编译原理 - 1 手撸状态机词法分析器

时间：2015-10-23 15:57:55 阅读：337 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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感谢vczh轮子叔的坑了的教程，我的编译原理第一次入了个门，词法分析写完了，今后可以看看书继续往下学了。

http://www.cppblog.com/vczh/archive/2014/03/02/206014.html

词法分析，就是对于一段代码，把他们分割成一个个的token，同时记录他们的行列号，丢掉不必要的信息，这个词法分析器很简单，简单的状态机就能胜任，用正则就没有自己造轮子的快感了，所以要自己手撸状态机拆token出来。

模仿vczh的语言，我的语言包括了以下要素

　　标识符：大小写字母和下划线构成的连续串[a-zA-Z_]

　　数字：自然书写的整数和浮点数，整数部分为0的浮点数必须要用0.开头

　　运算符：单个符号

　　注释：#开头，#或\n结尾的任意内容，也就是说注释最多是一整行

　　字符串：双引号"开头结尾的任意内容，支持\\，\n两种转义字符。

这样简单的语言，用正则表达式处理也很简单，但是为了贯彻自己造轮子的原则，我们手写一波状态机

首先把状态机的图画出来，就像这样（因为没有钱买visio，所以只能用一个叫lucidchart的在线应用画图了）

技术分享

虚线表示这个状态可以直接跳到End状态，而所谓End状态就是Start状态，所以到了有虚线的状态，可以看情况直接跳到Start，并且有些状态也可以直接优化掉，比如InStringEnd, InOperator等，遇到这样的状态，直接输出一个token，然后把state设为Start就好了。

这样的状态机是不是很简单，更加复杂的一些状态，也可以手动构造正则表达式，然后用vczh的另一篇教程手写出状态机来。

忘了说Token的结构了，这个很简单

struct Token
{
    int line;
    int column;
    TokenType type;
    std::wstring value;
    Token(): Token(0, 0, TokenType::Unknown, L"", 0)
    {
    }
    Token(int _line, int _column, TokenType _type, const wchar_t* str, int len)
        : line(_line)
        , column(_column)
        , type(_type)
        , value(str, len)
    {
    }
    void Reset()
    {
        line = 0;
        column = 0;
        type = TokenType::Unknown;
        value.clear();
    }
    void Push(const wchar_t ch)
    {
        value.push_back(ch);
    }
};

那个Reset和Push纯粹是因为我偷懒，把这个第一个版本的代码写得很烂，只能用这种不科学的封装来减少一下代码的重复了。

有了状态机和具体的状态：

enum class TokenType
{
    Unknown,
    Number,
    Comment,
    Operator,
    Identifier,
    String
};

enum class ParseState
{
    Begin,
    InComment,
    //InCommentEnd,
    InInteger,
    InFloat,
    InOperator,
    InIdentifier,
    InString,
    InStringEscaping,
    //InStringEnd
};

可以构造状态机了，模板是这样的：

while (*reading)
{
    switch (state)
    {
    case 某个状态:
    {
        switch (*reading)
        {
        case 某个或某几个字符:
            #根据状态机里当前状态能接受和不能接受的字符，修改新的状态，读入字符，reading++，或者直接抛异常
        break;
        }
    }
}

第一个版本的代码写得很烂，纯粹是能用的程序，放在这里纯粹是显摆一下，之后我会考虑重构什么的，然后再来更新这篇文章，而且没有写单元测试，正确性纯粹是肉眼检查，报错信息也很不友善，这一点下一个版本的代码再改。

