高级语言编译器中词法分析器的设计与实现.docx
《高级语言编译器中词法分析器的设计与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高级语言编译器中词法分析器的设计与实现.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
高级语言编译器中词法分析器的设计与实现
四川师范大学本科毕业设计
高级语言编译器中词法分析器的设计与实现
学生姓名
张彪
院系名称
物理与电子工程学院
专业名称
通信工程
班级
2008级4班
学号
2008070468
指导教师
陈万川
完成时间
2012年5月12日
高级语言编译器中的词法分析器的设计与实现
学生姓名：
张彪指导老师：
陈万川
内容摘要：
编译器是程序员使用的关键工具，程序员毎天都在使用编译器，并且非常依赖于其正确性和可靠性。
本文首先介绍了C语言及C语言编译器的发展历程，其次对本次开发所用到的工具VisualStudioC++2005以及面向对象的程序设计方法做一下简单介绍。
最后重点介绍了编译器的详细开发过程，分为四个部分分别阐述：
词法分析器的设计；语法分析器的设计；语义分析；以及系统的用户界面部分。
每个部分又分别从总体框架，详细流程，重点数据结构和函数，以及与其他部分的接口等方面予以阐述。
由于C语言本身的复杂性，很难面面倶到实现所有标准定义，所以本次设计只象征性的选择部分具有代表性的功能。
在本文的第四章详细给出了此次设计所实现的功能和语法规范，同时也给出了编译器的运行方式。
关键词：
编译器C源程序VC++
Thelexicalanalyzer’sDesignandImplementationofhigh-levellanguagecompiler
Abstract:
Thecompilerisakeytoolusedbytheprogrammer.Programmerseverydayinthecompiler,andisverydependentonitsaccuracyandreliability.ThispaperfirstdescribestheClanguageandClanguagecompilerdevelopmentprocess,makeabriefintroductionfollowedbythetoolsusedtodevelopVisualStudioC++2005aswellasobject-orientedprogrammingmethod.Finally,highlightthecompilerdevelopmentprocessisdividedintofourparts,respectively,explained:
Thedesignoflexicalanalyzer,parserdesign,semanticanalysis,aswellasthesystem'suserinterfacepart.Eachpartseparatelyfromtheoverallframeworkoftheprocess,focusingondatastructuresandfunctions,aswellasotherpartsoftheinterfacetobeelaborated.DuetothecomplexityoftheClanguageitself,difficulttoPowerphonesJutoallstandarddefinition,sothewooddesignisonlysymbolicchoiceofrepresentativefunctions.ChapterIVofthispaperisgivenindetailthedesignfeaturesandsyntaxspecification,butalsogivesthecompilerrun.
Keywords:
compilertheCsourceVC++
目录
1绪论1
1.1C语言及编译器概述1
1.2C编译器设计思想1
1.3开发工具的选用及介绍2
1.4论文组织结构3
2C语言词法分析器的总体分析与设计4
2.1系统设计目标与功能分析4
2.2词法分析4
2.3语法分析4
2.3.1自顶向下的语法分析5
2.3.2自底向上的语法分析5
2.4语义分析5
2.5符号表6
2.6类型检查7
3系统详细设计7
3.1系统设计基本思路7
3.2词法分析模块设计8
3.3语法分析模块设计10
3.4语义分析模块设计13
3.5界面设计考量15
3.5.1可用性原则15
3.5.2可视性原则16
