如何设计简单词法分析器 C++（面向对象）

标签：字符 读取 Lexer 分析器 C++ 词法 Uint Lex string

前言

与其他教程不同，本文实现的词法分析器

• 借鉴于 C++ 输入流

我搜过的教程基本上都是从状态转换的思想入手，虽然本文思路类似于状态转换，但也有独到之处。

• 从面向对象的角度

其他教程大多采用面向过程，二者都能解决问题，各有优劣。只不过我从面向对象的角度，给读者提供一个新的实现思路。

本文重点在思路，因此

• 对于其他一些概念不作讲解，如有不会的可自行查阅相关资料。
• 仅在必要的地方讲解实现代码，简单的地方只注明作用
• 你要对 C++ 输入流、面向对象 等知识有一定的了解
• 如果你是抱着赶实验报告的心态——只要源码，建议你去搜别人的。

[ 本文约定 ]

• key：关键字
• Identifier: 标识符 （简称 ID）
• Uint: 非负十进制整数
• Lexer: 词法单元，由类型(kind)，值(value)组成，在书写时记为 <kind, val>
• Lex: 词法分析器

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目标任务

1. 首先先声明总目标：实现 Lex

• 主要功能：能从指定输入流 (一般是文件流 ifstream) 中识别并返回一个个的 Lexer

[例] 现有文件内容如下：

int a = 1 + 2;

那么 Lex 应能按顺序依次返回以下 Lexer：
<key，int>、<ID，a>、
<Uint，1>、<+，+>、
<Uint，2>、<;，;>

2. 可能还有一些其他功能：

• 忽略注释 （注释同C++）
• 此过程中检测到错误（特指注释嵌套）时，抛出异常，并返回出错之处所在行的行号
• … …

但是鉴于篇幅原因，并且实现思路也比较简单，故不作讲解。

文章末尾有整个程序的示例代码

3. 定义 Lexer

需要识别的词法单元如下：

类别	描述
key	if、else、for、while、int
ID	格式同 C++ 标识符命名规则
Uint	非负整数，为十进制
双分界符	>=、<=、==、!=
单分界符	+、-、*、/、=、{、}、（、）、<、>、;、!、,

进入正题

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概要设计

概要设计部分，为了突出重点，省去了不必要的部分，因此有的代码与解释有一些不打紧的错误

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1. 为何借鉴 istream

每学一门编程语言，必定要学输入输出。刚开始学 C++ 时，对输入的理解仅停留在输入的内容可以赋给某临时变量，然后进行相关操作。因为那时处理的输入大多是控制台输入，用 cin 接收赋值。零星几个字符而已，没引起多大重视。后来学了 C++ 的 istream 部分，感觉自己的见识又被打开了一些。

以 cin 为例
在 C++ 处理输入时，常常用到 cin 关键字。“cin >> id;” 相信大家都不陌生，但 cin.get() 可能用得偏少。
有以下代码：

while (true) {
	char c = cin.get();
	if (cin.eof()) break;
	cout << c << "-";
}

现在输入为：“int a=1;”
那么输出为：“i-n-t- -a-=-1-;”。（包括空格）
可以看出：cin.get() 函数，用于返回输入流中下一个字符。
来看我们的任务：

能从指定输入流中识别并返回一个个的 Lexer

是不是很类似？也就是说我们主要任务是实现类似 cin.get() 的 Lex.get()。

不仅如此，我们还可以实现类似的 Lex.peek()、Lex.putback() 等

虽然目前用不到，但是 语法分析 部分可能会用到

假如现在 Lex 的要求是 “按空格分隔处理”，那么 Lex.get() 就可以如下实现：

while (true) {
	cin >> s;
	cout << s << "|";
}

当输入为：“a = 1 ;” (空格分隔）
由于 cin 默认跳过空格，因此输出为：“a|=|1|;”。
但是这种方式显然与我们的目标不相符：

当输入为：“a=1;”，输出为：“a=1;”