下面贴代码：

TokenStream.h

  1 #pragma once
  2 #ifndef TOKEN_STREAM
  3 #define TOKEN_STREAM
  4 
  5 #include <string>
  6 #include <vector>
  7 enum class TokenType
  8 {
  9     Unknown,
 10     Number,
 11     Comment,
 12     Operator,
 13     Identifier,
 14     String
 15 };
 16 
 17 enum class ParseState
 18 {
 19     Begin,
 20     InComment,
 21     //InCommentEnd,
 22     InInteger,
 23     InFloat,
 24     InOperator,
 25     InIdentifier,
 26     InString,
 27     InStringEscaping,
 28     //InStringEnd
 29 };
 30 struct Token
 31 {
 32     int line;
 33     int column;
 34     TokenType type;
 35     std::wstring value;
 36     Token(): Token(0, 0, TokenType::Unknown, L"", 0)
 37     {
 38     }
 39     Token(int _line, int _column, TokenType _type, const wchar_t* str, int len)
 40         : line(_line)
 41         , column(_column)
 42         , type(_type)
 43         , value(str, len)
 44     {
 45     }
 46     void Reset()
 47     {
 48         line = 0;
 49         column = 0;
 50         type = TokenType::Unknown;
 51         value.clear();
 52     }
 53     void Push(const wchar_t ch)
 54     {
 55         value.push_back(ch);
 56     }
 57 };
 58 
 59 class TokenStream
 60 {
 61 public:
 62     static std::vector<Token> Parse(std::wstring& source)
 63     {
 64         const wchar_t* reading = source.c_str();
 65         ParseState state = ParseState::Begin;
 66         std::vector<Token> tokenList;
 67         int lineNumber = 1;
 68         int columnNumber = 1;
 69         Token token;
 70         while (*reading)
 71         {
 72             switch (state)
 73             {
 74             case ParseState::Begin:
 75             {
 76                 switch (*reading)
 77                 {
 78                 case‘+‘:case‘-‘:case‘*‘:case‘/‘:case‘(‘:case‘)‘:case‘<‘:case‘>‘:case‘=‘:case‘;‘:
 79                 case‘^‘:case‘&‘:case‘.‘:
 80                 {
 81                     tokenList.push_back(Token(lineNumber, columnNumber, TokenType::Operator, reading, 1));
 82                     token.Reset();
 83                     reading++;
 84                     columnNumber++;
 85                     break;
 86                 }
 87                 case‘0‘:case‘1‘:case‘2‘:case‘3‘:case‘4‘:case‘5‘:case‘6‘:case‘7‘:case‘8‘:case‘9‘:
 88                 {
 89                     state = ParseState::InInteger;
 90                     token.type = TokenType::Number;
 91                     token.column = columnNumber;
 92                     token.line = lineNumber;
 93                     token.Push(*reading);
 94                     reading++;
 95                     columnNumber++;
 96                     break;
 97                 }
 98                 case‘a‘:case‘b‘:case‘c‘:case‘d‘:case‘e‘:case‘f‘:case‘g‘:case‘h‘:case‘i‘:case‘j‘:case‘k‘:case‘l‘:case‘m‘:case‘n‘:case‘o‘:case‘p‘:case‘q‘:case‘r‘:case‘s‘:
 99                 case‘t‘:case‘u‘:case‘v‘:case‘w‘:case‘x‘:case‘y‘:case‘z‘:case‘A‘:case‘B‘:case‘C‘:case‘D‘:case‘E‘:case‘F‘:case‘G‘:case‘H‘:case‘I‘:case‘J‘:case‘K‘:case‘L‘:
100                 case‘M‘:case‘N‘:case‘O‘:case‘P‘:case‘Q‘:case‘R‘:case‘S‘:case‘T‘:case‘U‘:case‘V‘:case‘W‘:case‘X‘:case‘Y‘:case‘Z‘:case‘_‘:
101                 {
102                     state = ParseState::InIdentifier;
103                     token.type = TokenType::Identifier;
104                     token.column = columnNumber;
105                     token.line = lineNumber;
106                     token.Push(*reading);
107                     reading++;
108                     columnNumber++;
109                     break;
110                 }
111                 case‘#‘:
112                 {
113                     state = ParseState::InComment;
114                     token.type = TokenType::Comment;
115                     token.column = columnNumber;
116                     token.line = lineNumber;
117                     reading++;
118                     columnNumber++;
119                     break;
120                 }
121                 case‘"‘:
122                 {
123                     state = ParseState::InString;
124                     token.type = TokenType::String;
125                     token.column = columnNumber;
126                     token.line = lineNumber;
127                     reading++;
128                     columnNumber++;
129                     break;
130                 }
131                 case‘\n‘:
132                 {
133                     reading++;
134                     lineNumber++;
135                     columnNumber = 1;
136                     break;
137                 }
138                 case‘ ‘:
139                 {
140                     reading++;
141                     columnNumber++;
142                     break;
143                 }
144                 default:
145                 {
146                     throw std::exception("parse error");
147                     break;
148                 }
149                 }
150                 break;
151             } //case ParseState::Begin
152             case ParseState::InInteger:
153             {
154                 switch (*reading)
155                 {
156                 case‘0‘:case‘1‘:case‘2‘:case‘3‘:case‘4‘:case‘5‘:case‘6‘:case‘7‘:case‘8‘:case‘9‘:
157                 {
158                     token.Push(*reading);
159                     reading++;
160                     columnNumber++;
161                     break;
162                 }
163                 case‘.‘:
164                 {
165                     state = ParseState::InFloat;
166                     token.type = TokenType::Number;
167                     token.Push(*reading);
168                     reading++;
169                     columnNumber++;
170                     break;
171                 }
