简易的c语言编译器,实现简易的C语言编译器(part 8)
绕来绕去,千辛万苦,我们终于创建了抽象语法树,完成了对整个源代码结构性的分析,似乎可以喘一口气了。但是,对于下面的代码:
int main()
{
a = 1;
return;
}
可以得到下面的抽象语法树图示:
图6-1. 抽象语法树
但并不代表代码已经没有语法错误了。很明显,因为这里并没有定义变量a,而且函数也没有返回值。针对这样的情况,还需要对代码进行进一步的检查。
在进行检查之前,我们先研究如何遍历这棵树。回顾一下,我们使用AST派生出多种节点来存储各种不同的表达式、声明和语句。比如存储函数定义的节点FunctionDefn:
class FunctionDefn(AST):
"""A node representing a function definition"""
def __init__(self, declaration, body):
self.name = declaration.name
self.type = declaration.type
self.return_type = declaration.type.child
self.body = body
是由多个其它类型的节点组成,并且相互之间存在联系。对访问函数体而言,其实就是访问CompoundStatement节点。而该节点则由更多的声明节点Declaration和具体的语句节点如IfStatement组成。因此,可以从根节点出发,按照节点的具体类型进行逐次地遍历。基于这种方法,我们引入python中的属性函数getattr(),进行如下设计:
修改模板节点
class AST(object):
...
def visit(self, visitor):
return self.dig_visit(self.__class__, visitor)
def dig_visit(self, node, visitor):
"""appending the class' name with 'visit_'"""
method_name = 'visit_' + node.__name__
visitor_method = getattr(visitor, method_name, None)
if visitor_method is None:
# call the class's superclass
bases = node.__bases__
last = None
for child in bases:
last = self.dig_visit(child, visitor)
return last
else:
return visitor_method(self)
我们将从当前节点出发,遍历所有用visit_前缀和具体节点类名组成的定义在visitor中的函数,称之为节点函数,如果没有对应的实现,则会往父类方向遍历,直到模板节点AST为止,因为我们会定义一个模板节点的函数,以阻止遍历往更基类的方向进行。
有了上面遍历抽象语法树的方式,我们将语义分析分成声明检查、流程检查和类型检查三个部分进行分别检查。
6.1 声明检查
简单地说,就是看变量使用之前是否已经被声明。由于C语言允许在不同作用域定义同名变量。因此,这部分检查还需要考虑作用域,其一般用大括号对{}划分。我们先定义一个这样的作用域类:
class ScopedSymbolTable:
"""scoped symbol table for look up"""
def __init__(self, enclosing_scope=None):
self._symbols = {}
self.enclosing_scope = enclosing_scope
# insert symbols
def insert(self, name, value):
"""add symbol with the given value"""
if name in self._symbols:
if not self._symbols[name].type == value.type:
comment = f"Variable '{name}' has declared before."
raise Exception(comment)
self._symbols[name] = value
# look up symbols
def lookup(self, name):
symbol = self._symbols.get(name)
if symbol is not None:
return symbol
# recursively go up the chain and lookup the name
if self.enclosing_scope is not None:
return self.enclosing_scope.lookup(name)
else:
return None
其中,symbols用来存储所有声明的变量,而每一个作用域enclosing_scope都会有自己的_symbols。整个类型检查的逻辑就是:变量在声明的时候,会被插入到当前作用域的_symbols中。当某个变量被使用的时候,则用lookup进行查找,如果不能在当前或者更上一层的作用域范围内找到,则可以判断该变量没有被声明。那么,剩下的任务就是遍历抽象语法树,找到可能存在变量声明和使用的地方。
接下来,我们开始遍历抽象语法树。首先定义如下的类:
class NodeVisitor(object):
def visit(self, node):
return node.visit(self)
def visit_list(self, _list):
"""like NodeList in parser"""
last = None
for child in _list:
last = child.visit(self)
return last
class SymbolTableVisitor(NodeVisitor):
def __init__(self):
self.current_scope = None
def push_table(self, node):
"""push the current_scope into stack and create a child scope"""
self.current_scope = ScopedSymbolTable(
enclosing_scope=self.current_scope
)
def pop_table(self):
"""restore the parent scope"""
self.current_scope = self.current_scope.enclosing_scope
基类NodeVisitor的引入有助于我们调用getattr()获取当前的visit_函数。同时,我们使用push和pop方法来保护当前父作用域,同时创建出新的子作用域。例如,CompoundStatement节点中会引入大括号,从而将引入新的作用域,因此访问这个节点函数时,我们需要先将当前作用域压入栈,创建新的作用域,然后访问组成它的节点,访问完毕再从栈中弹出父作用域,这样就有效地保护了不同作用域声明的变量。
考虑这部分最开头的源代码,我们在SymbolTableVisitor中定义所关心的可能会包含变量的节点函数:
def visit_AST(self, node):
pass
"""root"""
def visit_TranslationUnit(self, node):
"""the entry of the file"""
self.current_scope = ScopedSymbolTable(
enclosing_scope=self.current_scope
)
self.visit_NodeList(node)
node.scope_symbol = self.current_scope
"""for all list derived from NodeList, eg. DeclarationList."""
def visit_NodeList(self, node):
self.visit_list(node.nodes)
"""expressions"""
def visit_BinOp(self, node):
node.left.visit(self)
node.right.visit(self)
"""functions"""
def visit_FunctionDefn(self, node):
self.add_symbol(node)
self.push_table(node)
node.body.visit(self)
self.pop_table()
"""statements"""
def visit_CompoundStatement(self, node):
self.push_table(node)
node.declarations.visit(self)
node.statements.visit(self)
self.pop_table()
def visit_ExpressionStatement(self, node):
node.expr.visit(self)
def visit_ReturnStatement(self, node):
node.expr.visit(self)
上面函数名前缀为visit_的即为节点函数。从visit_TranslationUnit进入,通过visit函数,我们会遍历以下的节点函数:
visit_TranslationUnit -> visit_FunctionDefn->visit_CompoundStatement\
->visit_ExpressionStatement->visit_BinOp->visit_AST
那么,我们如何判断变量是否使用之前已经声明了呢?
def visit_Id(self, node):
symbol = self.current_scope.lookup(node.expr)
if symbol is None:
comment = f"Identifier '{node.expr}' not found."
raise Exception(comment)
由于所有的变量都用节点Id存储,访问BinOp之后将访问Id,从而检查出对应的问题。如果对源代码进行修改如果,在最上面添加:
int a;
那么,我们遍历到声明节点,并通过visit_Declaration插入变量:
"""declarations"""
def visit_Declaration(self, node):
self.current_scope.insert(node.name, node)
当再次经由BinOp访问Id时,就能够找到对应的已经声明的变量了。
但是,我们研究的这段源代码中还有一个问题尚未解决:返回值检查。这部分内容,将在下一部分的流程检查中进行。
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