C# 词法分析器（六）构造词法分析器

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现在最核心的 DFA 已经成功构造出来了，最后一步就是根据 DFA 得到完整的词法分析器。

由于目前还不能像 Flex 那样支持词法定义文件，所以仍然需要在程序中定义规则，而且也不能非常灵活的自定义词法分析器，不过基本的东西完全够用了。

一、词法规则的定义

词法分析器用到的所有规则都在 Grammar<T> 类中定义，这里的泛型参数 T 表示词法分析器的标识符的类型（必须是一个枚举类型）。定义规则方法包括：定义上下文的 DefineContext 方法、定义正则表达式的 DefineRegex 方法和定义终结符的 DefineSymbol 方法。

调用 DefineContext 方法定义的词法分析器上下文，会使用 LexerContext 类的实例表示，它的基本定义如下所示：

 
          // 当前上下文的索引。 
         
          int  
          Index; 
         
          // 当前上下文的标签。 
         
          string  
          Label; 
         
          // 当前上下文的类型。 
         
          LexerContextType ContextType;

在词法分析器中，仅可以通过标签来切换上下文，因此 LexerContext 类本身被设置为 internal。

上下文的类型就是包含型或者排除型，等价于 Flex 中的 %s 和 %x 定义（可参见 Flex 的 Start Conditions）。这里简单的解释下，在进行词法分析时，如果当前上下文是排除型的，那么仅在当前上下文中定义的规则会被激活，其它的（非当前上下文中定义的）规则都会失效。如果当前上下文是包含型的，那么没有指定任何上下文的规则也会被激活。

默认上下文标签为 "Initial"。

Grammar<T> 中定义正则表达式的 DefineRegex 方法，就等价于 Flex 中的定义段（Definitions Section），可以定义一些常见的正则表达式以简化规则的定义，例如可以定义

 
          grammar.DefineRegex( 
          "digit" 
          ,  
          "[0-9]" 
          );

在正则表达式的定义中，就可以直接使用 "{digit}" 来引用预先定义的正则表达式。

最后是定义终结符的 DefineSymbol 方法，就对应于 Flex 中的规则段（Rules Section），可以定义终结符的正则表达式和相应的动作。

终结符的动作使用 Action<ReaderController<T>> 来表示，由 ReaderController<T> 类来提供 Accept，Reject，More 等方法。

其中，Accept 方法会接受当前词法单元，并返回 Token 对象。Reject 方法会拒绝当前匹配，转而寻找次优的规则，这个操作会使词法分析器的所有匹配变慢，需要谨慎使用。More 方法通知词法分析器，下次匹配成功时，不替换当前的文本，而是把新的匹配追加在后面。

Accept 方法和 Reject 方法是相互冲突的，每次匹配成功只能调用其中的一个。如果两个都未调用，那么词法分析器会认为当前匹配是成功的，但不会返回 Token，而是继续匹配下一个词法单元。

二、词法分析器的实现

2.1 基本的词法分析器

由于多个规则间是可能产生冲突的，例如字符串可以与多个正则表达式匹配，因此在说明词法分析器之前，首先需要定义一个解决冲突的规则。这里采用与 Flex 相同的规则：

总是选择最长的匹配。
如果最长的匹配与多个正则表达式匹配，总是选择先被定义的正则表达式。

基本的词法分析器非常简单，它只能实现最基础的词法分析器功能，不能支持向前看符号和 Reject 动作，但是大部分情况下，这就足够了。

这样的词法分析器几乎相当于一个 DFA 执行器，只要不断从输入流中读取字符送入 DFA 引擎，并记录下来最后一次出现的接受状态就可以了。当 DFA 引擎到达了死状态，找到的词素就是最后一次出现的接受状态对应的符号（这样就能保证找到的词素是最长的），对应多个符号的时候只取第一个（之前已经将符号索引从小到大进行了排序，因此第一个符号就是最先定义的符号）。

简单的算法如下：

输入：DFA  $D$

实现该算法的代码可见 SimpleReader<T> 类，核心代码如下：

2.2 支持定长的向前看符号的词法分析器

接下来，将上面的基本的词法分析器进行扩展，让它支持定长的向前看符号。

向前看符号的规则形式为 $r = s / t$

例如正则表达式 abcd 或者 [a-z]{2}，它们可以匹配的字符串长度是固定的，分别为 4 和 2；而正则表达式 [0-9]+ 可以匹配的字符串长度就是不固定的，只要是大于等于一都是可能的。

