Текст книги "Давайте создадим компилятор!"
Автор книги: Джек Креншоу
Жанр:
Программирование
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 24 страниц)
Булева логика
Следующий шаг также должен быть вам знаком. Мы должны добавить булевы выражения и операторы отношений. Снова, так как мы работали с ними не один раз, я не буду подробно разбирать их за исключением моментов, в которых они отличаются от того, что мы делали прежде. Снова, мы не будем просто копировать их из других файлов потому что я немного изменил некоторые вещи. Большинство изменений просто включают изоляцию машинозависимых частей как мы делали для арифметических операций. Я также несколько изменил процедуру NotFactor для соответствия структуре FirstFactor. Наконец я исправил ошибку в объектном коде для операторов отношений: в инструкции Scc я использовал только младшие 8 бит D0. Нам нужно установить логическую истину для всех 16 битов поэтому я добавил инструкцию для изменения младшего байта.
Для начала нам понадобятся несколько подпрограмм распознавания:
{–}
{ Recognize a Boolean Orop }
function IsOrop(c: char): boolean;
begin
IsOrop := c in ['|', '~'];
end;
{–}
{ Recognize a Relop }
function IsRelop(c: char): boolean;
begin
IsRelop := c in ['=', '#', '<', '>'];
end;
{–}
Также нам понадобятся несколько подпрограмм генерации кода:
{–}
{ Complement the Primary Register }
procedure NotIt;
begin
EmitLn('NOT D0');
end;
{–}
.
.
.
{–}
{ AND Top of Stack with Primary }
procedure PopAnd;
begin
EmitLn('AND (SP)+,D0');
end;
{–}
{ OR Top of Stack with Primary }
procedure PopOr;
begin
EmitLn('OR (SP)+,D0');
end;
{–}
{ XOR Top of Stack with Primary }
procedure PopXor;
begin
EmitLn('EOR (SP)+,D0');
end;
{–}
{ Compare Top of Stack with Primary }
procedure PopCompare;
begin
EmitLn('CMP (SP)+,D0');
end;
{–}
{ Set D0 If Compare was = }
procedure SetEqual;
begin
EmitLn('SEQ D0');
EmitLn('EXT D0');
end;
{–}
{ Set D0 If Compare was != }
procedure SetNEqual;
begin
EmitLn('SNE D0');
EmitLn('EXT D0');
end;
{–}
{ Set D0 If Compare was > }
procedure SetGreater;
begin
EmitLn('SLT D0');
EmitLn('EXT D0');
end;
{–}
{ Set D0 If Compare was < }
procedure SetLess;
begin
EmitLn('SGT D0');
EmitLn('EXT D0');
end;
{–}
Все это дает нам необходимые инструменты. БНФ для булевых выражений такая:
Зоркие читатели могли бы заметить, что этот синтаксис не включает нетерминал «bool-factor» используемый в ранних версиях. Тогда он был необходим потому, что я также разрешал булевы константы TRUE и FALSE. Но не забудьте, что в TINY нет никакого различия между булевыми и арифметическими типами... они могут свободно смешиваться. Так что нет нужды в этих предопределенных значениях... мы можем просто использовать -1 и 0 соответственно.
В терминологии C мы могли бы всегда использовать определения:
#define TRUE -1
#define FALSE 0
(Так было бы, если бы TINY имел препроцессор.) Позднее, когда мы разрешим объявление констант, эти два значения будут предопределены языком.
Причина того, что я заостряю на этом ваше внимание, в том что я пытался использовать альтернативный путь, который заключался в использовании TRUE и FALSE как ключевых слов. Проблема с этим подходом в том, что он требует лексического анализа каждого имени переменной в каждом выражении. Как вы помните, я указал в главе 7, что это значительно замедляет компилятор. Пока ключевые слова не могут быть в выражениях нам нужно выполнять сканирование только в начале каждого нового оператора... значительное улучшение. Так что использование вышеуказанного синтаксиса не только упрощает синтаксический анализ, но также ускоряет сканирование.
Итак, если мы удовлетворены синтаксисом, представленным выше, то соответствующий код показан ниже:
{–}
{ Recognize and Translate a Relational «Equals» }
procedure Equals;
begin
Match('=');
Expression;
PopCompare;
SetEqual;
end;
{–}
{ Recognize and Translate a Relational «Not Equals» }
procedure NotEquals;
begin
Match('#');
Expression;
PopCompare;
SetNEqual;
end;
{–}
{ Recognize and Translate a Relational «Less Than» }
procedure Less;
begin
Match('<');
Expression;
PopCompare;
SetLess;
end;
{–}
{ Recognize and Translate a Relational «Greater Than» }
procedure Greater;
begin
Match('>');
Expression;
PopCompare;
SetGreater;
end;
{–}
{ Parse and Translate a Relation }
procedure Relation;
begin
Expression;
if IsRelop(Look) then begin
Push;
case Look of
'=': Equals;
'#': NotEquals;
'<': Less;
'>': Greater;
end;
end;
end;
{–}
{ Parse and Translate a Boolean Factor with Leading NOT }
procedure NotFactor;
begin
if Look = '!' then begin
Match('!');
Relation;
NotIt;
end
else
Relation;
end;
{–}
{ Parse and Translate a Boolean Term }
procedure BoolTerm;
begin
NotFactor;
while Look = '&' do begin
Push;
Match('&');
NotFactor;
PopAnd;
end;
end;
{–}
{ Recognize and Translate a Boolean OR }
procedure BoolOr;
begin
Match('|');
BoolTerm;
PopOr;
end;
{–}
{ Recognize and Translate an Exclusive Or }
procedure BoolXor;
begin
Match('~');
BoolTerm;
PopXor;
end;
{–}
{ Parse and Translate a Boolean Expression }
procedure BoolExpression;
begin
BoolTerm;
while IsOrOp(Look) do begin
Push;
case Look of
'|': BoolOr;
'~': BoolXor;
end;
end;
end;
{–}
Чтобы связать все это вместе не забудьте изменить обращение к Expression в процедурах Factor и Assignment на вызов BoolExpression.
Хорошо, если вы набрали все это, откомпилируйте и погоняйте эту версию. Сначала удостоверьтесь, что вы все еще можете анализировать обычные арифметические выражения. Затем попробуйте булевские. Наконец удостоверьтесь, что вы можете присваивать результат сравнения. Попробуйте к примеру:
pvx,y,zbx=z>ye.
что означает
PROGRAM
VAR X,Y,Z
BEGIN
X = Z > Y
END.
Видите как происходит присваивание булевского значения X?
Управляющие структуры
Мы почти дома. Имея булевы выражения легко добавить управляющие структуры. Для TINY мы разрешим только две из них, IF и WHILE:
Еще раз позвольте мне разъяснить решения, подразумевающиеся в этом синтаксисе, который сильно отличается от синтаксиса C или Pascal. В обоих этих языках «тело» IF или WHILE расценивается как одиночный оператор. Если вы предполагаете использовать блок из более чем одного оператора вы должны создать составной утверждение использую BEGIN-END (в Pascal) или '{}' (в C). В TINY (и KISS) нет таких вещей как составное утверждение... одиночное или множественное, они являются в этом языке просто блоками.
В KISS все управляющие структуры имеют явные и уникальные ключевые слова, выделяющие операторный блок поэтому не может быть никакой путаницы где он начинается и заканчивается. Это современный подход, используемый в таких уважаемых языках, как Ada и Modula-2 и он полностью устраняет проблему «висячих else».
Обратите внимание, что я мог бы использовать то же самое ключевое слово END для завершения всех конструкций, как это сделано в Pascal. (Закрывающая '}' в C служит той же самой цели.) Но это всегда вело к неразберихе, вот почему программисты на Pascal предпочитают писать так:
end { loop }
или end { if }
Как я объяснил в пятой части, использование уникальных терминальных ключевых слов увеличивает размер списка ключевых слов и, следовательно, замедляет лексический анализ, но в данном случае это кажется небольшой ценой за дополнительную подстраховку. Лучше обнаруживать ошибки во время компиляции, чем во время выполнения.
