使用Python編寫一個最基礎的程式碼解釋器的要點解析

一直以來都對編譯器和解析器有著很大的興趣，也很清楚一個編譯器的概念和整體的框架，但是對於細節部分卻不是很了解。我們寫的程式原始碼其實就是一串字元序列，編譯器或解釋器可以直接理解並執行這個字元序列，這看起來實在是太奇妙了。本文會用Python實作一個簡單的解析器，用來解釋一種小的列表操作語言（類似python的list）。其實編譯器、解釋器並不神秘，只要對基本的理論理解之後，實作起來也比較簡單（當然，一個產品級的編譯器或解釋器還是很複雜的）。
這種列表語言支援的操作：

veca = [1, 2, 3]  # 列表声明 
vecb = [4, 5, 6] 
print 'veca:', veca   # 打印字符串、列表，print expr+ 
print 'veca * 2:', veca * 2   # 列表与整数乘法 
print 'veca + 2:', veca + 2   # 列表与整数加法 
print 'veca + vecb:', veca + vecb  # 列表加法 
print 'veca + [11, 12]:', veca + [11, 12]   
print 'veca * vecb:', veca * vecb  # 列表乘法 
print 'veca:', veca 
print 'vecb:', vecb 

對應輸出：

veca: [1, 2, 3] 
veca * 2: [2, 4, 6] 
veca + 2: [1, 2, 3, 2] 
veca + vecb: [1, 2, 3, 2, 4, 5, 6] 
veca + [11, 12]: [1, 2, 3, 2, 11, 12] 
veca * vecb: [4, 5, 6, 8, 10, 12, 12, 15, 18, 8, 10, 12] 
veca: [1, 2, 3, 2] 
vecb: [4, 5, 6] 

編譯器和解釋器在處理輸入字元流時，基本上和人理解句子的方式是一致的。如：

I love you. 

如果初學英語，首先需要知道各個單字的意思，然後分析各個單字的詞性，符合主-謂-賓的結構，這樣才能理解這句話的意思。這句話就是一個字元序列，依照詞法分割就得到了一個詞法單元流，其實這就是詞法分析，完成從字元流到詞法單元流的轉換。分析詞性，決定主謂賓結構，是依照英文的語法辨識出這個結構，這就是語法分析，根據輸入的詞法單元流辨識出語法解析樹。最後，再結合單字的意思和語法結構最後得出這句話的意思，這就是語意分析。編譯器和解釋器處理過程類似，但是要略微複雜一些，這裡只專注於解釋器：

我們只是實作一個很簡單的小語言，所以不涉及到語法樹的生成，以及後續複雜的語意分析。下面我就來看看詞法分析和文法分析。
詞法分析和語法分析分別由詞法解析器和語法解析器完成。這兩種解析器具有類似的結構和功能，它們都是以一個輸入序列為輸入，然後識別出特定的結構。詞法解析器從原始碼字元流中解析出一個一個的token（詞法單元），而語法解析器辨識出子結構和詞法單元，然後再進行一些處理。可以透過LL(1)遞歸下降解析器實現這兩種解析器，這類解析器完成的步驟是：預測子句的類型，呼叫解析函數匹配該子結構、匹配詞法單元，然後按照需要插入程式碼，執行自訂操作。
這裡對LL(1)做簡單介紹，語句的結構通常用樹型結構表示，稱為解析樹，LL(1)做語法解析就依賴解析樹。如：x = x +2;

