使用Python编写一个最基础的代码解释器的要点解析

一直以来都对编译器和解析器有着很大的兴趣，也很清楚一个编译器的概念和整体的框架，但是对于细节部分却不是很了解。我们编写的程序源代码实际上就是一串字符序列，编译器或者解释器可以直接理解并执行这个字符序列，这看起来实在是太奇妙了。本文会用Python实现一个简单的解析器，用于解释一种小的列表操作语言（类似于python的list）。其实编译器、解释器并不神秘，只要对基本的理论理解之后，实现起来也比较简单（当然，一个产品级的编译器或解释器还是很复杂的）。
这种列表语言支持的操作：

veca = [1, 2, 3]  # 列表声明
vecb = [4, 5, 6]
print 'veca:', veca   # 打印字符串、列表，print expr+
print 'veca * 2:', veca * 2   # 列表与整数乘法
print 'veca + 2:', veca + 2   # 列表与整数加法
print 'veca + vecb:', veca + vecb  # 列表加法
print 'veca + [11, 12]:', veca + [11, 12]  
print 'veca * vecb:', veca * vecb  # 列表乘法
print 'veca:', veca
print 'vecb:', vecb

对应输出：

veca: [1, 2, 3]
veca * 2: [2, 4, 6]
veca + 2: [1, 2, 3, 2]
veca + vecb: [1, 2, 3, 2, 4, 5, 6]
veca + [11, 12]: [1, 2, 3, 2, 11, 12]
veca * vecb: [4, 5, 6, 8, 10, 12, 12, 15, 18, 8, 10, 12]
veca: [1, 2, 3, 2]
vecb: [4, 5, 6]

编译器和解释器在处理输入字符流时，基本上和人理解句子的方式是一致的。比如：

I love you.

如果初学英语，首先需要知道各个单词的意思，然后分析各个单词的词性，符合主-谓-宾的结构，这样才能理解这句话的意思。这句话就是一个字符序列，按照词法划分就得到了一个词法单元流，实际上这就是词法分析，完成从字符流到词法单元流的转化。分析词性，确定主谓宾结构，是按照英语的语法识别出这个结构，这就是语法分析，根据输入的词法单元流识别出语法解析树。最后，再结合单词的意思和语法结构最后得出这句话的意思，这就是语义分析。编译器和解释器处理过程类似，但是要略微复杂一些，这里只关注解释器：

我们只是实现一个很简单的小语言，所以不涉及到语法树的生成，以及后续复杂的语义分析。下面我就来看看词法分析和语法分析。
词法分析和语法分析分别由词法解析器和语法解析器完成。这两种解析器具有类似的结构和功能，它们都是以一个输入序列为输入，然后识别出特定的结构。词法解析器从源代码字符流中解析出一个一个的token（词法单元），而语法解析器识别出子结构和词法单元，然后进行一些处理。可以通过LL(1)递归下降解析器实现这两种解析器，这类解析器完成的步骤是：预测子句的类型，调用解析函数匹配该子结构、匹配词法单元，然后按照需要插入代码，执行自定义操作。
这里对LL(1)做简要介绍，语句的结构通常用树型结构表示，称为解析树，LL(1)做语法解析就依赖于解析树。比如：x = x +2;

在这棵树中，像x、=和2这样的叶节点，称为终结节点，其他的叫做非终结节点。LL(1)解析时，不需要创建具体的树型数据结构，可以为每个非终结节点编写解析函数，在遇到相应节点时进行调用，这样就可以通过解析函数的调用序列中（相当于树的遍历）获得解析树的信息。在LL(1)解析时，是按照从根节点到叶节点的顺序执行的，所以这是一个“下降”的过程，而解析函数又可以调用自身，所以是“递归”的，因此LL(1)又叫做递归下降解析器。
LL(1)中两个L都是left-to-right的意思，第一个L表示解析器按从左到右的顺序解析输入内容，第二个L表示在下降过程中，也是按照从左到右的顺序遍历子节点，而1表示根据1个向前看单元做预测。
下面看一下列表小语言的实现，首先是语言的文法，文法用于描述一个语言，算是解析器的设计说明书。

statlist: stat+
stat: ID '=' expr
 | 'print' expr (, expr)*
expr: multipart ('+' multipart)*
 | STR
multipart: primary ('*' primary)*
primary: INT
 | ID
 | '[' expr (',', expr)* ']'
INT: (1..9)(0..9)*
ID: (a..z | A..Z)*
STR: (\".*\") | (\'.*\')

