Текст книги "Давайте создадим компилятор!"

Автор книги: Джек Креншоу

Подробнее об обработке ошибок

Имеется еще одна важная проблема, которую стоит отметить: обработка ошибок. Обратите внимание, что хотя синтаксический анализатор правильно отбрасывает (почти) каждое некорректное выражение, которое мы ему подбросим, со значимым сообщением об ошибке, в действительности мы не слишком много поработали для того, чтобы это происходило. Фактически во всей программе (от Ident до Expression) есть только два вызова подпрограммы обработки ошибок Expected. Но даже они не являются необходимыми… если вы посмотрите снова на процедуры Term и Expression, то увидите, что эти утверждения не выполнятся никогда. Я поместил их сюда ранее для небольшой подстраховки, но сейчас они более не нужны. Почему бы не удалить их сейчас?

Но как мы получали такую хорошую обработку ошибок фактически бесплатно? Просто я тщательно старался избежать чтения символа непосредственно используя GetChar. Взамен я возложил на GetName, GetNum и Match выполнение всей обработки ошибок для меня. Проницательные читатели заметят, что некоторые вызовы Match (к примеру в Add и Subtract) также не нужны… мы уже знаем чем является символ к этому времени… но их присутствие сохраняет некоторую симметрию, и было бы хорошим правилом всегда использовать Match вместо GetChar.

Выше я упомянул «почти». Есть случай, когда наша обработка ошибок оставляет желать лучшего. Пока что мы не сказали нашему синтаксическому анализатору как выглядит конец строки или что делать с вложенными пробелами. Поэтому пробел (или любой другой символ, не являющийся частью признаваемого набора символов) просто вызывает завершение работы анализатора, игнорируя нераспознанные символы.

Можно рассудить, что в данном случае это приемлемое поведение. В «настоящем» компиляторе обычно присутствует еще одно утверждение, следующее после того, с которым мы работаем, так что любой символ, не обработанный как часть нашего выражения, будет или использоваться или отвергаться как часть следующего.

Но это также очень легко исправить, даже если это только временно. Все, что мы должны сделать – постановить, что выражение должно заканчиваться концом строки, то есть, возвратом каретки.

Чтобы понять о чем я говорю, испробуйте входную строку:

1+2 3+4

Видите, как пробел был обработан как признак завершения? Чтобы заставить компилятор правильно отмечать это, добавьте строку

if Look <> CR then Expected('Newline');

в основную программу, сразу после вызова Expression. Это отлавливает все левое во входном потоке. Не забудьте определить CR в разделе const:

CR = ^M;

Как обычно откомпилируйте программу и проверьте, что она делает то, что нужно.

Присваивание

Итак, к этому моменту мы имеем синтаксический анализатор, работающий очень хорошо. Я хотел бы подчеркнуть, что мы получили это, используя всего 88 строк выполнимого кода, не считая того, что было в Cradle. Откомпилированный объектный файл занял 4752 байта. Неплохо, учитывая то, что мы не слишком старались сохранять размеры как исходного так и объектного кода. Мы просто придерживались принципа KISS.

Конечно, анализ выражений не настолько хорош без возможности что-либо делать с его результатами. Выражения обычно (но не всегда) используются в операциях присваивания в форме:

=

Мы находимся на расстоянии вздоха от возможности анализировать операции присваивания, так что давайте сделаем этот последний шаг. Сразу после процедуры Expression добавьте следующую новую процедуру:

{–}

{ Parse and Translate an Assignment Statement }

procedure Assignment;

var Name: char;

begin

Name := GetName;

Match('=');

Expression;

EmitLn('LEA ' + Name + '(PC),A0');

EmitLn('MOVE D0,(A0)')

end;

{–}

Обратите внимание снова, что код полностью соответствует БНФ. И заметьте затем, что проверка ошибок была безболезненна и обработана GetName и Match.

Необходимость двух строк ассемблера возникает из-за особенности 68000, который требует такого вида конструкции для PC-относительного кода.

Теперь измените вызов Expression в основной программе на Assigment. Это все, что нужно.

Фактически мы компилируем операторы присваивания! Если бы это был единственный вид операторов в языке, все, что нам нужно было бы сделать – поместить его в цикл и мы имели бы полноценный компилятор!

Конечно, это не единственный вид. Есть также немного таких элементов, как управляющие структуры (ветвления и циклы), процедуры, объявления и т.д. Но не унывайте. Арифметические выражения, с которыми мы имели дело, относятся к самым вызывающим элементам языка. По сравнению с тем, что мы уже сделали, управляющие структуры будут выглядеть простыми. Я расскажу о них в пятой главе. И все другие операторы поместятся в одной строчке, пока мы не забываем принцип KISS.