我们需要的是：
读取内容：“a=1;”，Lex 应能返回如下的 Lexer

<ID, a>，<=, =>
<Uint, 1>，<;, ;>

现在问题就明朗了：如何准确定义出 Lex 处理输入字符流的方式。

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2. 重载输入运算符

说之前先看一个例子：

int n;
cin >> n;
cout << n;

输入为： “123end”，
输出为： “123”。

string s;
cin >> s;
cout << s;

输入为： “123end”，
输出为： “123end”。

上面两段代码：不同之处在于变量类型不同，一个 int，一个 string，使得 cin 处理结果不同

• 对于 int，当遇见输入 “end” 时，无法读取，使得 cin.fail() = true，但是 “123” 被读取了;
• 而对于 string，则是将 “123end” 全部读取了。

这不就跟我们的任务类似吗：
当 Lex 处理的输入： “a=1” ：
在读取到 “a” 时，由于下一个字符是 “=”，不属于标识符的一部分，因此 Lex 将停止读取，将 “a” 作为一个整体，返回 “<ID, a>”… …
因此我们可以用类似 cin 对不同类型的处理方法 去看待我们即将设计的词法分析器。

对于一个类而言，可以通过 重载 >> 运算符 实现自定义输入处理。

比如现在有一个类 A，要求 ：

A 只能接收以 ‘;’ 结尾的字符串。

那么我们可以如下对于 A 类重载 >>:

istream& operator>>(istream& is, A& a)
{
	string s;
	is >> s;
	if (!s.empty() && s.back() == ';') 
	    a = A{ s };	// 满足条件，给 a 赋值 
	else {
	    // 进行相关操作，比如：
	    // 1. 可以将流的状态置为 fail
	    // 2. 又或者 throw exception
	    // 3. 也可以将 a 置为 empty
	    a = A{};
	}
	return is;
}

那么用 cin 去读取 A

A a;
cin >> a;

当输入为：“s;” 时，那么 a 的值为 “s;”；
当输入为：“ss” 时，那么 a 为空。

现在再看目标任务，相当于需要在输入字符流中识别出 ID、Uint 等 基本单元。那么，我们就可以创建 ID、Uint 等类，并重载 >> 运算符实现识别功能。
比如有如下输入（假设已经实现了 ID、Uint 对 >> 的正确重载）：

123ID1

现在执行以下代码：

ID id;
cin >> id;

那么 id 会读取失败，因为标识符不能以数字开头。

执行另外一个代码：

Uint u;
ID i;
cin >> u >> i;

那么 u 的值为 “123”，而 i 的值为 “ID1”。
这样是不是就能识别出不同的词法单元？

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3. Lexer

• 上一部分说了可以通过 创建类并重载 >> 来识别出不同的词法单元，那么还要 Lexer 干嘛？

  诚然，“创建类并重载>>” 的目的就是识别出不同的词法单元，对于我们的目标，如果按此方法至少需要创建 5 个类。

  我们知道 类的一大特性：封装——隐藏内部实现细节，接口尽量越小越好。

  如果采用 “创建类并重载>>” 的方式，那么 Lex 就需要返回五种类型。如此，往后（比如语法分析部分）需要使用 Lex 时，就要自己处理五种返回类型，这就很麻烦；
  但若采用 只返回一种类型 Lexer，而将对这 “五个类” 的处理隐藏与 Lex类 内部，是不是之后使用 Lex 只需要关心一种返回类型即可，会更方便。

• Lexer 为什么需要有 kind、val 属性？

  • 前面也说了将 “五个类” 整合为一个，那如何标识不同的类呢？—— kind 就是起此作用；
  • 由于我们处理的是字符流，因此它的字面量是我们所关心的，采用 val 用来保存其值。

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4. 综合

综上部分，可以看做我们的主要任务被拆分为两大部分：

• 实现 “五大类” 重载 >>，使得能从输入字符流中识别出基本单元
• 通过 Lex.get() 将 “五大类” 整合为一个 Lexer，并返回

下面进入详细设计：

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详细设计

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1. 基本单元的识别

根据目标任务分析，输入字符流中有五种基本单元：key、ID、Uint、双分界符、单分界符，我们该如何识别呢？

1.1 先从人的视角入手：
给你一个文本如下，你如何识别出基本单元？

int a=1;