172                 default:
173                 {
174                     tokenList.push_back(token);
175                     token.Reset();
176                     state = ParseState::Begin;
177                     break;
178                 }
179                 }
180                 break;
181             } //case ParseState::InInteger
182             case ParseState::InComment:
183             {
184                 if (*reading == ‘\n‘ || *reading == ‘#‘)
185                 {
186                     //state = ParseState::InCommentEnd;
187                     if (*reading == ‘\n‘)
188                     {
189                         lineNumber++;
190                     }
191                     reading++;
192                     columnNumber = 1;
193                     tokenList.push_back(token);
194                     token.Reset();
195                     state = ParseState::Begin;
196                 }
197                 else
198                 {
199                     token.Push(*reading);
200                     reading++;
201                     columnNumber++;
202                 }
203                 break;
204             } //ParseState::InComment
205             case ParseState::InIdentifier:
206             {
207                 switch (*reading)
208                 {
209                 case‘a‘:case‘b‘:case‘c‘:case‘d‘:case‘e‘:case‘f‘:case‘g‘:case‘h‘:case‘i‘:case‘j‘:case‘k‘:case‘l‘:case‘m‘:case‘n‘:case‘o‘:case‘p‘:case‘q‘:case‘r‘:case‘s‘:
210                 case‘t‘:case‘u‘:case‘v‘:case‘w‘:case‘x‘:case‘y‘:case‘z‘:case‘A‘:case‘B‘:case‘C‘:case‘D‘:case‘E‘:case‘F‘:case‘G‘:case‘H‘:case‘I‘:case‘J‘:case‘K‘:case‘L‘:
211                 case‘M‘:case‘N‘:case‘O‘:case‘P‘:case‘Q‘:case‘R‘:case‘S‘:case‘T‘:case‘U‘:case‘V‘:case‘W‘:case‘X‘:case‘Y‘:case‘Z‘:case‘_‘:
212                 {
213                     token.Push(*reading);
214                     reading++;
215                     columnNumber++;
216                     break;
217                 }
218                 default:
219                 {
220                     tokenList.push_back(token);
221                     token.Reset();
222                     state = ParseState::Begin;
223                     break;
224                 }
225                 }
226                 break;
227             } //ParseState::InIdentifier
228             case ParseState::InString:
229             {
230                 switch (*reading)
231                 {
232                 case ‘\\‘:
233                 {
234                     state = ParseState::InStringEscaping;
235                     reading++;
236                     columnNumber++;
237                     break;
238                 }
239                 case ‘"‘:
240                 {
241                     //state = ParseState::InStringEnd;
242                     reading++;
243                     columnNumber++;
244                     tokenList.push_back(token);
245                     token.Reset();
246                     state = ParseState::Begin;
247                     break;
248                 }
249                 case ‘\n‘:
250                 {
251                     throw std::exception("parse error in string");
252                     break;
253                 }
254                 default:
255                 {
256                     token.Push(*reading);
257                     reading++;
258                     columnNumber++;
259                     break;
260                 }
261                 }
262                 break;
263             } // ParseState::InString
264             case ParseState::InFloat:
265             {
266                 switch (*reading)
267                 {
268                 case‘0‘:case‘1‘:case‘2‘:case‘3‘:case‘4‘:case‘5‘:case‘6‘:case‘7‘:case‘8‘:case‘9‘:
269                 {
270                     token.type = TokenType::Number;
271                     token.Push(*reading);
272                     reading++;
273                     columnNumber++;
274                     break;
275                 }
276                 default:
277                 {
278                     tokenList.push_back(token);
279                     token.Reset();
280                     state = ParseState::Begin;
281                     break;
282                 }
283                 }
284                 break;
285             } //ParseState::InFloat
286             case ParseState::InStringEscaping:
287             {
288                 switch (*reading)
289                 {
290                 case ‘n‘:
291                 {
292                     state = ParseState::InString;
293                     token.Push(‘\n‘);
294                     reading++;
295                     lineNumber++;
296                     break;
297                 }
298                 case ‘\\‘:
299                 {
300                     state = ParseState::InString;
301                     token.Push(‘\\‘);
302                     reading++;
303                     lineNumber++;
304                     break;
305                 }
306                 case ‘"‘:
307                 {
308                     state = ParseState::InString;
309                     token.Push(‘"‘);
310                     reading++;
311                     lineNumber++;
312                     break;
313                 }
314                 default:
315                 {
316                     throw std::exception("parse error in escaping");
317                     break;
318                 }
319                 }
320                 break;
321             } //ParseState::InStringEscaping
322             } //switch state
323         }
324         return tokenList;
325     }
326 };
327 
328 #endif // !TOKEN_STREAM

300行的大函数，我也是醉了

编译原理 - 1 手撸状态机词法分析器

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