Многосимвольные токены

В этой серии я тщательно ограничивал все, что мы делаем, односимвольными токенами, все время уверяя вас, что не составит проблемы расширить их до многосимвольных. Я не знаю, верили вы мне или нет… я действительно не обвинил бы вас, если бы вы были немного скептичны. Я буду продолжать использовать этот подход и в следующих главах, потому что это позволит избежать сложности. Но я хотел бы поддержать эту уверенность и показать вам, что это действительно легко сделать. В процессе этого мы также предусмотрим обработку вложенных пробелов. Прежде чем вы сделаете следующие несколько изменений, сохраните текущую версию синтаксического анализатора под другим именем. Я буду использовать ее в следующей главе и мы будем работать с односимвольной версией.

Большинство компиляторов выделяют обработку входного потока в отдельный модуль, называемый лексическим анализатором (сканером). Идея состоит в том, что сканер работает со всей последовательностью символов во входном потоке и возвращает отдельные единицы (лексемы) потока. Возможно придет время, когда мы также захотим сделать что-то вроде этого, но сейчас в этом нет необходимости. Мы можем обрабатывать многосимвольные токены, которые нам нужны, с помощью небольших локальных изменений в GetName и GetNum.

Обычно признаком идентификатора является то, что первый символ должен быть буквой, но остальная часть может быть алфавитно-цифровой (буквы и цифры). Для работы с ними нам нужна другая функция:

{–}

{ Recognize an Alphanumeric }

function IsAlNum(c: char): boolean;

begin

IsAlNum := IsAlpha(c) or IsDigit(c);

end;

{–}

Добавьте эту функцию в анализатор. Я поместил ее сразу после IsDigit. Вы можете также включить ее как постоянного члена в Cradle.

Теперь нам необходимо изменить функцию GetName так, чтобы она возвращала строку вместо символа:

{–}

{ Get an Identifier }

function GetName: string;

var Token: string;

begin

Token := '';

if not IsAlpha(Look) then Expected('Name');

while IsAlNum(Look) do begin

Token := Token + UpCase(Look);

GetChar;

end;

GetName := Token;

end;

{–}

Аналогично измените GetNum следующим образом:

{–}

{ Get a Number }

function GetNum: string;

var Value: string;

begin

Value := '';

if not IsDigit(Look) then Expected('Integer');

while IsDigit(Look) do begin

Value := Value + Look;

GetChar;

end;

GetNum := Value;

end;

{–}

Достаточно удивительно, что это фактически все необходимые изменения! Локальная переменная Name в процедурах Ident и Assignment были первоначально объявлены как «char» и теперь должны быть объявлены как string[8]. (Ясно, что мы могли бы сделать длину строки больше, если бы захотели, но большинство ассемблеров в любом случае ограничивают длину.) Внесите эти изменения и затем откомпилируйте и протестируйте. Сейчас вы верите, что это просто?

Пробелы

Прежде, чем мы оставим этот синтаксический анализатор на некоторое время, давайте обратимся к проблеме пробелов. На данный момент, синтаксический анализатор выразит недовольство (или просто завершит работу) на одиночном символе пробела, вставленном где-нибудь во входном потоке. Это довольно недружелюбное поведение. Так что давайте немного усовершенствуем анализатор, избавившись от этого последнего ограничения.

Ключом к облегчению обработки пробелов является введение простого правила для того, как синтаксический анализатор должен обрабатывать входной поток и использование этого правила везде. До настоящего времени, поскольку пробелы не были разрешены, у нас была возможность знать, что после каждого действия синтаксического анализатора предсказывающий символ Look содержит следующий значимый символ, поэтому мы могли немедленно выполнять его проверку. Наш проект был основан на этом принципе.

Это все еще звучит для меня как хорошее правило, поэтому мы будем его использовать. Это означает, что каждая подпрограмма, которая продвигает входной поток, должна пропустить пробелы и оставить следующий символ (не являющийся пробелом) в Look. К счастью, так как мы были осторожны и использовали GetName, GetNum, и Match для большей части обработки входного потока, только эти три процедуры (плюс Init) необходимо изменить.