尽管文本很短，你能一眼扫出来，但是你应该也是从左到右、逐个字符查看，同时遇见空格就停止。

• 你先看到了 “i” 字符，由于它之后没有空格，因此你会将其后的字符当做它的一部分 … 因此扫描出来 “int”。现在查表发现 “int” 是关键字，所以你得出： <key，int>
• 接下来是 “a”，但是 “a” 后是 “=”，因此你知道它不能和 “a” 作为一个整体，所以得出： <ID, a>
• 依次类推… …

这也是接下来程序大体的运作方式：先判断首字符，在判断之后的字符、遇见空格结束。

我们采用按空格分隔处理的方式，比如：“inta = 1;”，那么第一个 Lexer 为 <ID, inta>

1.2 再来分析五种基本单元：

• key:

  显然关键字也是标识符，属于 ID，因此可以先用 ID 识别出标识符，然后在通过查表确定是否是关键字

• ID：

  由 字母、数字、下划线组成、不能以 数字 开头

  也就是说，ID 的首字符一定是 字母 或者 下划线，首字符后只能跟 字母、数字、下划线。

• Uint：

  非负十进制整数

  首字符为 数字，其后只能跟 0-9 字符。

• 双分隔符：

  >=、<=、==、!=

  由于所给字符的特殊性：都是以 ‘=’ 结尾的，我们可以简单地认为：首字符为单分界符，第二个字符为 ‘=’ 的字符为双分隔符。

  如果需要识别的有其他的，比如： >>、<<、++ 等，由于没有规律，那么我们只能采用逐一判断的方法。
  比如识别 ++：先读入 ‘+’，然后判断下一个字符是否为 ‘+’，如果是则返回 <双分界符，++>；反之返回 <单分界符，+>

• 单分隔符：

  +、-、*、/、=、{、}、（、）、<、>、;、!、,

  因为单分界符都是非字母、非数字字符（后面都记为特殊字符），但并不是所有的 特殊字符，因此也是采用查表的方式：先判断首字符是否是 特殊字符，再查表确定是不是给定的单分界符。

1.3 方案

通过 1.2 可以看出，虽然有五种类型，但是实际只需要创建两个类：ID 与 Uint，双分界符与单分界符最多只有两个字符，完全可以直接当做 char 处理，没必要在创建一个类。那么下面就来实现 ID 与 Uint，但是之前先要说 Lexer 类。

因为最终的 Lex 只需要返回 Lexer，ID、Uint 类则是被隐藏与 Lex 内部，也就是说 ID、Uint 需要为 Lexer 服务。既然是提供服务的，那我们就需要知道 Lexer 需要什么服务吧。

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2. Lexer 类

Lexer 有两个属性：kind、val，因此成员变量已定。

• kind

之前说了 kind 用于标识 新类 （也就是基本单元）的类型，那么怎么标识，采用什么类型？看之前的任务，Lexer 只有五大类型： key、 ID、Uint、单分界符、双分界符

那么我们需要五种 kind 吗？当然你可这样设计，但是我采用在一本教科书上看到的类似的方式：

constexpr char KEY_KIND = 'k';		// 关键字
constexpr char ID_KIND = 'i';		// 标识符
constexpr char UINT_KIND = 'u';		// 非负整数
constexpr char DCHAR_KIND = 'd';        // 双分界符

constexpr char NULL_KIND = '`';		// 空 类型

看了上述定义，你可能有疑问：

2.1 单分界符呢？
对于 kind，我采用的是 char 类型，那么是不是有个发现：单分界符也是char，并且是特殊字符。
那么对于单分界符可不可以直接用它的值来作为它的 kind？显然可以。

首先 kind 需要唯一，对于每个单分界符来说，肯定各不相同，同时与上述已经定义了的类型（都是字母）也同样不重复。

2.2 为什么有空类型？
在文件流 ifsream 中，我们知道有一个函数为 eof()，用于判断是否到了文件末尾。对于 Lex，显然也需要此函数。
在 ifstream 中，采用 EOF(-1) 字符来作为文件结束标记：因为文件未结束前，所有字符的 ASCII 一定都大于等于 0，因此可以用 EOF 来标记。那么，我们也可以采用类似的方法，用一个一定不会出现的单字符（‘`’）来标识这种状态。

