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如何实现Python中的递归下降解析器?

1.算术运算表达式求值要解析这类文本,需要另外一种特定的语法规则。我们这里介绍可以表示上下文无关文法(contextfreegrammer)的语法规则巴科斯范式(BNF)和扩展巴科斯范式(EBNF)。实际上,小到一个算术运算表达式,大到几乎所有程序设计语言,都是通过上下文无关文法来定义的。对于简单的算术运算表达式,假定我们已经用分词技术将其转化为输入的tokens流,如NUM+NUM*NUM(分词方法参见上一篇博文)。在此基础上,我们定义BNF规则定义如下:expr::=expr+term|expr-te

本文目录

      1. 算术运算表达式求值

      要解析这类文本,需要另外一种特定的语法规则。我们这里介绍可以表示上下文无关文法(context free grammer)的语法规则巴科斯范式(BNF)和扩展巴科斯范式(EBNF)。实际上,小到一个算术运算表达式,大到几乎所有程序设计语言,都是通过上下文无关文法来定义的。

      对于简单的算术运算表达式,假定我们已经用分词技术将其转化为输入的tokens流,如NUM+NUM*NUM(分词方法参见上一篇博文)。

      在此基础上,我们定义BNF规则定义如下:

      expr ::= expr + term
           | expr - term 
           | term
      term ::= term * factor
           | term / factor
           | factor
      factor ::= (expr)
           | NUM

      当然,这种计法还不够简洁明了,我们实际采用的为EBNF形式:

      expr ::= term { (+|-) term }*
      term ::= factor { (*|/) factor }*
      factor ::= (expr) 
             | NUM

      BNF和EBNF每一条规则(形如::=的式子)都可以看做是一种替换,即左侧的符号可以被右侧的符号所替换。而解析的过程中我们尝试将输入文本同语法规则做匹配,通过BNF/EBNF来完成各种替换和扩展。其中,EBNF中包含在{...}*中的规则是可选的,*意味着零个或多个重复项(参考正则表达式)。

      下图形象地展示了递归下降解析器(parser)中“递归”和“下降”部分和ENBF的关系:

      如何实现Python中的递归下降解析器?

      在实际的解析过程中,我们对tokens流从左到右进行扫描,在扫描的过程中处理token,如果卡住就产生一个语法错误。对于规则,我们将每一条语法规则转变为一个函数或方法,比如上面的ENBF规则就转换为下列的方法:

      class ExpressionEvaluator():
          ...
          def expr(self):
              ...
          def term(self):
              ...
          def factor(self):
              ...

      在调用某个规则对应方法的过程中,如果我们发现接下来的符号需要采用另一个规则来匹配,则我们就会“下降”到另一个规则方法(如在expr中调用term,term中调用factor),则也就是递归下降中“下降”的部分。

      有时也会调用已经在执行的方法(比如在expr中调用term,term中调用factor后,又在factor中调用expr,相当于一条衔尾蛇),这也就是递归下降中“递归”的部分。

      对于语法中出现的重复部分(例如expr ::= term { (+|-) term }*),我们则通过while循环来实现。

      下面我们来看具体的代码实现。首先是分词部分,我们参照上一篇介绍分词博客的代码。

      import re
      import collections
      
      # 定义匹配token的模式
      NUM = r'(?P\d+)'  # \d表示匹配数字,+表示任意长度
      PLUS = r'(?P\+)'  # 注意转义
      MINUS = r'(?P-)'
      TIMES = r'(?P\*)'  # 注意转义
      DIVIDE = r'(?P/)'
      LPAREN = r'(?P\()'  # 注意转义
      RPAREN = r'(?P\))'  # 注意转义
      WS = r'(?P\s+)'  # 别忘记空格,\s表示空格,+表示任意长度
      
      master_pat = re.compile(
          '|'.join([NUM, PLUS, MINUS, TIMES, DIVIDE, LPAREN, RPAREN, WS]))
      
      # Tokenizer
      Token = collections.namedtuple('Token', ['type', 'value'])
      
      
      def generate_tokens(text):
          scanner = master_pat.scanner(text)
          for m in iter(scanner.match, None):
              tok = Token(m.lastgroup, m.group())
              if tok.type != 'WS':  # 过滤掉空格符
                  yield tok

      下面是表达式求值器的具体实现:

      class ExpressionEvaluator():
          """ 递归下降的Parser实现,每个语法规则都对应一个方法,
          使用 ._accept()方法来测试并接受当前处理的token,不匹配不报错,
          使用 ._except()方法来测试当前处理的token,并在不匹配的时候抛出语法错误
          """
      
          def parse(self, text):
              """ 对外调用的接口 """
              self.tokens = generate_tokens(text)
              self.tok, self.next_tok = None, None  # 已匹配的最后一个token,下一个即将匹配的token
              self._next()  # 转到下一个token
              return self.expr()  # 开始递归
      
          def _next(self):
              """ 转到下一个token """
              self.tok, self.next_tok = self.next_tok, next(self.tokens, None)
      
          def _accept(self, tok_type):
              """ 如果下一个token与tok_type匹配,则转到下一个token """
              if self.next_tok and self.next_tok.type == tok_type:
                  self._next()
                  return True
              else:
                  return False
      
          def _except(self, tok_type):
              """ 检查是否匹配,如果不匹配则抛出异常 """
              if not self._accept(tok_type):
                  raise SyntaxError("Excepted"+tok_type)
      