Одна последняя мысль: каждая из двух конструкций выше имеют нетерминалы
расположенные рядом без разделяющих ключевых слов. В Паскале мы ожидали бы в этом месте ключевые слова THEN и DO.
Я не вижу проблем в том, чтобы опустить эти ключевые слова, и синтаксический анализатор также не будет иметь проблем, при условии, что мы не сделаем ошибок в bool-expression. С другой стороны, если мы включим эти дополнительные ключевые слова мы получили бы еще один уровень подстраховки за малые деньги, и с этим у меня также нет проблем. Примите правильное решение каким путем пойти.
ОК, после этого небольшого объяснения давайте продолжим. Как обычно нам понадобятся несколько новых подпрограмм генерации кода. Они генерируют код для условных и безусловных переходов:
{–}
{ Branch Unconditional }
procedure Branch(L: string);
begin
EmitLn('BRA ' + L);
end;
{–}
{ Branch False }
procedure BranchFalse(L: string);
begin
EmitLn('TST D0');
EmitLn('BEQ ' + L);
end;
{–}
Исключая изоляцию подпрограмм генератора кода, код для анализа управляющих конструкций такой же, как вы видели прежде:
{–}
{ Recognize and Translate an IF Construct }
procedure Block; Forward;
procedure DoIf;
var L1, L2: string;
begin
Match('i');
BoolExpression;
L1 := NewLabel;
L2 := L1;
BranchFalse(L1);
Block;
if Look = 'l' then begin
Match('l');
L2 := NewLabel;
Branch(L2);
PostLabel(L1);
Block;
end;
PostLabel(L2);
Match('e');
end;
{–}
{ Parse and Translate a WHILE Statement }
procedure DoWhile;
var L1, L2: string;
begin
Match('w');
L1 := NewLabel;
L2 := NewLabel;
PostLabel(L1);
BoolExpression;
BranchFalse(L2);
Block;
Match('e');
Branch(L1);
PostLabel(L2);
end;
{–}
Чтобы связать все это вместе нам нужно только изменить процедуру Block чтобы распознавать ключевые слова IF и WHILE. Как обычно мы расширим определение блока так:
где
Соответствующий код:
{–}
{ Parse and Translate a Block of Statements }
procedure Block;
begin
while not(Look in ['e', 'l']) do begin
case Look of
'i': DoIf;
'w': DoWhile;
else Assignment;
end;
end;
end;
{–}
Добавьте подпрограммы, которые я дал, откомпилируйте и протестируйте их. У вас должна быть возможность анализировать односимвольные версии любых управляющих конструкции. Выглядит довольно хорошо!
Фактически, за исключением односимвольного ограничения, мы получили практически полную версию TINY. Я назову его TINY Version 0.1.
Лексический анализ
Конечно, вы знаете, что будет дальше: Мы должны преобразовать программу так, чтобы она могла работать с многосимвольными ключевыми словами, переводами строк и пробелами. Мы только что прошли все это в седьмой главе. Мы будем использовать метод распределенного сканера, который я показал вам в этой главе. Фактическая реализация немного отличается, потому что различается способ, которым я обрабатываю переводы строк.
Для начала, давайте просто разрешим пробелы. Для этого необходимо только добавить вызовы SkipWhite в конец трех подпрограмм GetName, GetNum и Match. Вызов SkipWhite в Init запускает помпу в случае если есть ведущие пробелы.
Затем мы должны обрабатывать переводы строк. Это в действительности двухшаговый процесс так как обработка переносов с односимвольными токенами отличается от таковой для многосимвольных токенов. Мы можем устранить часть работы сделав оба шага одновременно, но я чувствую себя спокойней, работая последовательно.
Вставьте новую процедуру:
{–}
{ Skip Over an End-of-Line }
procedure NewLine;
begin
while Look = CR do begin
GetChar;
if Look = LF then GetChar;
SkipWhite;
end;
end;
{–}
Заметьте, что мы видели эту процедуру раньше в виде процедуры Fin. Я изменил имя, так как новое кажется более соответствующим фактическому назначению. Я также изменил код чтобы учесть множественные переносы и строки только с пробелами.