• val

  由于处理的是字符串，同时我们关心的事字面量，显然应该采用 string 类型，即便需要转 整型 也方便。

  综上，Lexer 设计如下：

  struct Lexer {
  	char kind;
  	string val;
  	
  	Lexer() :kind{ NULL_KIND }, val{} { };		// NULL_Lexer: <NULL_KIND, ""> 
  	Lexer(char c);
  	Lexer(const string& s);
  	// Lexer(char kind, const string& s);
  	
  	bool empty() const;
  };
  

  成员变量 kind、val 采用 pubilc 是为了方便后续的语法分析部分，但是此处不涉及语法分析，因此你也可以选择采用 private

• Lexer(char c)

  用于 单分界符 初始化

  单分界符因为只有一个字符，并且它的 kind == val，因此单独拆分出来

  Lexer::Lexer(char c)
  	:kind{ c }, val{ c }
  {
  	// 因为是给单分界符初始化的，需要判断是否是单分界符
  	if (!is_single_ch(c)) throw string(val + "isn't a single char");		
  }
  

• Lexer(const string& s)
  用于给 除单分界符外的其他基本单元 初始化的。

  但你会发现为什么没有指定 kind？
  据之前分析，给定一个字符串，我们完全可以自动推断出其类型，因此可以将类型推导放给程序自己控制，比起每次都要加上 kind 更为方便。

  所以需要一个自动推导类型的函数：（显然单分界符就不需要此函数）

  其中 KEY_KIND 的判断必须在 ID_KIND 之前。

  char ret_kind(const string& s)		// ** 注意优先级
  {
  	if (is_key(s)) return KEY_KIND;		
  	if (is_id(s)) return ID_KIND;
  	if (is_dchar(s)) return DCHAR_KIND;
  	if (is_uint(s)) return UINT_KIND;
  	return NULL_KIND;		// 未定义的类型
  }
  

  由于 ret_kind 可能返回 NULL_KIND，这就表示 s 是一个未定义的 Lexer，需要抛出异常。

  Lexer::Lexer(const string& s)
  	:kind{ ret_kind(s) }, val{ s }
  {
  	if (kind == NULL_KIND) throw string(s + "isn't a legal lexer");
  }
  

• Lexer(char c, const string& s)

  刚说了不需要 kind，直接自动推导类型即可，那怎么还有这个函数？
  因为可能出现需要强制转换类型的情况，当然目前不需要，所以此函数可以删除

• empty()

  Lexer 是否为空（NULL_Lexer）

  bool Lexer::empty() const
  {
  	return kind == NULL_KIND && val.empty();
  }
  

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3. Identifier

根据上述的分析可知，ID 需要返回字符串：因为要用 Lexer(const string&) 初始化，同时还要重载 >>，因此：

class Identifier {
public:
	Identifier();	// _val = "" ->  "空标识符"
	Identifier(const string& s);

	string str() const;
	bool empty() const;

private:
	std::string _val;
};

istream& operator>>(istream& is, Identifier& n);

• Identifier() 与 empty()
  看到上面的声明你可能有疑问：标识符不是不能为空吗，为什么还有一个 empty() 函数？
  来看一个例子：
  当前输入为：“2+1”，此时 ID 去读取，那么肯定需要 ID类 无法读取，那么我们怎么来标识读取失败呢？在之前我提到了三种方法：
  i. 将 istream.fail() 设为 true

  比如代码 “int n; cin >> c;”
  输入为 xxxx，那么 c++ 内部的做法就是将 cin.fail() 设为 true，以此来判定是否读取成功。