3.5.3系统主要界面组成17
4系统原型测试19
4.1系统测试基本原则19
4.2系统测试的步骤19
4.3测试结果20
5结束语20
致谢21
参考文献21
高级语言编译器中的词法分析器的设计与实现
1绪论
1.1C语言及编译器概述
C语言是一种计算机程序设计语言。
它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。
它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出。
1978后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上。
它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。
它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。
具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。
词法分析代表了一类问题的集合，即如何对输入字符串中的特定模式进行具备特定动作的匹配。
解决此类问题，不仅对于编译器开发中的阶段抽象具有重要意义，更对应用领域中有关字符处理的需求具有深刻价值。
设计和实现词法分析器，要用到词素、记号、正则表达式、输入字符双缓冲区、符号表、状态转换图设计等概念。
抽象地阐述这些概念往往晦涩难懂，而结合某一具体编译器的前端实现来分析探讨，则容易使概念条理清晰，目的明确。
因此，从设计一个轻量级语言开始，根据语言编译的要求设计和实现词法分析器，将原理与实践结合，将是研究此类问题的最佳途径。
编译是从源代码（通常为高阶语言）到能直接被计算机或虚拟机执行的目标代码（通常为低阶语言或机器语言）的翻译过程。
然而，也存在从低阶语言到高阶语言的编译器，这类编译器中用来从由高阶语言生成的低阶语言代码重新生成高阶语言代码的又被叫做反编译器。
也有从一种高阶语言生成另一种高阶语言的编译器，或者生成一种需要进一步处理的的中间代码的编译器（又叫级联）。
典型的编译器输出是由包含入口点的名字和地址，以及外部调用（到不在这个目标文件中的函数调用）的机器代码所组成的目标文件。
一组目标文件，不必是同一编译器产生，但使用的编译器必需采用同样的输出格式，可以链接在一起并生成可以由用户直接执行的可执行程序。
1.2C编译器设计思想
一个编译器的主要工作过程可以概括为以下几个步骤：
（1）词法分析
词法分析器根据词法规则识别出源程序中的各个记号（token），每个记号代表一类单词（lexeme）。
源程序中常见的记号可以归为几大类：
关键字、标识符、字面量和特殊符号。
词法分析器的输入是源程序，输出是识别的记号流。
词法分析器的任务是把源文件的字符流转换成记号流。
本质上它查看连续的字符然后把它们识别为“单词”。
（2）语法分析
语法分析器根据语法规则识别出记号流中的结构〔短语、句子〉，并构造一棵能够正确反映该结构的语法树。
（3）语义分析
语义分析器根据语义规则对语法树中的语法单元进行静态语义检查，如果类型检查和转换等，其目的在于保证语法正确的结构在语义上也是合法的。
（4）中间代码生成
中间代码生成器根据语义分析器的输出生成中间代码。
中间代码可以有若干种形式，它们的共同特征是与具体机器无关。
最常用的一种中间代码是三地址码，它的一种实现方式是四元式。
三地址码的优点是便于阅读、便于优化。
（5）中间代码优化
优化是编译器的—个重要组成部分，由于编译器将源程序翻译成中间代码的工作是机械的、按固定模式进行的，因此，生成的中间代码往往在时间和空间上有很大浪费。
当需要生成高效目标代码时，就必须进行优化。
（6）目标代码生成
目标代码生成是编译器的最后一个阶段。
在生成目标代码时要考虑以下几个问题：
计算机的系统结构、指令系统、寄存器的分配以及内存的组织等。
编译器生成的目标程序代码可以有多种形式：
汇编语言、可重定位二进制代码、内存形式。
（7）符号表管理
符号表的作用是记录源程序中符号的必要信息，并加以合理组织，从而在编译器的各个阶段能对它们进行快速、准确的查找和操作。
符号表中的某些内容甚至要保留到程序的运行阶段。
（8）出错处理
用户编写的源程序中往往会有一些错误，可分为静态错误和动态错误两类。
所谓动态错误，是指源程序中的逻辑错误，它们发生在程序运行的时候，也被称作动态语义错误，如变量取值为零时作为除数，数组元素引用时下标出界等。
静态错误又可分为语法错误和静态语义错误。
语法错误是指有关语言结构上的错误，如单词拼写错、表达式中缺少操作数、begin和end不匹配等。