Следующим шагом будет вставка вызовов NewLine везде, где мы посчитаем перенос допустимым. Как я подчеркивал ранее, этот момент может очень различаться для разных языков. В TINY я решил разрешить их практически в любом месте. Это означает, что нам нужно вызывать NewLine в начале (не в конце как с SkipWhite) процедур GetName, GetNum и Match.
Для процедур, которые имеют циклы While, таких как TopDecl, нам нужен вызов NewLine в начале процедуры и в конце каждого цикла. Таким способом мы можем быть уверены, что NewLine вызывается в начале каждого прохода через цикл.
Если вы все это сделали, испытайте программу и проверьте, что она действительно обрабатывает пробелы и переносы.
Если это так, тогда мы готовы работать с многосимвольными токенами и ключевыми словами. Для начала, добавьте дополнительные объявления (скопированные почти дословно из главы 7):
{–}
{ Type Declarations }
type Symbol = string[8];
SymTab = array[1..1000] of Symbol;
TabPtr = ^SymTab;
{–}
{ Variable Declarations }
var Look : char; { Lookahead Character }
Token: char; { Encoded Token }
Value: string[16]; { Unencoded Token }
ST: Array['A'..'Z'] of char;
{–}
{ Definition of Keywords and Token Types }
const NKW = 9;
NKW1 = 10;
const KWlist: array[1..NKW] of Symbol =
('IF', 'ELSE', 'ENDIF', 'WHILE', 'ENDWHILE',
'VAR', 'BEGIN', 'END', 'PROGRAM');
const KWcode: string[NKW1] = 'xilewevbep';
{–}
Затем добавьте три процедуры, также из седьмой главы:
{–}
{ Table Lookup }
function Lookup(T: TabPtr; s: string; n: integer): integer;
var i: integer;
found: Boolean;
begin
found := false;
i := n;
while (i > 0) and not found do
if s = T^[i] then
found := true
else
dec(i);
Lookup := i;
end;
{–}
.
.
{–}
{ Get an Identifier and Scan it for Keywords }
procedure Scan;
begin
GetName;
Token := KWcode[Lookup(Addr(KWlist), Value, NKW) + 1];
end;
{–}
.
.
{–}
{ Match a Specific Input String }
procedure MatchString(x: string);
begin
if Value <> x then Expected('''' + x + '''');
end;
{–}
Теперь мы должны сделать довольно много тонких изменений в оставшихся процедурах. Сначала мы должны изменить функцию GetName на процедуру, снова как в главе 7:
{–}
{ Get an Identifier }
procedure GetName;
begin
NewLine;
if not IsAlpha(Look) then Expected('Name');
Value := '';
while IsAlNum(Look) do begin
Value := Value + UpCase(Look);
GetChar;
end;
SkipWhite;
end;
{–}
Обратите внимание, что эта процедура оставляет свой результат в глобальной строковой переменной Value.
Затем, мы должны изменить каждую обращение к GetName чтобы отразить ее новую форму. Они происходят в Factor, Assignment и Decl:
{–}
{ Parse and Translate a Math Factor }
procedure BoolExpression; Forward;
procedure Factor;
begin
if Look = '(' then begin
Match('(');
BoolExpression;
Match(')');
end
else if IsAlpha(Look) then begin
GetName;
LoadVar(Value[1]);
end
else
LoadConst(GetNum);
end;
{–}
.
.
{–}
{ Parse and Translate an Assignment Statement }
procedure Assignment;
var Name: char;
begin
Name := Value[1];
Match('=');
BoolExpression;
Store(Name);
end;
{–}
.
.
{–}
{ Parse and Translate a Data Declaration }
procedure Decl;
begin
GetName;
Alloc(Value[1]);
while Look = ',' do begin
Match(',');
GetName;
Alloc(Value[1]);
end;
end;
{–}
(Заметьте, что мы все еще разрешаем только односимвольные имена переменных поэтому мы используем здесь простое решение и просто используем первый символ строки.)
