Джек Креншоу - Давайте создадим компилятор!

Некоторое время назад мы реализовали синтаксические уравнения БНФ для арифметических выражений фактически даже не записав их все в одном месте. Пришло время сделать это. Вот они:

::= [ ]*

::= [ factor]*

::= | | ( )

(Запомните, преимущества этой грамматики в том, что она осуществляет такую иерархию приоритетов операторов, которую мы обычно ожидаем для алгебры.)

На самом деле, пока мы говорим об этом, я хотел бы прямо сейчас немного исправить эту грамматику. Способ, которым мы обрабатываем унарный минус, немного неудобный. Я нашел, что лучше записать грамматику таким образом:

::= [ ]*

::= [ factor]*

::= []

::= | | ()

Это возлагает обработку унарного минуса на Factor, которому он в действительности и принадлежит.

Это не означает, что вы должны возвратиться назад и переписать программы, которые вы уже написали, хотя вы свободны сделать так, если хотите. Но с этого момента я буду использовать новый синтаксис.

Теперь, возможно, для вас не будет ударом узнать, что мы можем определить аналогичную грамматику для булевой алгебры. Типичный набор правил такой:

::= [ ]*

::= [AND ]*

::= [NOT]

::= | | ()

Заметьте, что в этой грамматике оператор AND аналогичен "*", а OR (и исключающее OR) – "+". Оператор NOT аналогичен унарному минусу. Эта иерархия не является абсолютным стандартом... некоторые языки, особенно Ada, обрабатывают все логические операторы как имеющие одинаковый уровень приоритета... но это кажется естественным.

Обратите также внимание на небольшое различие способов, которыми обрабатываются NOT и унарный минус. В алгебре унарный минус считается идущим со всем термом и поэтому никогда не появляется более одного раза в данном терме. Поэтому выражение вида:

a * -b

или еще хуже:

a – -b

не разрешены. В булевой алгебре наоборот, выражение

a AND NOT b

имеет точный смысл и показанный синтаксис учитывает это.

Итак, предполагая что вы захотите принять грамматику, которую я показал здесь, мы теперь имеем синтаксические правила и для арифметики и для булевой алгебры. Сложность возникает когда мы должны объединить их. Почему мы должны сделать это? Ну, эта тема возникла из-за необходимости обрабатывать «предикаты» (условия), связанные с управляющими операторами такими как IF. Предикат должен иметь логическое значение, то есть он должен быть оценен как TRUE или FALSE. Затем ветвление выполняется или не выполняется в зависимости от этого значения. Тогда то, что мы ожидаем увидеть происходящим в процедуре Condition, будет вычисление булевого выражения.

Но имеется кое-что еще. Настоящее булево выражение может действительно быть предикатом управляющего оператора... подобно:

IF a AND NOT b THEN ....

Но более часто мы видим, что булева алгебра появляется в таком виде:

IF (x >= 0) and (x <= 100) THEN...

Здесь два условия в скобках являются булевыми выражениями, но индивидуальные сравниваемые термы: x, 0 и 100 являются числовыми по своей природе. Операторы отношений >= и <= являются катализаторами, с помощью которых булевские и арифметические компоненты объединяются вместе.

Теперь, в примере выше сравниваемые термы являются просто термами. Однако, в общем случае, каждая сторона может быть математическим выражением. Поэтому мы можем определить отношение как:

::= ,

где выражения, о которых мы говорим здесь – старого числового типа, а операторы отношений это любой из обычных символов:

=, <> (или !=), <, >, <= и >=

Если вы подумаете об этом немного, то согласитесь, что так как этот вид предиката имеет логическое значение, TRUE или FALSE, это в действительности просто еще один вид показателя. Поэтому мы можем расширить определение булевого показателя следующим образом:

::=

|

| ()

|

Вот эта связь! Операторы отношений и отношения, которые они определяют, служат для объединения двух типов алгебры. Нужно заметить, что это подразумевает иерархию, в которой арифметическое выражение имеет более высокий приоритет, чем булевский показатель и, следовательно, чем все булевы операторы. Если вы выпишите уровни приоритета для всех операторов, вы прийдете к следующему списку:

Уровень Синтаксический элемент Оператор

0 factor literal, variable

1 signed factor unary minus

2 term *, /

3 expression +, -

4 b-factor literal, variable, relop

5 not-factor NOT

6 b-term AND

7 b-expression OR, XOR

Если мы захотим принять столько уровней приоритета, эта грамматика кажется приемлемой. К несчастью, она не будет работать! Грамматика может быть великолепной в теории, но она может совсем не иметь смысла в практике нисходящего синтаксического анализатора. Чтобы увидеть проблему рассмотрите следующий фрагмент кода:

IF ((((((A + B + C) < 0 ) AND....

Когда синтаксический анализатор анализирует этот код он знает, что после того, как он рассмотрит токен IF следующим должно быть булево выражение. Поэтому он может приступить к началу вычисления такого выражения. Но первое выражение в примере является арифметическим выражением A + B + C. Хуже того, в точке, в которой анализатор прочитал значительную часть входной строки:

IF ((((((A ,

он все еще не имеет способа узнать с каким видом выражения он имеет дело. Так не пойдет, потому что мы должны иметь две различных программы распознавания для этих двух случаев. Ситуация может быть обработана без изменения наших определений но только если мы захотим принять произвольное количество возвратов (backtracking) чтобы избавить наш путь от неверных предположений. Ни один из создателей компиляторов в здравом уме не согласился бы на это.

Происходит то, что красота и элегантность грамматики БНФ столкнулась лицом к лицу с реальностью технологии компиляции.

Чтобы работать с этой ситуацией создатели компиляторов должны идти на компромиссы, так чтобы один анализатор мог бы поддерживать грамматику без возвратов.

Проблема, с которой мы столкнулись, возникает потому, что наше определение и арифметических и булевых показателей позволяет использовать выражения в скобках. Так как определения рекурсивны, мы можем закончить с любым числом уровней скобок и синтаксический анализатор не может знать с каким видом выражения он имеет дело.

Решение просто, хотя и приводит к глубоким изменениям нашей грамматики. Мы можем разрешить круглые скобки только в одном виде показателей. Способ сделать это значительно изменяется от языка к языку. Это то место, где не существует соглашения или договора способного нам помочь.

Когда Никлаус Вирт разработал Паскаль, его желанием было ограничить количество уровней приоритета (меньше подпрограмм синтаксического анализа, в конце концов). Так операторы OR и исключающее OR рассматриваются просто как Addop и обрабатываются на уровне математического выражения. Аналогично AND рассматривается подобно Mulop и обрабатывается с Term. Уровни приоритета: