надійного лексичного аналізу парсер не зміг би правильно інтерпретувати вихідний код.

Взаємозв'язок між лексичним аналізом та синтаксичним аналізом можна підсумувати наступним чином:

АСД потім використовується наступними фазами компілятора, такими як семантичний аналіз, генерація проміжного коду та оптимізація коду, для створення кінцевого виконуваного коду.

Просунуті теми лексичного аналізу

Хоча ця стаття охоплює основи лексичного аналізу, існує кілька просунутих тем, які варто вивчити:

Аспекти інтернаціоналізації

При розробці компілятора для мови, призначеної для глобального використання, враховуйте ці аспекти інтернаціоналізації для лексичного аналізу:

Неправильна обробка інтернаціоналізації може призвести до неправильної токенізації та помилок компіляції при роботі з вихідним кодом, написаним різними мовами або з використанням різних наборів символів.

Висновок

Лексичний аналіз є фундаментальним аспектом дизайну компіляторів. Глибоке розуміння концепцій, обговорених у цій статті, є важливим для кожного, хто займається створенням або роботою з компіляторами, інтерпретаторами чи іншими інструментами обробки мов. Від розуміння токенів та лексем до оволодіння регулярними виразами та скінченними автоматами, знання лексичного аналізу забезпечує міцну основу для подальшого вивчення світу створення компіляторів. Використовуючи генератори лексерів та враховуючи аспекти інтернаціоналізації, розробники можуть створювати надійні та ефективні лексичні аналізатори для широкого спектру мов програмування та платформ. Оскільки розробка програмного забезпечення продовжує розвиватися, принципи лексичного аналізу залишатимуться наріжним каменем технології обробки мов у всьому світі.