静态语义错误是指分析源程序时可以发现的语言意义上的错误，如加法的俩个操作数中一个是整型变量名，而另一个是数组名等。
本系统的设计主要是实现了其中的词法分析、语法分析和语义分析三个部分。
1.3开发工具的选用及介绍
软件环境使用Window2000/XP操作系统，用VisualC++.Net为开发平台，在开发此软件时用的是VC++中的MFC框架。
VisualC++.Net2005是微软公司推出的开发Win32应用程序（Windows95/98/2000/XP/NT）的面向对象的可视化集成工具。
从原来的VisualC++6.0/VisualC++.Net2005升级而来，它的最大优点就是提供了功能强大的MFC类库，MFC是一个很大的类层次结构，其中封装了大量的类及其函数，很多Windows程序所共有的标准内容可以由MFC的类来提供，MFC类为这些内容提供了用户接口的标准实现方法，程序员所要做的就是通过预定义的接门把具体应用程序特有的东西填入这个轮廓，这将简化编程工作，大大的减少程序员编写的代码数量，使编程工作变得更加轻松容易。
当然还有Visual2008和最新的Visual2010beta版也已经发布。
VisualStudio2005的成功已被证实，即开发人员偏爱一个具备对他们需要的工具提供接口的集成开发环境。
下面主要介绍它的特点。
通过将开发人员在开发环境中需要的测试和性能工具（例如，单元测试、代码分析和性能分析）合并在一起，VisualStudio2005TeamSystem也期待着这种成功。
这使开发人员能够在生命周期的较早阶段就改善其代码的质量，而无需中断他们的工作。
通过尽早地为开发人员提供他们需要用于识别和解决质量问题的工具，更多的产品缺陷就能够在它们还未构成危害之前即被发现并解决。
VisualStudio2005TeamSystem，那么过程就不仅仅是文档了。
它还能将自己体现为实际的工具行为更改。
当您在项目初期选择过程时，还需要选择工作流和工作产品，它们会驱动系统的行为方式。
对SDL过程的支持是内置的，这使得对工作流的支持是无缝的。
通过将过程集成到团队成员日常使用的基本工具中，VisualStudio2005TeamSystem加大消除了过程釆纳的障碍，并使自动收集跨职能的项目标准成为可能，而无需实施人工报告的相关开销。
通过使用一个公共的跨工具集的数据仓库，VisualStudio2005TeamSystem解决了在大多数SDLC工具中建立数据仓库这一问题，并启动了一个聚合的项月状态视图。
团队根据能够收集到的规则来管理项目。
今天，数据主要限于缺陷跟踪。
VisualStudio2005TeamSystem中集成的数据将开创一条新路―通过平衡利用贯穿于SDLC的大量、多样的数据来管理项目规则。
VisualStudio2005TeamSystem会收集精确的数据―不仅限于缺陷跟踪，而是包括测试结果、代码涵盖、代码生成、任务进度等这些贯穿于团队常规工作流程的数据。
该数据以某些标准的报告方式呈现，客户和Mcrosoft内部团队已在报告中建立了成功项目管理的关键规则。
此外，团队还能够创建自定义报告。
仅当以项目的大范围上下文查看数据时，才能够精确地报告项目状态。
这些优点也是此次毕业设计选用此开发工具的主要原因。
1.4论文组织结构
全文共由四部分组成：
第一章绪论
简述了C语言的发展以及一般编译器的工作原理，并介绍了本系统开发的主要平台和工具及其特点。
第二章C语言词法分析器的总体分析与设计
简单的介绍了系统的设计目标及系统要实现的功能。
简单的介绍了几个要实现的编译步骤的概念和要完成的任务。
第三章系统的详细设计
介绍了系统的基本流程，各个模块的设计思想和核心代码部分。
第四章系统原型的测试
对原型系统进行了测试。
2C语言词法分析器的总体分析与设计
2.1系统设计目标与功能分析
本系统的设计同标是完成一个小型的C语言编译器，由于要完成一个完美的C语言编译器是一件非常复杂的事情，不仅要考虑C语言代码的各种灵活用法，还需要熟悉生成目标代码和生成解析可执行文件的原理，甚至是汇编语言。
所以本系统只完成整个编译过程中的词法分析、语法分析、语义分析以及其中的建立符号表和类型检查几个步骤，并不生成最后的可执行文件。
另外，本系统包含一个简单易用的用户界面部分，可以进行C语言代码的编写、打开、保存等功能，并且代码视图釆用的是关键字高亮显示技术，使代码的阅读更加直观。
而在编译过程中，下部的输出窗门实时显示编译过程中发现的错误等信息，最后显示编译结果。
下面分别概括介绍编译过程中的这几个阶段。
2.2词法分析