区分定长和变长的向前看符号，是因为定长的向前看符号匹配起来更容易。例如正则表达式 a\*/bcd，识别出该模式后，直接回退三个字符，就找到了 a* 的结束位置。

对于规则 abc/d*，识别出该模式后，直接回退到只剩下三个字符，就找到了 abc 的结束位置。

我将向前看符号可以匹配的字符串长度预先计算出来，存储在 int?[] Trailing 数组中，其中 null 表示不是向前看符号，正数表示前面（ $s$

所以，只需要在正常的匹配之后，判断 Trailing 的值。如果为 null，不是向前看符号，不用做任何操作；如果是正数 n，则把当前匹配的字符串的前 n 位取出来作为实际匹配的字符串；如果是负数 -n，则把后 n 位取出来作为实际匹配的字符串。实现的代码可见 FixedTrailingReader<T> 类。

2.3 支持变长的向前看符号的词法分析器

对于变长的向前看符号，处理起来则要更复杂些。因为不能确定向前看的头是在哪里（并没有一个确定的长度），所以必须使用堆栈保存所有遇到的接受状态，并沿着堆栈向下找，直到找到包含 int.MaxValue - symbolIndex 的状态（我就是这么区分向前看的头状态的，可参见上一篇《C# 词法分析器（五）转换 DFA》的 2.4 节 DFA 状态的符号索引）。

需要注意的是，变长的向前看符号是有限制的，例如正则表达式 ab\*/bcd\*，这时无法准确的找到 ab\* 的结束位置，而是会找到最后一个 b 的位置，导致最终匹配的词素不是想要的那个。出现这种情况的原因是使用 DFA 进行字符串匹配的限制，只要是前一部分的结尾与后一部分的开头匹配，就会出现这种问题，所以要尽量避免定义这样的正则表达式。

实现的代码可见 RejectableTrailingReader<T> 类，沿着状态堆栈寻找目标向前看的头状态的代码如下：

在沿着堆栈寻找向前看头状态的时候，不必担心找不到这样的状态，DFA 执行时，向前看的头状态一定会在向前看状态之前出现。

2.4 支持 Reject 动过的词法分析器

Reject 动作会指示词法分析器跳过当前匹配规则，而去寻找同样匹配输入（或者是输入的前缀）的次优规则。

比如下面的例子：

 
          g.DefineSymbol( 
          "a" 
          , c => { Console.WriteLine(c.Text); c.Reject(); }); 
         
          g.DefineSymbol( 
          "ab" 
          , c => { Console.WriteLine(c.Text); c.Reject(); }); 
         
          g.DefineSymbol( 
          "abc" 
          , c => { Console.WriteLine(c.Text); c.Reject(); }); 
         
          g.DefineSymbol( 
          "abcd" 
          , c => { Console.WriteLine(c.Text); c.Reject(); }); 
         
          g.DefineSymbol( 
          "bcd" 
          , c => { Console.WriteLine(c.Text); }); 
         
          g.DefineSymbol( 
          "." 
          , c => { });

对字符串 "abcd" 进行匹配，最后输出的结果是：

abcd
abc
ab
a
bcd

具体的匹配过程如下所示：

第一次匹配了第 4 个规则 "abcd"，然后输出字符串 "abcd"，并 Reject。

所以词法分析器会尝试次优规则，即第 3 个规则 "abc"，然后输出字符串 "abc"，并 Reject。

接下来继续尝试次优规则，即第 2 个规则 "ab"，然后输出字符串 "ab"，并 Reject。

继续尝试次优规则，即第 1 个规则 "a"，然后输出字符串 "a"，并 Reject。

然后，继续尝试次优规则，即第 6 个规则 "."，此时字符串 "a" 被成功匹配。

最后，剩下的字符串 "bcd" 恰好与规则 5 匹配，所以直接输出 "bcd"。

在实现上，为了做到这一点，同样需要使用堆栈来保存所有遇到的接受状态，如果当前匹配被 Reject，就沿着堆栈找到次优的匹配。实现的代码可见 RejectableReader<T> 类。