  可以这么做，但是会导致 流状态 为 fail，无法正常使用输入流，需要执行 cin.clear() 消除 fail 状态。
  ii. 抛出异常

  当读取失败直接抛出异常，但你觉得在此处直接抛出异常合适吗？显然不太合适，因为字符 ‘2’ 是 Uint，也是合法的 Lexer。当然也可以抛出异常，只不过后续需要处理异常，过于麻烦，因此不推荐。

  iii. 将其设一个非法的值

  标识符不能为空，就像文件流的 EOF 一样，我们可以用 “空标识符” 来标识标识符读取失败，本文采用此方法。

  插一句，int 怎么不使用此方法？显然找不到一个能表示 “非法 int” 的数字

• istream& operator>>(istream& is, Identifier& n)
  采用类似于编译原理中提到的状态转换的方式，我们需要考虑两个问题：

  • 什么时候读取失败：
    显然由首字符决定。前面分析过，ID 的首字符一定是 字母 或者 下划线，因此当第一个字符不是二者时，读取失败；
  • 什么时候读取结束：
    当首字符合法时，那么找它之后就只能跟 字母、数字、下划线，也就是说当遇见其他字符时（包括空白字符），读取结束

这里需要注意一个问题：

• 之前的 A 的重载 >> 函数，读取的 string 并没有被放回输入流中，但是在 Lex 中，当读取失败时需要放回。
• 比如输入为：“1+2”，现在使用 ID 来读取。如果它读取了第一个字符 ‘1’ 后，发现不是合法的标识符就直接读取失败，而没有将字符 ‘1’ 放回输入流中，那么现在输入流就变为：“+2”， ‘1’ 字符相当于被丢弃了，这种做法不可取。

istream& operator>>(istream& is, Identifier& n)
{
    // 先判断首字符
	if (is.peek() != '_' && !isalpha(is.peek())) {
		n = Identifier{};
		return is;
	}
	string s;
	while (true) {
		char c;
		is >> c;
		if (is.eof() || isspace(c)) break;		// 空格就没必要放回去了
		if (!is_id_ch(c)) {		// 不是 下划线、数字、字母
			is.putback(c);		// * 放回输入流
			break;
		}
		s += c;
	}
	n = Identifier{ s };
	return is;
}

【注】 上面的代码存在 bug：

在我最后调试程序时发现的

• is.peek()

  作用：返回输入流中下一个字符，包括空白字符。

  如果是上面的代码，那么输入为：" id" （第一个字符为空格），当执行到第一个判断条件时由于 is.peek() 为空格，条件正确，返回空，显然这里不适合，我们期待的是返回 “id”。

因此更换后的程序为：

istream& operator>>(istream& is, Identifier& n)
{
    char c = '0';   // 初始化，避免读取失败后，c的值随机
    is >> c;  // 读取第一个非空格字符
    if (c != '_' && !isalpha(c)) {
        if (!is.eof()) is.putback(c);
		n = Identifier{};
		return is;
	}
	string s{c};
	// 当 peek 为 空白字符或者 is.eof() == true 退出
	while (!isspace(is.peek()) && is >> c) {
		if (!is_id_ch(c)) {	
			is.putback(c);		// ******
			break;
		}
		s += c;
	}
	n = Identifier{ s };
	return is;
}

代码还增加了对 输入流 eof() 的处理，如果对其处理不当会导致各种 bug。后面的代码也进行了处理。

下面举个例子供读者思考为什么有bug：

// 目的是读取输入流中的所有字符后，去掉空格，输出结果
// 当输入为 ^Z (Ctrl+Z) 时，结束
// * cin 默认跳过空格
string s;
while (!cin.eof()) {
    char c;
    cin >> c;
    s += c;
}
cout << s;		

s 应该等于 输入字符除去空白字符，但是结果是这样吗？

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4. Uint

与 ID 类似，故

class Uint {
public:
    Uint();		// _val = "" 
    Uint(const string& n);

    bool empty() const;
    string str() const;

private:
    string _val;
};

istream& operator>>(istream& is, Uint& u);

• Uint()、empty()

  与 ID 一样，需要标识出读取失败的情况，此处用 empty (_val == “”) 来表示 Uint 不合法，也就是读取失败了。

• istream& operator>>(istream& is, Uint& u)