Неудивительно, что мы начинаем с еще одной подпрограммы распознавания:

{–}

{ Recognize White Space }

function IsWhite(c: char): boolean;

begin

IsWhite := c in [' ', TAB];

end;

{–}

Нам также нужна процедура, «съедающая» символы пробела до тех пор, пока не найдет отличный от пробела символ:

{–}

{ Skip Over Leading White Space }

procedure SkipWhite;

begin

while IsWhite(Look) do

GetChar;

end;

{–}

Сейчас добавьте вызовы SkipWhite в Match, GetName и GetNum как показано ниже:

{–}

{ Match a Specific Input Character }

procedure Match(x: char);

begin

if Look <> x then Expected('''' + x + '''')

else begin

GetChar;

SkipWhite;

end;

end;

{–}

{ Get an Identifier }

function GetName: string;

var Token: string;

begin

Token := '';

if not IsAlpha(Look) then Expected('Name');

while IsAlNum(Look) do begin

Token := Token + UpCase(Look);

GetChar;

end;

GetName := Token;

SkipWhite;

end;

{–}

{ Get a Number }

function GetNum: string;

var Value: string;

begin

Value := '';

if not IsDigit(Look) then Expected('Integer');

while IsDigit(Look) do begin

Value := Value + Look;

GetChar;

end;

GetNum := Value;

SkipWhite;

end;

{–}

(Обратите внимание, как я немного реорганизовал Match без изменения функциональности.)

Наконец, мы должны пропустить начальные пробелы в том месте, где мы «запускаем помпу» в Init:

{–}

{ Initialize }

procedure Init;

begin

GetChar;

SkipWhite;

end;

{–}

Внесите эти изменения и повторно откомпилируйте программу. Вы обнаружите, что необходимо переместить Match ниже SkipWhite чтобы избежать сообщение об ошибке от компилятора Pascal. Протестируйте программу как всегда, чтобы удостовериться, что она работает правильно.

Поскольку мы сделали довольно много изменений в течение этого урока, ниже я воспроизвожу полный текст синтаксического анализатора:

{–}

program parse;

{–}

{ Constant Declarations }

const TAB = ^I;

CR = ^M;

{–}

{ Variable Declarations }

var Look: char; { Lookahead Character }

{–}

{ Read New Character From Input Stream }

procedure GetChar;

begin

Read(Look);

end;

{–}

{ Report an Error }

procedure Error(s: string);

begin

WriteLn;

WriteLn(^G, 'Error: ', s, '.');

end;

{–}

{ Report Error and Halt }

procedure Abort(s: string);

begin

Error(s);

Halt;

end;

{–}

{ Report What Was Expected }

procedure Expected(s: string);

begin

Abort(s + ' Expected');

end;

{–}

{ Recognize an Alpha Character }

function IsAlpha(c: char): boolean;

begin

IsAlpha := UpCase(c) in ['A'..'Z'];

end;

{–}

{ Recognize a Decimal Digit }

function IsDigit(c: char): boolean;

begin

IsDigit := c in ['0'..'9'];

end;

{–}

{ Recognize an Alphanumeric }

function IsAlNum(c: char): boolean;

begin

IsAlNum := IsAlpha(c) or IsDigit(c);

end;

{–}

{ Recognize an Addop }

function IsAddop(c: char): boolean;

begin

IsAddop := c in ['+', '-'];

end;

{–}

{ Recognize White Space }

function IsWhite(c: char): boolean;

begin

IsWhite := c in [' ', TAB];

end;

{–}

{ Skip Over Leading White Space }

procedure SkipWhite;

begin

while IsWhite(Look) do

GetChar;

end;

{–}

{ Match a Specific Input Character }

procedure Match(x: char);

begin

if Look <> x then Expected('''' + x + '''')

else begin

GetChar;

SkipWhite;

end;

end;

{–}

{ Get an Identifier }

function GetName: string;

var Token: string;

begin

Token := '';

if not IsAlpha(Look) then Expected('Name');

while IsAlNum(Look) do begin

Token := Token + UpCase(Look);

GetChar;

end;

GetName := Token;

SkipWhite;

end;

{–}

{ Get a Number }

function GetNum: string;

var Value: string;

begin

Value := '';

if not IsDigit(Look) then Expected('Integer');

while IsDigit(Look) do begin

Value := Value + Look;

GetChar;

end;

GetNum := Value;

SkipWhite;

end;

{–}

{ Output a String with Tab }

procedure Emit(s: string);

begin

Write(TAB, s);

end;

{–}

{ Output a String with Tab and CRLF }

procedure EmitLn(s: string);

begin

Emit(s);

WriteLn;

end;

{–}

{ Parse and Translate a Identifier }

procedure Ident;

var Name: string[8];

begin

Name:= GetName;

if Look = '(' then begin

Match('(');

Match(')');