Наконец, мы должны внести изменения, позволяющие использовать Token вместо Look как символа для проверки и вызывать Scan в подходящих местах. По большей части это включает удаление вызовов Match, редкие замены вызовов Match на вызовы MatchString, и замену вызовов NewLine на вызовы Scan. Вот затронутые подпрограммы:
{–}
{ Recognize and Translate an IF Construct }
procedure Block; Forward;
procedure DoIf;
var L1, L2: string;
begin
BoolExpression;
L1 := NewLabel;
L2 := L1;
BranchFalse(L1);
Block;
if Token = 'l' then begin
L2 := NewLabel;
Branch(L2);
PostLabel(L1);
Block;
end;
PostLabel(L2);
MatchString('ENDIF');
end;
{–}
{ Parse and Translate a WHILE Statement }
procedure DoWhile;
var L1, L2: string;
begin
L1 := NewLabel;
L2 := NewLabel;
PostLabel(L1);
BoolExpression;
BranchFalse(L2);
Block;
MatchString('ENDWHILE');
Branch(L1);
PostLabel(L2);
end;
{–}
{ Parse and Translate a Block of Statements }
procedure Block;
begin
Scan;
while not(Token in ['e', 'l']) do begin
case Token of
'i': DoIf;
'w': DoWhile;
else Assignment;
end;
Scan;
end;
end;
{–}
{ Parse and Translate Global Declarations }
procedure TopDecls;
begin
Scan;
while Token <> 'b' do begin
case Token of
'v': Decl;
else Abort('Unrecognized Keyword ' + Value);
end;
Scan;
end;
end;
{–}
{ Parse and Translate a Main Program }
procedure Main;
begin
MatchString('BEGIN');
Prolog;
Block;
MatchString('END');
Epilog;
end;
{–}
{ Parse and Translate a Program }
procedure Prog;
begin
MatchString('PROGRAM');
Header;
TopDecls;
Main;
Match('.');
end;
{–}
{ Initialize }
procedure Init;
var i: char;
begin
for i := 'A' to 'Z' do
ST[i] := ' ';
GetChar;
Scan;
end;
{–}
Это должно работать. Если все изменения сделаны правильно, вы должны теперь анализировать программы, которые выглядят как программы. (Если вы не сделали всех изменений, не отчаивайтесь. Полный листинг конечной формы дан ниже.)
Работает? Если да, то мы почти дома. Фактически, с несколькими небольшими исключениями, мы уже получили компилятор, пригодный для использования. Имеются еще несколько областей, требующих усовершенствования.
Многосимвольные имена переменных
Одна из них – ограничение, требующее использования односимвольных имен переменных. Теперь, когда мы можем обрабатывать многосимвольные ключевые слова, это ограничение начинает казаться произвольным и ненужным. И действительно это так. В основном, единственное его достоинство в том, что он позволяет получить тривиально простую реализацию таблицы идентификаторов. Но это просто удобство для создателей компиляторов и оно должно быть уничтожено.
Мы уже делали этот шаг прежде. На этот раз, как обычно, я сделаю это немного по-другому. Я думаю подход, примененный здесь, сохранит простоту настолько, насколько это возможно.
Естественным путем реализации таблицы идентификаторов на Pascal является объявление переменной типа запись и создание таблицы идентификаторов как массива таких записей. Здесь, однако, нам в действительности пока не нужно поле типа (существует пока что только один разрешенный тип), так что нам нужен только массив символов. Это имеет свое преимущество, потому что мы можем использовать существующую процедуру Lookup для поиска в таблице идентификаторов также как и в списке ключевых слов. Оказывается, даже когда нам нужны больше полей, мы все равно можем использовать тот же самый подход, просто сохраняя другие поля в отдельных массивах.
Вот изменения, которые необходимо сделать. Сперва добавьте новую типизированную константу:
NEntry: integer = 0;
Затем измените определение таблицы идентификаторов как показано ниже:
const MaxEntry = 100;
var ST : array[1..MaxEntry] of Symbol;
(Обратите внимание, что ST не объявлен как SymTab. Это объявление липовое, чтобы заставить Lookup работать. SymTab заняля бы слишком много памяти и поэтому фактически никогда не обьявляется).