这是用DSL描述的文法，其中大部分概念和正则表达式类似。"a|b"表示a或者b，所有以单引号括起的字符串是关键字，比如：print，=等。大写的单词是词法单元。可以看到这个小语言的文法还是很简单的。有很多解析器生成器可以自动根据文法生成对应的解析器，比如：ANTRL，flex，yacc等，这里采用手写解析器主要是为了理解解析器的原理。下面看一下这个小语言的解释器是如何实现的。
首先是词法解析器，完成字符流到token流的转换。采用LL(1)实现，所以使用1个向前看字符预测匹配的token。对于像INT、ID这样由多个字符组成的词法规则，解析器有一个与之对应的方法。由于语法解析器并不关心空白字符，所以词法解析器在遇到空白字符时直接忽略掉。每个token都有两个属性类型和值，比如整型、标识符类型等，对于整型类型它的值就是该整数。语法解析器需要根据token的类型进行预测，所以词法解析必须返回类型信息。语法解析器以iterator的方式获取token，所以词法解析器实现了next_token方法，以元组方式(type, value)返回下一个token，在没有token的情况时返回EOF。
 

'''''
A simple lexer of a small vector language.

statlist: stat+
stat: ID '=' expr
 | 'print' expr (, expr)*
expr: multipart ('+' multipart)*
 | STR
multipart: primary ('*' primary)*
primary: INT
 | ID
 | '[' expr (',', expr)* ']'
INT: (1..9)(0..9)*
ID: (a..z | A..Z)*
STR: (\".*\") | (\'.*\')

Created on 2012-9-26

@author: bjzllou
'''

EOF = -1

# token type
COMMA = 'COMMA'
EQUAL = 'EQUAL'
LBRACK = 'LBRACK'
RBRACK = 'RBRACK'
TIMES = 'TIMES'
ADD = 'ADD'
PRINT = 'print'
ID = 'ID'
INT = 'INT'
STR = 'STR'

class Veclexer:
 '''''
 LL(1) lexer.
 It uses only one lookahead char to determine which is next token.
 For each non-terminal token, it has a rule to handle it.
 LL(1) is a quit weak parser, it isn't appropriate for the grammar which is
 left-recursive or ambiguity. For example, the rule 'T: T r' is left recursive.
 However, it's rather simple and has high performance, and fits simple grammar.
 '''

def __init__(self, input):
   self.input = input

# current index of the input stream.
   self.idx = 1

# lookahead char.
   self.cur_c = input[0]

def next_token(self):
   while self.cur_c != EOF:
     c = self.cur_c

if c.isspace():
       self.consume()
     elif c == '[':
       self.consume()
       return (LBRACK, c)
     elif c == ']':
       self.consume()
       return (RBRACK, c)
     elif c == ',':
       self.consume()
       return (COMMA, c)
     elif c == '=':
       self.consume()
       return (EQUAL, c)
     elif c == '*':
       self.consume()
       return (TIMES, c)
     elif c == '+':
       self.consume()
       return (ADD, c)
     elif c == '\'' or c == '"':
       return self._string()
     elif c.isdigit():
       return self._int()
     elif c.isalpha():
       t = self._print()
       return t if t else self._id()
     else:
       raise Exception('not support token')

return (EOF, 'EOF')

def has_next(self):
   return self.cur_c != EOF    

def _id(self):
   n = self.cur_c
   self.consume()
   while self.cur_c.isalpha():
     n += self.cur_c
     self.consume()

return (ID, n)

def _int(self):
   n = self.cur_c
   self.consume()
   while self.cur_c.isdigit():
     n += self.cur_c
     self.consume()

return (INT, int(n))

def _print(self):
   n = self.input[self.idx - 1 : self.idx + 4]
   if n == 'print':
     self.idx += 4
     self.cur_c = self.input[self.idx]

return (PRINT, n)

return None

def _string(self):
   quotes_type = self.cur_c
   self.consume()
   s = ''
   while self.cur_c != '\n' and self.cur_c != quotes_type:
     s += self.cur_c
     self.consume()
   if self.cur_c != quotes_type:
     raise Exception('string quotes is not matched. excepted ％s' ％ quotes_type)

self.consume()

return (STR, s)

def consume(self):
   if self.idx >= len(self.input):
     self.cur_c = EOF
     return
   self.cur_c = self.input[self.idx]
   self.idx += 1  

if __name__ == '__main__':
 exp = '''''
   veca = [1, 2, 3]
   print 'veca:', veca
   print 'veca * 2:', veca * 2
   print 'veca + 2:', veca + 2
 '''
 lex = Veclexer(exp)
 t = lex.next_token()

while t[0] != EOF:
   print t
   t = lex.next_token()

运行这个程序，可以得到源代码：

veca = [1, 2, 3]
print 'veca:', veca
print 'veca * 2:', veca * 2
print 'veca + 2:', veca + 2