在這棵樹中，像x、=和2這樣的葉節點，稱為終結節點，其他的叫做非終結節點。 LL(1)解析時，不需要建立特定的樹型資料結構，可以為每個非終結節點編寫解析函數，在遇到相應節點時進行調用，這樣就可以透過解析函數的調用序列中（相當於樹的遍歷）獲得解析樹的資訊。在LL(1)解析時，是按照從根節點到葉節點的順序執行的，所以這是一個「下降」的過程，而解析函數又可以呼叫自身，所以是「遞歸」的，因此LL(1 )又叫做遞歸下降解析器。
LL(1)中兩個L都是left-to-right的意思，第一個L表示解析器按從左到右的順序解析輸入內容，第二個L表示在下降過程中，也是按照從左到右的順序遍歷子節點，而1表示根據1個向前看單元做預測。
下面來看看列表小語言的實現，首先是語言的文法，文法用來描述一個語言，算是解析器的設計說明書。

statlist: stat+ 
stat: ID '=' expr 
  | 'print' expr (, expr)* 
expr: multipart ('+' multipart)* 
  | STR 
multipart: primary ('*' primary)* 
primary: INT 
  | ID 
  | '[' expr (',', expr)* ']' 
INT: (1..9)(0..9)* 
ID: (a..z | A..Z)* 
STR: (\".*\") | (\'.*\') 

这是用DSL描述的文法，其中大部分概念和正则表达式类似。"a|b"表示a或者b，所有以单引号括起的字符串是关键字，比如：print，=等。大写的单词是词法单元。可以看到这个小语言的文法还是很简单的。有很多解析器生成器可以自动根据文法生成对应的解析器，比如：ANTRL，flex，yacc等，这里采用手写解析器主要是为了理解解析器的原理。下面看一下这个小语言的解释器是如何实现的。
首先是词法解析器，完成字符流到token流的转换。采用LL(1)实现，所以使用1个向前看字符预测匹配的token。对于像INT、ID这样由多个字符组成的词法规则，解析器有一个与之对应的方法。由于语法解析器并不关心空白字符，所以词法解析器在遇到空白字符时直接忽略掉。每个token都有两个属性类型和值，比如整型、标识符类型等，对于整型类型它的值就是该整数。语法解析器需要根据token的类型进行预测，所以词法解析必须返回类型信息。语法解析器以iterator的方式获取token，所以词法解析器实现了next_token方法，以元组方式(type, value)返回下一个token，在没有token的情况时返回EOF。
 

''''' 
A simple lexer of a small vector language. 
 
statlist: stat+ 
stat: ID '=' expr 
  | 'print' expr (, expr)* 
expr: multipart ('+' multipart)* 
  | STR 
multipart: primary ('*' primary)* 
primary: INT 
  | ID 
  | '[' expr (',', expr)* ']' 
INT: (1..9)(0..9)* 
ID: (a..z | A..Z)* 
STR: (\".*\") | (\'.*\') 
 
Created on 2012-9-26 
 
@author: bjzllou 
''' 
 
EOF = -1 
 
# token type 
COMMA = 'COMMA' 
EQUAL = 'EQUAL' 
LBRACK = 'LBRACK' 
RBRACK = 'RBRACK' 
TIMES = 'TIMES' 
ADD = 'ADD' 
PRINT = 'print' 
ID = 'ID' 
INT = 'INT' 
STR = 'STR' 
 
class Veclexer: 
  ''''' 
  LL(1) lexer. 
  It uses only one lookahead char to determine which is next token. 
  For each non-terminal token, it has a rule to handle it. 
  LL(1) is a quit weak parser, it isn't appropriate for the grammar which is 
  left-recursive or ambiguity. For example, the rule 'T: T r' is left recursive. 
  However, it's rather simple and has high performance, and fits simple grammar. 
  ''' 
   
  def __init__(self, input): 
    self.input = input 
     
    # current index of the input stream. 
    self.idx = 1 
     
    # lookahead char. 
    self.cur_c = input[0] 
     
  def next_token(self): 
    while self.cur_c != EOF: 
      c = self.cur_c 
       
      if c.isspace(): 
        self.consume() 
      elif c == '[': 
        self.consume() 
        return (LBRACK, c) 
      elif c == ']': 
        self.consume() 
        return (RBRACK, c) 
      elif c == ',': 
        self.consume() 
        return (COMMA, c) 
      elif c == '=': 
        self.consume() 
        return (EQUAL, c) 
      elif c == '*': 
        self.consume() 
        return (TIMES, c) 
      elif c == '+': 
        self.consume() 
        return (ADD, c) 
      elif c == '\'' or c == '"': 
        return self._string() 
      elif c.isdigit(): 
        return self._int() 
      elif c.isalpha(): 
        t = self._print() 
        return t if t else self._id() 
      else: 
        raise Exception('not support token') 
     