  也是需要考虑两个问题：

  • 什么时候读取失败：当首字符不为数字时。
  • 什么时候读取结束：当其后字符不为数字时。

  比较舒服的一点是，C++ 中的 整型类型 的读取机制恰好满足此特性，因此代码简单了不少。

  istream& operator>>(istream& is, Uint& u)
  {
      char c = ' ';
      is >> c;
      if (!isdigit(c)) {		// 如果不判断，当输入为负数时，也会正常读取
          if (!is.eof()) is.putback(c);
          u = Uint{};
          return is;
      }
      is.putback(c);      // * 别忘了放回 c
      long long n;
      is >> n;	
      u = Uint{ to_string(n) };
      return is;
  }
  

  但是可能会导致 溢出问题（比如数字很大的情况），因此还是换用以下代码：

  istream& operator>>(istream& is, Uint& u)
  {
      char c = ' ';
      is >> c;
      if (!isdigit(c)) {	
          if (!is.eof()) is.putback(c);
          u = Uint{};
          return is;
      }
      string s{c};
      while (!isspace(is.peek()) && is >> c) {
          if (!isdigit(c)) {
              is.putback(c);
              break;
          }
          s += c;
      }
      u = Uint{ s };
      return is;
  }
  

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5. Lex

现在 ID、Uint、Lexer 都已经创建完毕，到最后的 Lex了。
前面说过，Lex 与 istream 类似，需要从指定流中返回 Lexer，那么 Lex 就需要能与 输入流 关联，有 get() 函数，因此：

class Lex {
public:
	Lex(istream& is);
	
	Lexer get();

private:
	istream& _is;
};

• _is、Lex(istream& is)

  因为需要和输入流关联，因此成员变量为 istream&，用 Lex(istream& is) 来初始化关联。

• Lex.get()

  重点在此函数。
  在 基本单位的识别 部分我们分析有：

  类别	首字符
  key	同 ID
  ID	字母、下划线
  Uint	数字
  双分界符	>=、<=、==、!=
  单分界符	+、-、*、/、=、{、}、（、）、<、>、;、!

  显然，通过首字符基本可以判断出应该使用哪种类型去读取，最多就是双分界符与单分界符需要多判断一次而已。

  其类型之前说了使用 Lexer自动推导类型，因此不必再需要给 Lexer.kind 赋值。

  Lexer Lex::get()
  {
      Identifier id;
      _is >> id;      // * 1. id or key
      if (!id.empty()) return Lexer{ id.str() };  
      if (_is.eof()) return Lexer{};      // ** 注意所在位置
  
      Uint u;     
      _is >> u;       // * 2. Uint
      if (!u.empty()) return Lexer{ u.str() };
  
      char c = NULL_KIND;
      _is >> c;
      if (is_dchar_sta(c)) {    // 首字符是双分界符的第一个字符
          if (_is.peek() == '=') {      // * 3. 双分界符 
              _is.get();      // ** 记得把 '=' 读取了
              return Lexer{ string{c} + "=" };
          }
      }
      return Lexer{ c };      // * 4. 单分界符
  }
  

  • if (_is.eof()) return Lexer{}; 语句的位置如果随便移动（当然也可以放在其他地方），也会导致之前说的例子类似的 bug
  • 上面的代码（包括示例代码）对于双分界符的处理有一个问题：

  如果输入是：“> =”（之间有空格），那么输出是："<>, >>，<=, =>。

  经过之前的说明，想必你也知道为什么。如果你觉得有修改的必要，请自行修改。

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6. 完成

现在完成了，那么我们可以使用 Lex：

比如将 Lex 与 cin 关联，那么将接受控制台输入

Lex lex(cin);
auto lexer = lex.get();
if (!lexer.empty()) cout << lexer.val;

也可以关联文件流，这里不再演示。

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示例代码

由于代码较多，因此放在 gitee 上，你可去直接下载或者直接复制即可。
链接: Lex

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标签：字符,读取,Lexer,分析器,C++,词法,Uint,Lex,string
From： https://blog.csdn.net/weixin_73162565/article/details/139239279