对应的token序列：

('ID', 'veca')
('EQUAL', '=')
('LBRACK', '[')
('INT', 1)
('COMMA', ',')
('INT', 2)
('COMMA', ',')
('INT', 3)
('RBRACK', ']')
('print', 'print')
('STR', 'veca:')
('COMMA', ',')
('ID', 'veca')
('print', 'print')
('STR', 'veca * 2:')
('COMMA', ',')
('ID', 'veca')
('TIMES', '*')
('INT', 2)
('print', 'print')
('STR', 'veca + 2:')
('COMMA', ',')
('ID', 'veca')
('ADD', '+')
('INT', 2)

接下来看一下语法解析器的实现。语法解析器的的输入是token流，根据一个向前看词法单元预测匹配的规则。对于每个遇到的非终结符调用对应的解析函数，而终结符（token）则match掉，如果不匹配则表示有语法错误。由于都是使用的LL(1)，所以和词法解析器类似， 这里不再赘述。

'''''
A simple parser of a small vector language.

statlist: stat+
stat: ID '=' expr
 | 'print' expr (, expr)*
expr: multipart ('+' multipart)*
 | STR
multipart: primary ('*' primary)*
primary: INT
 | ID
 | '[' expr (',', expr)* ']'
INT: (1..9)(0..9)*
ID: (a..z | A..Z)*
STR: (\".*\") | (\'.*\')

example:
veca = [1, 2, 3]
vecb = veca + 4  # vecb: [1, 2, 3, 4]
vecc = veca * 3  # vecc:

Created on 2012-9-26

@author: bjzllou
'''
import veclexer

class Vecparser:
 '''''
 LL(1) parser.
 '''

def __init__(self, lexer):
   self.lexer = lexer

# lookahead token. Based on the lookahead token to choose the parse option.
   self.cur_token = lexer.next_token()

# similar to symbol table, here it's only used to store variables' value
   self.symtab = {}

def statlist(self):
   while self.lexer.has_next():
     self.stat()

def stat(self):
   token_type, token_val = self.cur_token

# Asignment
   if token_type == veclexer.ID:
     self.consume()

# For the terminal token, it only needs to match and consume.
     # If it's not matched, it means that is a syntax error.
     self.match(veclexer.EQUAL)

# Store the value to symbol table.
     self.symtab[token_val] = self.expr()

# print statement
   elif token_type == veclexer.PRINT:
     self.consume()
     v = str(self.expr())
     while self.cur_token[0] == veclexer.COMMA:
       self.match(veclexer.COMMA)
       v += ' ' + str(self.expr())
     print v
   else:
     raise Exception('not support token ％s', token_type)

def expr(self):
   token_type, token_val = self.cur_token
   if token_type == veclexer.STR:
     self.consume()
     return token_val
   else:
     v = self.multipart()
     while self.cur_token[0] == veclexer.ADD:
       self.consume()
       v1 = self.multipart()
       if type(v1) == int:
         v.append(v1)
       elif type(v1) == list:
         v = v + v1

return v      

def multipart(self):
   v = self.primary()
   while self.cur_token[0] == veclexer.TIMES:
     self.consume()
     v1 = self.primary()
     if type(v1) == int:
       v = [x*v1 for x in v]
     elif type(v1) == list:
       v = [x*y for x in v for y in v1]

return v

def primary(self):
   token_type = self.cur_token[0]
   token_val = self.cur_token[1]

# int
   if token_type == veclexer.INT:
     self.consume()
     return token_val

# variables reference
   elif token_type == veclexer.ID:
     self.consume()
     if token_val in self.symtab:
       return self.symtab[token_val]
     else:
       raise Exception('undefined variable ％s' ％ token_val)

# parse list
   elif token_type == veclexer.LBRACK:
     self.match(veclexer.LBRACK)
     v = [self.expr()]
     while self.cur_token[0] == veclexer.COMMA:
       self.match(veclexer.COMMA)
       v.append(self.expr())
     self.match(veclexer.RBRACK)

return v

def consume(self):
   self.cur_token = self.lexer.next_token()

def match(self, token_type):
   if self.cur_token[0] == token_type:
     self.consume()
     return True
   raise Exception('expecting ％s; found ％s' ％ (token_type, self.cur_token[0]))

if __name__ == '__main__':
 prog = '''''
   veca = [1, 2, 3]
   vecb = [4, 5, 6]
   print 'veca:', veca
   print 'veca * 2:', veca * 2
   print 'veca + 2:', veca + 2
   print 'veca + vecb:', veca + vecb
   print 'veca + [11, 12]:', veca + [11, 12]
   print 'veca * vecb:', veca * vecb
   print 'veca:', veca
   print 'vecb:', vecb
 '''
 lex = veclexer.Veclexer(prog)
 parser = Vecparser(lex)
 parser.statlist()

运行代码便会得到之前介绍中的输出内容。这个解释器极其简陋，只实现了基本的表达式操作，所以不需要构建语法树。如果要为列表语言添加控制结构，就必须实现语法树，在语法树的基础上去解释执行。