上面这四个小节，说明了词法分析器的基本结构，和一些功能的实现。实现了所有功能的词法分析器实现可见 RejectableTrailingReader<T> 类。

三、一些词法分析的例子

接下来，我会给出一些词法分析器的实际用法，可以作为参考。

3.1 计算器

我首先给出一个计算器词法分析程序的完整代码，之后的示例就只包含规则的定义了。

3.2 字符串

下面的例子可以匹配任意的字符串，包括普通字符串和逐字字符串（@"" 这样的字符串）。由于代码中的字符串用的都是逐字字符串，所以双引号比较多，一定要数清楚个数。

 
          g.DefineRegex( 
          "regular_string_character" 
          ,  
          @"[^""\\\n\r\u0085\u2028\u2029]|(\\.)" 
          ); 
         
          g.DefineRegex( 
          "regular_string_literal" 
          ,  
          @"\""{regular_string_character}*\""" 
          ); 
         
          g.DefineRegex( 
          "verbatim_string_characters" 
          ,  
          @"[^""]|\""\""" 
          ); 
         
          g.DefineRegex( 
          "verbatim_string_literal" 
          ,  
          @"@\""{verbatim_string_characters}*\""" 
          ); 
         
          g.DefineSymbol( 
          "{regular_string_literal}|{verbatim_string_literal}" 
          ); 
         
          string  
          text =  
          @"""abcd\n\r""""aabb\""ccd\u0045\x47""@""abcd\n\r""@""aabb\""""ccd\u0045\x47""" 
          ; 
         
          // 输出为： 
         
          Token #0  
          "abcd\n\r" 
         
          Token #0  
          "aabb\"ccd\u0045\x47" 
         
          Token #0  
          @"abcd\n\r" 
         
          Token #0  
          @"aabb\""ccd\u0045\x47"

3.3 转义的字符串

下面的例子利用了上下文，不但可以匹配任意的字符串，同时还可以对字符串进行转义。

 
          g.DefineContext( 
          "str" 
          ); 
         
          g.DefineContext( 
          "vstr" 
          ); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"\""" 
          , c => { c.PushContext("str"); textBuilder.Clear(); }); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"@\""" 
          , c => { c.PushContext("vstr"); textBuilder.Clear(); }); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<str>\""" 
          , c => { c.PopContext(); c.Accept(0, textBuilder.ToString(),  
          null 
          ); }); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<str>\\u[0-9]{4}" 
          , c => 
         
          textBuilder.Append(( 
          char 
          ) 
          int 
          .Parse(c.Text.Substring(2), NumberStyles.HexNumber))); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<str>\\x[0-9]{2}" 
          , c => 
         
          textBuilder.Append(( 
          char 
          ) 
          int 
          .Parse(c.Text.Substring(2), NumberStyles.HexNumber))); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<str>\\n" 
          , c => textBuilder.Append( 
          '\n' 
          )); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<str>\\\""" 
          , c => textBuilder.Append( 
          '\"' 
          )); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<str>\\r" 
          , c => textBuilder.Append( 
          '\r' 
          )); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<str>." 
          , c => textBuilder.Append(c.Text)); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<vstr>\""" 
          , c => { c.PopContext(); c.Accept(0, textBuilder.ToString(),  
          null 
          ); }); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<vstr>\""\""" 
          , c => textBuilder.Append( 
          '"' 
          )); 
         
          g.DefineSymbol( 
          @"<vstr>." 
          , c => textBuilder.Append(c.Text)); 
         
          string  
          text =  
          @"""abcd\n\r""""aabb\""ccd\u0045\x47""@""abcd\n\r""@""aabb\""""ccd\u0045\x47""" 
          ; 
         
          // 输出为： 
         
          Token #0 abcd 
         
          Token #0 aabb"ccdEG 
         
          Token #0 abcd\n\r 
         
          Token #0 aabb\"ccd\u0045\x47

可以看到，这里的输出结果，恰好是 3.2 节的输出结果转义之后的结果。需要注意的是，这里利用 c.Accept() 方法修改了要返回的词法单元，而且由于涉及到多重转义，在设计规则的时候一定要注意双引号和反斜杠的个数。

现在，完整的词法分析器已经成功构造出来，本系列暂时就到这里了。相关代码都可以在这里找到，一些基础类（如输入缓冲）则在这里。

作者：CYJB
出处：http://www.cnblogs.com/cyjb/
GitHub：https://github.com/CYJB/

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