词法分析程序又称扫描器，它是编译过程的第一个阶段。
其主要任务是从左到右依次描述字符中形式的源程序的各个字符，逐个识别出其中的单词，并将其转换成为内部编码形式的单词符号串输出，用于进行语法分析。
通常可釆用二元式（CLASS,VALUE）来表示一个单词符号的内部编码，其中CLASS为一整数码，用于表示该单词的类别；VALUE则是单词之值（如变量名在符号表中的序号，常数的二进制表示，以及运算符和分隔符的编码，等等。
概括的说，扫描器在其工作过程中，一般应完成下列的任务：
（1）识别出源程序中的各个单词符号，并将其转换成内部编码形式；
（2）删除无用的空白字符、回车字符以及其他非实质性字符；
（3）删除注释；
（4）进行词法检查，报告所发现的错误。
此外，视编译工作流程的组织，一些编译程序在进行词法分析时，还要完成将所识别出的标志符登录到符号表的工作。
从功能上看，词法分析上把字符币形式的源程序转换为单词形式，然后进行语法分析。
从工作方式上看，与语法分析之间存在两种接口方式。
一种方式是将词法分析的输出结果存放在一个中间文件上，后面的语法分析程序将它作为输入进行语法分析。
另一种方式是将词法分析编成一个子程序，该子程序由语法分析程序调用，当语法分析程序需要一个新的单词时，就调用该子程序，每调用一次，则从源程序字符中中读出一个具有独立意义的单词。
本设计釆用前一种方式。
2.3语法分析
语法分析程序又称分析器，它以单词串形式的源程序作为输入或分析的对象，其基本任务是：
报据程序设计语言的语法规则（即定义该语言的前后无关文法〕，分析源程序的语法结构，即分析如何由这些单词组成该源程序的各种语法成分〔如下标变量、函数、各种表达式、各种程序语句等〕，并在分析过程中进行语法正确性检查，产生内部形式的中间代码，供编译程序后续阶段处理。
目前，已存在多种语法分析方面的方法，但就产生语法树的方向而言，可大致把它们分为自顶向下分析和自底向上分析两大类。
2.3.1自顶向下的语法分析
所谓自顶向下的语法分析，只指对于给定输入串w,试图为其构造一个从文法开始符号S到W的最左推导S=>W或为自上而下地构造一棵S为报结点的语法树。
如果这一尝试得到成功，则证明w是相应文法的一个句子；反之，则不是。
在进行自顶向下的语法分析时，通常有两个障碍须加以解决：
（1）由于釆取了最左推导，故当相应文法G中含有左递归的非终结符号时，便会使语法分析过程陷入循环不已的状态；
（2）采用最左推导以实现对符号串双的匹配，实际上是一个用文法产生式的诸候选式反复进行试探的过程，这势必会出现大量的回溯，从而导致语法分析效率的大幅度下降。
因此，欲实现自顶向下的语法分析，其首要任务是改造程序设计语言的文法，使得文法无左递归且无左公因子，以消除其中的左递归和避免回溯的出现。
2.3.2自底向上的语法分析
所谓自底向上的语法分析，是指从给定的输入串w=a1a2…出发，试图利用相应文法中的产生式，逐步将其归纳为文法的开始符号S,即从叶结点a1，a2,…an出发，试图逐步向上构造一个语法树，而其报结点恰好为S0由于上述分析过程通常釆用的是最左归纳，所以实现此种语法分析的关键，是在分析的每一步，如何寻找或确定当前句型的句柄，以及确定将其归纳为什么非终结符号。
在自顶向下的分析过程一样，实现自底向上的分析，通常也须使用一个分析栈来存放分析过程中所得的文法符号。
分析开始时，在栈底放置一个界符#，然后将输入符号逐个推入栈内，一旦在分析栈的栈顶出现句柄，就用相应的产生式的左部去替换这个句柄，即进行一次归纳。
由于归纳，便得到了新的桟顶，此时再查看桟的顶部是否形成新的句柄：
若是，再进行归纳；反之，则继续将后续的输入符号移入栈内，并重复上述过程。
若最终能将全部输入符号〔不包括右界符#〕移掉，且分析桟中只留下栈底符号#及最后一步归纳所得的文法开始符号，则表明对输入串的分析已经成功。
但若全部输入符号已被移掉，而分析栈却不能出现上述格局，则表明输入符号串不是文法的一个句子，其中必定存在语法错误。
通常将上述过程称为“移进-归纳”分析，它是最基本的自底叫上分析过程。
在此基础上，根据寻找句柄策略的不同，便形成了不同的自底向上的语法分析方法。
2.4语义分析
在完成了上述过程后编译程序将源程序变成一种内部表示形式，这种内部表示形式就叫做中间代码或中间语言，它是一种结构简单、含义明确的记号系统。
有些快速编译程序几乎没有中间代码，但是为了使目标代码的优化比较容易实现，独立于机器进行，许多编译程序都采用了某种复杂性程度介于源程序语言和机器语言之间的中间语言。
2.5符号表
符号表的信息栏中登记了每个名字的有关性质，如类型（整、实或布尔等〕、种属（简单变量、数组、过程等〕、大小（长度，即所需的存储单元字数）以及相对数（指分配给该名字的存储单元的相对地址）。
