语义分析器

重庆大学课程设计报告课程设计题目：简单编译器的设计与实现

学院：计算机学院

专业班级：计算机科学与技术2班

年级：2010级

姓名：唐允恒，张楠

学号：20105208，20105333

完成时间：2013 年 6 月12 日成绩：

指导教师：张敏

重庆大学教务处制

指导教师评定成绩：

指导教师签名：年月日

指导教师评定成绩：

指导教师签名：年月日

重庆大学本科学生课程设计任务书

简单编译器设计与实现

目录

（一）目录 (1)

（二）简单编译器分析与设计 (2)

(1)简单编译器需求分析 (3)

(2)词法分析器的设计 (3)

1.词法表设计 (3)

2.token串取法简单流程图 (3)

(3)语法分析器的设计 (4)

1.算符优先文法设计 (4)

2.符号优先表 (6)

(4)语义分析器的设计 (6)

1.简单四元式分析 (6)

2.简单四元式的实现 (6)

（三）关键代码以及算法 (7)

(1)词法分析器的关键算法 (7)

(2)语法分析器的关键算法 (7)

(3)四元产生式的关键算法 (8)

（四）系统测试 (9)

(1)用例测试 (9)

(2)差错处理 (10)

(3)设计自我评价 (10)

（五）运行效果 (11)

（六）总结 (13)

简单编译器分析与设计

简单编译器需求分析

编写目的

《编译原理》是一门实践性较强的软件基础课程，为了学好这门课程，必须在掌握理论知识的同时，加强上机实践。本课程设计的目的就是要达到理论与实际应用相结合，使同学们能够根据编译程序的一般原理和基本方法，通过具体语言的编译程序的编写，掌握编译程序的主要实现技术，并养成良好的程序设计技能。

设计背景

此项目是开发一个C++语言编辑器，完成编辑C++语言源程序，对C++语言源程序进行高亮显示、错误处理、代码重排版、显示当前文件的函数列表和跳转、成对括号、语句块标识的功能，同时描述了编译器执行每个步骤流程。

在词法分析，语法分析和语义分析等方面加深对课程基本内容的理解。同时，在程序设计方法以及上机操作等基本技能和科学作风方面受到比较系统和严格的训练。

对一个c++语言的子集编制一个编译程序，主要包括以下步骤：

词法分析

设计、编制并调试简单的C++语言的词法分析程序

语法分析

编制一个语法分析程序，实现对词法分析程序所提供的单词序列进行语法检查和结构分析。

语义分析

采用语法制导翻译原理，将语法分析所识别的语法成分变换成四元式形式的中间代码序列。

词法分析器的设计

词法表设计

以对程序进行简单分析，容易得到需要提取的token串，对token串进行简单分类，可以得到相应词法表，该词法表在代码中的实现采用数组的形式，共分为标识符，常量，关键字，符号几大类，关键字和符号具体分类如下：

char *key[6]={"break","continue","return","cout","endl","cin"};//关键字

char *def[3]={"int","char","string"};//定义关键字

char *proc[4]={"while","if","for","else"};//过程关键字

char *logic[2]={"&&","||"};逻辑运算符

char *comp[6]={"<=",">=","==","<",">","!="};//比较符

char *assi[6]={"+=","-=","*=","/=","%=","="};//赋值运算符

char *bd[7]={";","(",")","{","}","\"","'"};//标点

char *sym[6]={"$","&","_","#",">>","<<"};//特殊符号

char *mathtic[6]={"%","+","-","*","^","/"};//运算符

char *selfgrow[2]={"++","--"}; //自增符

token串取法简单流程图

语法分析器的设计

算符优先文法设计

对于c++程序，很多功能的实现复杂，操作繁琐，所以我们精简c++语言的语法分析，该语法分析器主要针int,char,string类型的操作符进行定义，赋值，表达式，逻辑运算式以及输入输出语句进行识别和分析，而程序体则可以识别while，if else 和for语句。基本涵盖了面向过程程序能够用到的循环判断和选择过程。

步骤1：Token串取法进行了细分和削减(只对需要识别的Token串词法分析)将词法分析器完善，将标识符以及其对应的类型分别存入数组中以方便识别，对token 串命名，把token串后的名字作为终结符进行语法分析。

对应终结符

<标识符> （TYPE=int,char,string）<定义符号>保留string char int

<字符常量>(‘s’,’&’……)

<字符串常量>

<数字常量>(12,0.231……)

<比较符>(==,!=,<=,>=,<,>)

<赋值符号>(+=,-=,=)

<运算符>(+,-,*,/,%,^)//不区分优先级

<逻辑运算符>(||,&&)

<自增符号>(++,--)