    return (EOF, 'EOF') 
       
  def has_next(self): 
    return self.cur_c != EOF    
   
  def _id(self): 
    n = self.cur_c 
    self.consume() 
    while self.cur_c.isalpha(): 
      n += self.cur_c 
      self.consume() 
       
    return (ID, n) 
   
  def _int(self): 
    n = self.cur_c 
    self.consume() 
    while self.cur_c.isdigit(): 
      n += self.cur_c 
      self.consume() 
       
    return (INT, int(n)) 
   
  def _print(self): 
    n = self.input[self.idx - 1 : self.idx + 4] 
    if n == 'print': 
      self.idx += 4 
      self.cur_c = self.input[self.idx] 
       
      return (PRINT, n) 
     
    return None 
   
  def _string(self): 
    quotes_type = self.cur_c 
    self.consume() 
    s = '' 
    while self.cur_c != '\n' and self.cur_c != quotes_type: 
      s += self.cur_c 
      self.consume() 
    if self.cur_c != quotes_type: 
      raise Exception('string quotes is not matched. excepted %s' % quotes_type) 
     
    self.consume() 
     
    return (STR, s) 
       
  def consume(self): 
    if self.idx >= len(self.input): 
      self.cur_c = EOF 
      return 
    self.cur_c = self.input[self.idx] 
    self.idx += 1   
     
     
if __name__ == '__main__': 
  exp = ''''' 
    veca = [1, 2, 3] 
    print 'veca:', veca 
    print 'veca * 2:', veca * 2 
    print 'veca + 2:', veca + 2 
  ''' 
  lex = Veclexer(exp) 
  t = lex.next_token() 
   
  while t[0] != EOF: 
    print t 
    t = lex.next_token() 

运行这个程序，可以得到源代码：

veca = [1, 2, 3] 
print 'veca:', veca 
print 'veca * 2:', veca * 2 
print 'veca + 2:', veca + 2 

对应的token序列：

('ID', 'veca') 
('EQUAL', '=') 
('LBRACK', '[') 
('INT', 1) 
('COMMA', ',') 
('INT', 2) 
('COMMA', ',') 
('INT', 3) 
('RBRACK', ']') 
('print', 'print') 
('STR', 'veca:') 
('COMMA', ',') 
('ID', 'veca') 
('print', 'print') 
('STR', 'veca * 2:') 
('COMMA', ',') 
('ID', 'veca') 
('TIMES', '*') 
('INT', 2) 
('print', 'print') 
('STR', 'veca + 2:') 
('COMMA', ',') 
('ID', 'veca') 
('ADD', '+') 
('INT', 2) 

接下来看一下语法解析器的实现。语法解析器的的输入是token流，根据一个向前看词法单元预测匹配的规则。对于每个遇到的非终结符调用对应的解析函数，而终结符（token）则match掉，如果不匹配则表示有语法错误。由于都是使用的LL(1)，所以和词法解析器类似， 这里不再赘述。

''''' 
A simple parser of a small vector language. 
 
statlist: stat+ 
stat: ID '=' expr 
  | 'print' expr (, expr)* 
expr: multipart ('+' multipart)* 
  | STR 
multipart: primary ('*' primary)* 
primary: INT 
  | ID 
  | '[' expr (',', expr)* ']' 
INT: (1..9)(0..9)* 
ID: (a..z | A..Z)* 
STR: (\".*\") | (\'.*\') 
 
example: 
veca = [1, 2, 3] 
vecb = veca + 4  # vecb: [1, 2, 3, 4] 
vecc = veca * 3  # vecc: 
 