EmitLn('BSR ' + Name);

end

else

EmitLn('MOVE ' + Name + '(PC),D0');

end;

{–}

{ Parse and Translate a Math Factor }

procedure Expression; Forward;

procedure Factor;

begin

if Look = '(' then begin

Match('(');

Expression;

Match(')');

end

else if IsAlpha(Look) then

Ident

else

EmitLn('MOVE #' + GetNum + ',D0');

end;

{–}

{ Recognize and Translate a Multiply }

procedure Multiply;

begin

Match('*');

Factor;

EmitLn('MULS (SP)+,D0');

end;

{–}

{ Recognize and Translate a Divide }

procedure Divide;

begin

Match('/');

Factor;

EmitLn('MOVE (SP)+,D1');

EmitLn('EXS.L D0');

EmitLn('DIVS D1,D0');

end;

{–}

{ Parse and Translate a Math Term }

procedure Term;

begin

Factor;

while Look in ['*', '/'] do begin

EmitLn('MOVE D0,-(SP)');

case Look of

'*': Multiply;

'/': Divide;

end;

end;

end;

{–}

{ Recognize and Translate an Add }

procedure Add;

begin

Match('+');

Term;

EmitLn('ADD (SP)+,D0');

end;

{–}

{ Recognize and Translate a Subtract }

procedure Subtract;

begin

Match('-');

Term;

EmitLn('SUB (SP)+,D0');

EmitLn('NEG D0');

end;

{–}

{ Parse and Translate an Expression }

procedure Expression;

begin

if IsAddop(Look) then

EmitLn('CLR D0')

else

Term;

while IsAddop(Look) do begin

EmitLn('MOVE D0,-(SP)');

case Look of

'+': Add;

'-': Subtract;

end;

end;

end;

{–}

{ Parse and Translate an Assignment Statement }

procedure Assignment;

var Name: string[8];

begin

Name := GetName;

Match('=');

Expression;

EmitLn('LEA ' + Name + '(PC),A0');

EmitLn('MOVE D0,(A0)')

end;

{–}

{ Initialize }

procedure Init;

begin

GetChar;

SkipWhite;

end;

{–}

{ Main Program }

begin

Init;

Assignment;

If Look <> CR then Expected('NewLine');

end.

{–}

Теперь синтаксический анализатор закончен. Он получил все возможности, которые мы можем разместить в однострочном «компиляторе». Сохраните его в безопасном месте. В следующий раз мы перейдем к новой теме, но мы все рано будем некоторое время говорить о выражениях. В следующей главе я планирую рассказать немного об интерпретаторах в противоположность компиляторам и показать вам как немного изменяется структура синтаксического анализатора в зависимости от изменения характера принимаемых действий. Информация, которую мы рассмотрим, хорошо послужит нам позднее, даже если вы не интересуетесь интерпретаторами. Увидимся в следующий раз.

Интерпретаторы

Введение

В трех первых частях этой серии мы рассмотрели синтаксический анализ и компиляцию математических выражений, постепенно и методично пройдя от очень простых односимвольных «выражений», состоящих из одного терма, через выражения в более общей форме и закончив достаточно полным синтаксическим анализатором, способным анализировать и транслировать операции присваивания с многосимвольными токенами, вложенными пробелами и вызовами функций. Сейчас я собираюсь провести вас сквозь этот процесс еще раз, но уже с целью интерпретации а не компиляции объектного кода.

Если эта серия о компиляторах, то почему мы должны беспокоиться об интерпретаторах? Просто я хочу чтобы вы увидели как изменяется характер синтаксического анализатора при изменении целей. Я также хочу объединить понятия этих двух типов трансляторов, чтобы вы могли видеть не только различия но и сходства.

Рассмотрим следующее присваивание:

x = 2 * y + 3

В компиляторе мы хотим заставить центральный процессор выполнить это присваивание во время выполнения. Сам транслятор не выполняет никаких арифметических операций… он только выдает объектный код, который заставит процессор сделать это когда код выполнится. В примере выше компилятор выдал бы код для вычисления значения выражения и сохранения результата в переменной x.

Для интерпретатора, напротив, никакого объектного кода не генерируется. Вместо этого арифметические операции выполняются немедленно как только происходит синтаксический анализ. К примеру, когда синтаксический анализ присваивания завершен, x будет содержать новое значение.