不同的程序语言对于名字性质的定义各有不同。
现今多数程序语言中的名字或者是用说明语句规定其性质，或者采用某种隐含约定（如FORTRAN中凡以字符I，J，…N开头的标识符代表整型变量名〕。
有些程序语言，如ADL没有说明语句也没有隐含约定，因此，符号表的性质须到目标程序运行时才能确定下来。
但编译时登记在符号表中的各名字的性质只能来自说明语句（包括隐含约定和标号定义〕或其它引用情形。
对于变量名、数组名和过程名而言，它们的信息栏中一般要求有下列信息：
种属（简单变量、数组或记录结构等）；
长度（所需的存储单元数）；
相对数（存储单元相对地址）；
若为数组，则记录其内情向量）；
若为记录结构，则把它与其分量按某种形式联系起来；
形式参数标志；
若在COMMON或EQUVALENCE语句中（FORTRAN语言），把它和有关名字连接在一起；它是否已处理过（即标志位“定义否”）；
是否对这个变量进行过赋值（包括出现在输人名表中）的标志位；
过程是否为程序的外部过程；
若为函数，类型是什么；
其说明是否处理过；
是否递归；
形式参数是些什么；
为了与实参进行比较，必须把它们的种属、类型信息间过程名联系在一起。
对于那些只使图单一符号表的简单语言，对符号表填入新项的工作可由词法分析程序来完成。
也就是，当扫描器碰到一个标识符时就对它查填符号表，然后回送它在符号表中的位置作为单词值。
但在某些语言中，甚至在同一过程段里允许不同一标识符标识各种不同对象。
例如，XYZ既是一个实变量名又是一个标号名，或者又是某个结构型数据的一个分量名。
在这种情况下，使用单一符号表或由词法分析程序负责查填符号表都是非常不方便的。
因此，釆用多种符号表并让语法——语义分析程序负责查填工作是比较妥当的。
对于词法分析程序来说，只要求它凡碰到标识符就直接送出此标识符自身即可。
符号表中信息栏的具体组织和安排取决于所翻译的具体语言与目标机器（的字长和指令系统〕。
2.6类型检查
为了进行类型检査，编译器需要给源程序的每一个组成成分赋予一个类型表达式。
然后，编译器需要确定这些类型表达式是否满足一组逻辑规则。
这些规则被称为源语言的类型系统。
类型检查具有发现程序中的错误的功能。
原则上，如果目标代码在保存元素值的同时保存了元素类型的信息，任何检查都可以动态地进行。
一个健全的类型系统可以消除对动态类型检查的需要，因为它可以帮助我们静态地确定这些错误不会在程序运行的时候发生。
如果编译器可以保证它接受的程序在运行时刻不会发生类型错误，那么该语言的这个实现就被称为强类型的。
3系统详细设计
3.1系统设计基本思路
基于C语言源程序分析器的开发在可行性分析的基础上进一步全面、深入的分析，弄清C语言的编译原理及运行状况，在编译程序工作的五个阶段中，每个阶段都必须遵从功能等价的原则。
词法规则与语法分析阶段依据的语法规则一同构成了一个语言的语法,而语法则是从"形”的角度衡量一个程序是否合法。
所以在词法分析阶段，词法规则成为重要的研究对象。
词法分析器所处理的对象即词法分析程序的输入数据,实际上是源程序经过编译预处理,去掉多余的符号后而形成的代码,这样给词法分析带来方便。
词法分析的过程是线性的从头至尾扫描一遍,复杂度较低,易实现。
最后概括出要实现的几个功能流程图如下：
图1功能流程图
3.2词法分析模块设计
词法分析程序需要完成的任务如下：
1识别出源程序的各个语法单位；
2剔除无用的空白字符、制表符、回车字符以及其他与输入介质相关的非实质性字符；
3过滤掉源程序中的注释；
4进行词法检查，如果出现错误，记录出错信总并报告。
我们将编译程序的重点放在中间代码生成阶段。
词法分析器的功能是输入源程序，输出单词符号。
这部分程序主要包括两个类：
ClassCTlkenizer
从一个字符串中（这个把一个文件看作是一个字符串，MFC中Cfile->CString）分离出一个一个token，配上简单的类型通过NextToken（）返回：
#defineTT_EOL'\n'
#defineTT_EOF-1
#defineTT_INTEGER-2
#defineTT_REAL-3
#defineTT_WORD-4
#defineTT_STRING’’’’
#defineTT_CHAR’\’’
得到具体的token类型，定义TokenType如下：
enumTokenType
{
//reservedKeyword
_AUTO,_DOUBLE,_INT,_STRUCT,
_BREAK,_ELSE,_LONG,_SWITCH,
_CA
升级会员 