Created on 2012-9-26 
 
@author: bjzllou 
''' 
import veclexer 
 
class Vecparser: 
  ''''' 
  LL(1) parser. 
  ''' 
   
  def __init__(self, lexer): 
    self.lexer = lexer 
     
    # lookahead token. Based on the lookahead token to choose the parse option. 
    self.cur_token = lexer.next_token() 
     
    # similar to symbol table, here it's only used to store variables' value 
    self.symtab = {} 
     
  def statlist(self): 
    while self.lexer.has_next(): 
      self.stat() 
   
  def stat(self): 
    token_type, token_val = self.cur_token 
     
    # Asignment 
    if token_type == veclexer.ID: 
      self.consume() 
       
      # For the terminal token, it only needs to match and consume. 
      # If it's not matched, it means that is a syntax error. 
      self.match(veclexer.EQUAL) 
       
      # Store the value to symbol table. 
      self.symtab[token_val] = self.expr() 
       
    # print statement 
    elif token_type == veclexer.PRINT: 
      self.consume() 
      v = str(self.expr()) 
      while self.cur_token[0] == veclexer.COMMA: 
        self.match(veclexer.COMMA) 
        v += ' ' + str(self.expr()) 
      print v 
    else: 
      raise Exception('not support token %s', token_type) 
     
  def expr(self): 
    token_type, token_val = self.cur_token 
    if token_type == veclexer.STR: 
      self.consume() 
      return token_val 
    else: 
      v = self.multipart() 
      while self.cur_token[0] == veclexer.ADD: 
        self.consume() 
        v1 = self.multipart() 
        if type(v1) == int: 
          v.append(v1) 
        elif type(v1) == list: 
          v = v + v1 
       
      return v      
   
  def multipart(self): 
    v = self.primary() 
    while self.cur_token[0] == veclexer.TIMES: 
      self.consume() 
      v1 = self.primary() 
      if type(v1) == int: 
        v = [x*v1 for x in v] 
      elif type(v1) == list: 
        v = [x*y for x in v for y in v1] 
         
    return v 
         
  def primary(self): 
    token_type = self.cur_token[0] 
    token_val = self.cur_token[1] 
     
    # int 
    if token_type == veclexer.INT: 
      self.consume() 
      return token_val 
     
    # variables reference 
    elif token_type == veclexer.ID: 
      self.consume() 
      if token_val in self.symtab: 
        return self.symtab[token_val] 
      else: 
        raise Exception('undefined variable %s' % token_val) 
     
    # parse list 
    elif token_type == veclexer.LBRACK: 
      self.match(veclexer.LBRACK) 
      v = [self.expr()] 
      while self.cur_token[0] == veclexer.COMMA: 
        self.match(veclexer.COMMA) 
        v.append(self.expr()) 
      self.match(veclexer.RBRACK) 
       
      return v 
     
   
  def consume(self): 
    self.cur_token = self.lexer.next_token() 
   
  def match(self, token_type): 
    if self.cur_token[0] == token_type: 
      self.consume() 
      return True 
    raise Exception('expecting %s; found %s' % (token_type, self.cur_token[0])) 
     
if __name__ == '__main__': 
  prog = ''''' 
    veca = [1, 2, 3] 
    vecb = [4, 5, 6] 
    print 'veca:', veca 
    print 'veca * 2:', veca * 2 
    print 'veca + 2:', veca + 2 
    print 'veca + vecb:', veca + vecb 
    print 'veca + [11, 12]:', veca + [11, 12] 
    print 'veca * vecb:', veca * vecb 
    print 'veca:', veca 
    print 'vecb:', vecb 
  ''' 
  lex = veclexer.Veclexer(prog) 
  parser = Vecparser(lex) 
  parser.statlist() 

运行代码便会得到之前介绍中的输出内容。这个解释器极其简陋，只实现了基本的表达式操作，所以不需要构建语法树。如果要为列表语言添加控制结构，就必须实现语法树，在语法树的基础上去解释执行。