Метод, который мы применяем во всей этой серии, называется «синтаксически-управляемым переводом». Как вы знаете к настоящему времен, структура синтаксического анализатора очень близко привязана к синтаксису анализируемых нами конструкций. Мы создали процедуры на Pascal, которые распознают каждую конструкцию языка. Каждая из этих конструкций (и процедур) связана с соответствующим «действием», которое выполняет все необходимое как только конструкция распознана. В нашем компиляторе каждое действие включает выдачу объектного кода для выполнения позднее во время исполнения. В интерпретаторе каждое действие включает что-то для немедленного выполнения.

Что я хотел бы, чтобы вы увидели, это то, что план… структура… синтаксического анализатора не меняется. Изменяются только действия. Так что, если вы можете написать интерпретатор для данного языка, то вы можете также написать и компилятор, и наоборот. Однако, как вы увидите, имеются и отличия, и значительные. Поскольку действия различны, процедуры, завершающие распознавание, пишутся по-разному. Характерно, что в интерпретаторе завершающие подпрограммы распознавания написаны как функции, возвращающие числовое значение вызвавшей их программе. Ни одна из подпрограмм анализа нашего компилятора не делает этого.

Наш компилятор, фактически, это то, что мы могли бы назвать «чистым» компилятором. Как только конструкция распознана, объектный код выдается немедленно. (Это одна из причин, по которым код не очень эффективный.) Интерпретатор, который мы собираемся построить, является чистым интерпретаторов в том смысле, что здесь нет никакой трансляции типа «токенизации», выполняемой над исходным текстом. Это две крайности трансляции. В реальном мире трансляторы не являются такими чистыми, но стремятся использовать часть каждой методики.

Я могу привести несколько примеров. Я уже упомянул один: большинство интерпретаторов, типа Microsoft BASIC, к примеру, транслируют исходный текст (токенизируют его) в промежуточную форму, чтобы было легче выполнять синтаксический анализ в реальном режиме времени.

Другой пример – ассемблер. Целью ассемблера, конечно, является получение объектного кода и он обычно выполняет это по однозначному принципу: одна инструкция на строку исходного кода. Но почти все ассемблеры также разрешают использовать выражения как параметры. В этом случае выражения всегда являются константами, и ассемблер не предназначен выдавать для них объектный код. Скорее он «интерпретирует» выражение и вычисляет соответствующее значение, которое фактически и выдается с объектным кодом.

Фактически, мы могли бы использовать часть этого сами. Транслятор, который мы создали в предыдущей главе, будет покорно выплевывать объектный код для сложных выражений, даже если каждый терм в выражении будет константой. В этом случае было бы гораздо лучше, если бы транслятор вел себя немного как интерпретатор и просто вычислял соответствующее значение константы.

В теории компиляции существует понятие, называемое «ленивой» трансляцией. Идея состоит в том, что вы не просто выдаете код при каждом действии. Фактически, в крайнем случае вы не выдаете что-либо вообще до тех пор, пока это не будет абсолютно необходимо. Для выполнения этого, действия, связанные с подпрограммами анализа, обычно не просто выдают код. Иногда они это делают, но часто они просто возвращают информацию обратно вызвавшей программе. Вооружившись этой информацией, вызывающая программа может затем сделать лучший выбор того, что делать.

К примеру, для данного выражения

x = x + 3 – 2 – (5 – 4)

наш компилятор будет покорно выплевывать поток из 18 инструкций для загрузки каждого параметра в регистры, выполнения арифметических действий и сохранения результата. Ленивая оценка распознала бы, что выражение, содержащее константы, может быть рассчитано во время компиляции и уменьшила бы выражение до

x = x + 0

Даже ленивая оценка была бы затем достаточно умной, чтобы понять, что это эквивалентно

x = x,

что совсем не требует никаких действий. Мы смогли уменьшить 18 инструкций до нуля!

Обратите внимание, что нет никакой возможности оптимизировать таким способом наш компилятор, потому что каждое действие выполняется в нем немедленно.

Ленивая оценка выражений может произвести значительно лучший объектный код чем тот который мы могли произвести. Я, тем не менее, предупреждаю вас: это значительно усложняет код синтаксического анализатора, потому что каждая подпрограмма теперь должна принять решение относительно того, выдать объектный код или нет. Ленивая оценка конечно же названа так не потому, что она проще для создателей компиляторов!

Так как мы действуем в основном по принципу KISS, я не буду более углубляться в эту тему. Я только хочу, чтобы вы знали, что вы можете получить некоторую оптимизацию кода, объединяя методы компиляции и интерпретации. В частности Вы должны знать, что подпрограммы синтаксического анализа в более интеллектуальном трансляторе обычно что-то возвращают вызвавшей их программе и иногда сами ожидают этого. Эта главная причина обсуждения интерпретаторов в этой главе.