          # 接下来是语法规则,每个语法规则对应一个方法
          
          def expr(self):
              """ 对应规则: expression ::= term { ('+'|'-') term }* """
              exprval = self.term() # 取第一项
              while self._accept("PLUS") or self._accept("DIVIDE"): # 如果下一项是"+"或"-"
                  op = self.tok.type 
                  # 再取下一项,即运算符右值
                  right = self.term() 
                  if op == "PLUS":
                      exprval += right
                  elif op == "MINUS":
                      exprval -= right
              return exprval
                  
          def term(self):
              """ 对应规则: term ::= factor { ('*'|'/') factor }* """
              
              termval = self.factor() # 取第一项
              while self._accept("TIMES") or self._accept("DIVIDE"): # 如果下一项是"+"或"-"
                  op = self.tok.type 
                  # 再取下一项,即运算符右值
                  right = self.factor() 
                  if op == "TIMES":
                      termval *= right
                  elif op == "DIVIDE":
                      termval /= right
              return termval          
                  
              
          def factor(self):
              """ 对应规则: factor ::= NUM | ( expr ) """
              if self._accept("NUM"): # 递归出口
                  return int(self.tok.value)
              elif self._accept("LPAREN"):
                  exprval = self.expr() # 继续递归下去求表达式值
                  self._except("RPAREN") # 别忘记检查是否有右括号,没有则抛出异常
                  return exprval
              else:
                  raise SyntaxError("Expected NUMBER or LPAREN")

      我们输入以下表达式进行测试:

      e = ExpressionEvaluator()
      print(e.parse("2"))
      print(e.parse("2+3"))
      print(e.parse("2+3*4"))
      print(e.parse("2+(3+4)*5"))

      求值结果如下:

      2
      5
      14
      37

      如果我们输入的文本不符合语法规则:

      print(e.parse("2 + (3 + * 4)"))

      则会抛出SyntaxError异常:Expected NUMBER or LPAREN。
      综上,可见我们的表达式求值算法运行正确。

      2. 生成表达式树

      上面我们是得到表达式的结果,但是如果我们想分析表达式的结构,生成一棵简单的表达式解析树呢?那么我们需要对上述类的方法做一定修改:

      class ExpressionTreeBuilder(ExpressionEvaluator):
          def expr(self):
                  """ 对应规则: expression ::= term { ('+'|'-') term }* """
                  exprval = self.term() # 取第一项
                  while self._accept("PLUS") or self._accept("DIVIDE"): # 如果下一项是"+"或"-"
                      op = self.tok.type 
                      # 再取下一项,即运算符右值
                      right = self.term() 
                      if op == "PLUS":
                          exprval = ('+', exprval, right)
                      elif op == "MINUS":
                          exprval -= ('-', exprval, right)
                  return exprval
          
          def term(self):
              """ 对应规则: term ::= factor { ('*'|'/') factor }* """
              
              termval = self.factor() # 取第一项
              while self._accept("TIMES") or self._accept("DIVIDE"): # 如果下一项是"+"或"-"
                  op = self.tok.type 
                  # 再取下一项,即运算符右值
                  right = self.factor() 
                  if op == "TIMES":
                      termval = ('*', termval, right)
                  elif op == "DIVIDE":
                      termval = ('/', termval, right)
              return termval          
          
          def factor(self):
              """ 对应规则: factor ::= NUM | ( expr ) """
              if self._accept("NUM"): # 递归出口
                  return int(self.tok.value) # 字符串转整形
              elif self._accept("LPAREN"):
                  exprval = self.expr() # 继续递归下去求表达式值
                  self._except("RPAREN") # 别忘记检查是否有右括号,没有则抛出异常
                  return exprval
              else:
                  raise SyntaxError("Expected NUMBER or LPAREN")

      输入下列表达式测试一下:

      print(e.parse("2+3"))
      print(e.parse("2+3*4"))
      print(e.parse("2+(3+4)*5"))
      print(e.parse('2+3+4'))

      以下是生成结果:

      ('+', 2, 3)
      ('+', 2, ('*', 3, 4))
      ('+', 2, ('*', ('+', 3, 4), 5))
      ('+', ('+', 2, 3), 4)

      可以看到表达式树生成正确。

      我们上面的这个例子非常简单,但递归下降的解析器也可以用来实现相当复杂的解析器,例如Python代码就是通过一个递归下降解析器解析的。您要是对此跟感兴趣可以检查Python源码中的Grammar文件来一探究竟。然而,下面我们接着会看到,自己动手写一个解析器会面对各种陷阱和挑战。

      左递归和运算符优先级陷阱

      任何涉及左递归形式的语法规则,都没法用递归下降parser来解决。所谓左递归,即规则式子右侧最左边的符号是规则头,比如对于以下规则:

      items ::= items ',' item 
            | item

      完成该解析你可能会定义以下方法:

      def items(self):
          itemsval = self.items() # 取第一项,然而此处会无穷递归!
          if itemsval and self._accept(','):
              itemsval.append(self.item())
          else:
              itemsval = [self.item()]

      这样做会在第一行就无穷地调用self.items()从而产生无穷递归错误。

      还有一种是语法规则自身的错误,比如运算符优先级。我们如果忽视运算符优先级直接将表达式简化如下:

      expr ::= factor { ('+'|'-'|'*'|'/') factor }*
      factor ::= '(' expr ')'
             | NUM

      PYTHON 复制 全屏

      这个语法从技术上可以实现,但是没有遵守计算顺序约定,导致"3+4*5"的运算结果为35,而不是预期的23。故此处需要用独立的expr和term规则来确保计算结果的正确性。

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