Затем мы должны заменить InTable.
{–}
{ Look for Symbol in Table }
function InTable(n: Symbol): Boolean;
begin
InTable := Lookup(@ST, n, MaxEntry) <> 0;
end;
{–}
Нам также необходима новая процедура AddEntry, которая добавляет новый элемент в таблицу:
{–}
{ Add a New Entry to Symbol Table }
procedure AddEntry(N: Symbol; T: char);
begin
if InTable(N) then Abort('Duplicate Identifier ' + N);
if NEntry = MaxEntry then Abort('Symbol Table Full');
Inc(NEntry);
ST[NEntry] := N;
SType[NEntry] := T;
end;
{–}
Эта процедура вызывается из Alloc:
{–}
{ Allocate Storage for a Variable }
procedure Alloc(N: Symbol);
begin
if InTable(N) then Abort('Duplicate Variable Name ' + N);
AddEntry(N, 'v');
.
.
.
{–}
Наконец, мы должны изменить все подпрограммы, которые в настоящее время обрабатывают имена переменных как одиночный символ. Они включают LoadVar и Store (просто измените тип с char на string) и Factor, Assignment и Decl (просто измените Value[1] на Value).
Последняя вещь: измените процедуру Init для очистки массива как показано ниже:
{–}
{ Initialize }
procedure Init;
var i: integer;
begin
for i := 1 to MaxEntry do begin
ST[i] := '';
SType[i] := ' ';
end;
GetChar;
Scan;
end;
{–}
Это должно работать. Испытайте ее и проверьте, что вы действительно можете использовать многосимвольные имена переменных.
Снова операторы отношений
У нас осталось последнее односимвольное ограничение – ограничение операторов отношений. Некоторые из операторов отношений действительно состоят из одиночных символов, но другие требуют двух. Это '<=' и '>='. Я также предпочитаю Паскалевское '<>' для «не равно» вместо '#'.
Как вы помните, в главе 7 я указал, что стандартный способ работы с операторами отношений – включить их в список ключевых слов и позволить лексическому анализатору отыскивать их. Но, опять, это требует выполнение полного анализа выражения, тогда как до этого мы у нас была возможность ограничить использование сканера началом утверждения.
Я упомянул тогда, что мы все же можем избежать неприятностей с этим, так как многосимвольных операторов отношений немного и они ограничены в применении. Было бы легко обрабатывать их просто как специальные случаи и поддерживать их специальным способом.
Требуемые изменения влияют только на подпрограммы генерации кода и процедуры Relation и ее друзей. Сперва, нам понадобятся еще две подпрограммы генерации кода:
{–}
{ Set D0 If Compare was <= }
procedure SetLessOrEqual;
begin
EmitLn('SGE D0');
EmitLn('EXT D0');
end;
{–}
{ Set D0 If Compare was >= }
procedure SetGreaterOrEqual;
begin
EmitLn('SLE D0');
EmitLn('EXT D0');
end;
{–}
Затем измените подпрограммы анализа отношений как показано ниже:
{–}
{ Recognize and Translate a Relational «Less Than or Equal» }
procedure LessOrEqual;
begin
Match('=');
Expression;
PopCompare;
SetLessOrEqual;
end;
{–}
{ Recognize and Translate a Relational «Not Equals» }
procedure NotEqual;
begin
Match('>');
Expression;
PopCompare;
SetNEqual;
end;
{–}
{ Recognize and Translate a Relational «Less Than» }
procedure Less;
begin
Match('<');
case Look of
'=': LessOrEqual;
'>': NotEqual;
else begin
Expression;
PopCompare;
SetLess;
end;
end;
end;
{–}
{ Recognize and Translate a Relational «Greater Than» }
procedure Greater;
begin
Match('>');
if Look = '=' then begin
Match('=');
Expression;
PopCompare;
SetGreaterOrEqual;
end
else begin
Expression;
PopCompare;
SetGreater;
end;
end;
{–}
Это все, что требуется. Теперь вы можете обрабатывать все операторы отношений. Попробуйте.