<标点符号以及输入输出符号> 保留cout,cin,; ( ) { } << >> <过程关键字> 保留for,while,if,else

由于cout,cin,for,while,if,else,return搭配固定，把这几个关键字的Token也看作终结符。

步骤2：定义一般文法：（根据一般C++语言描述,非算符优先文法）

<程序>(P)::= <定义语句>(D); <程序>(P)|<赋值语句>;<程序>(P)|<输入输出语句>(IO);<程序>(P)|<过程关键字>{程序(P)}

<定义语句>(D)::=<定义符号>【<标识符>| <赋值语句>】

<赋值语句>(S)::=<标识符><赋值符><表达式>(E)|<标识符><赋值符>

<表达式>(E)::=<算术表达式>(M1)|<字符串常量>|<字符常量>

<算术表达式>(M1)::=<算术表达式><运算符><算术表达式>|M2

M2::=( <算术表达式>)|<标识符>|<数字常量>

<输入输出语句>::=cin>><标识符>|cout<<<表达式>【<|<数字常量>】<判定语句>::=(<表达式><比较符><表达式>)|<逻辑运算符><判定语句>

<过程>::=<过程关键字><程序>

<过程关键字>::=for(<赋值语句>;<判定语句>;<赋值语句>)|If(<判定语句>)|E lse if(<判定语句>)|E lse|W hile(<判定语句>)//循环for,while,选择判断if,else

步骤3：根据一般文法改写成相应的算符优先文法

P::=D; |S;|IO; |J; |I; |PP*

|(J)* P| (J) P| (J) P P|(S;J;I) P

*D::=DEs|

|DEn|

|DEc|

Es::=(Es) |EsEs | |

En::=(En) |EnEn | |

Ec::=(Ec)* |EcEc | |

I::=

S::= EsEs |EnEn |EcEc

J::=JCs|Cs |JCn |Cn |JCc|Cc

Cs::= Es |Es

Cn::= En |En

Cc::= Ec |Ec

IO::= >> | >> | >> << Es| << En| << Ec|

IO << |IO << |IO <<

*注：该文法定义同类型符号之间才能进行各项操作。

该文法并非完全按照算符优先文法要求，因为存在符号间优先级矛盾和非终结符之间直接相连(PP)的情况，比如)在过程标识符后面和在算术表达式后面与标识符和常量的优先关系矛盾，对于这种特殊情况只能进行手动识别。

步骤4：写出文法的分析表和规约规则并导入程序中：（完整规约规则在代码中查看）int change(){

/*程序语句规约*/

else if(strcmp(stack1[stk1],"S;")==0)

{shift<<"规约:"<<"P=S;"<

else if(strcmp(stack1[stk1],"T;")==0)

{shift<<"规约:"<<"P=T;"<

else if(strcmp(stack1[stk1],"J;")==0)

{shift<<"规约:"<<"P=J;"<

else if(strcmp(stack1[stk1],"I;")==0)

{shift<<"规约:"<<"P=I;"<

else if(strcmp(stack1[stk1],"O;")==0)

{shift<<"规约:"<<"P=O;"<

else if(strcmp(stack1[stk1],"while(J)")==0)

{shift<<"规约:"<<"P=while(J)P"<

{ shift<<"规约:"<<"P=if(J)P"<

else if(strcmp(stack1[stk1],"elseP")==0)

{shift<<"规约:"<<"P=elseP"<

else if(strcmp(stack1[stk1],"{P}")==0)

{shift<<"规约:"<<"P={P}"<

else{return 0;}

}

符号优先表

Ctrl+点击查看：符号优先表

数组形式导入到代码中：int pri[29][29]={……}

语义分析器的设计

简单四元式分析

语法分析是对符号栈的操作，而语义分析要根据语法分析的顺序对数据栈进行同步操作，进而通过一系列算法产生四元式。

所以，我们首先定义了数据栈保存源码信息，并实现所有操作与符号栈同步（即同类数组下标采用统一标识符），定义如下：

char stack1[1000][100],stack2[1000][100],stack3[1000][100]；//语法栈(2是Input String,1是真正

规约栈，3是算法中间需要暂存1的栈) char stack_1[1000][100],stack_2[1000][100],stack_3[1000][100]；//数据栈

然后对语法分析中的规约过程进行分析，发现在规约赋值语句，判断语句，算术运算，逻辑运算时会产生四元式。

所以当规约以上几种语句时保存数据栈中规约部分的数据到规约栈内，规约栈定义如下:

char stack[1000][100];

这样就按语法分析规约顺序将数据操作代码存入了，并且数组下标就是相应四元式的标号。

接下来就是回填，具体分析在下面关键代码算法中分析。

关键代码以及算法

词法分析器的关键算法：

void IsSign(){…}

关于符号的判定为读取一个字符，调用Judge(int a,int b,char c[],char d[])判定具体类型；其中双符号判定原则是向后判定一位确定是否为双符号。

void IsNum(){…}

关于常量的判定为读取连续的数字；其中小数的判定原则是当读入一个”.”时继续向后读

void IsChar(){…}

关于字符的判定为读取连续的字母，比较关键字。若非关键字就判定为标识符，会在符号表中查找相应的表项，并且在定义语句中将定义的标识符，类型，值，所在定义行添加至字符表。

void Judge(int a,int b,char c[],char d[]){…}

对符号具体类型判定的函数。

语法分析器的关键算法

在词法分析的基础上，将每次提取的Token的类型（词法分析过程）替换成相应的标识符存入stack2[1000][100]栈中(移近-规约时的Input String),通过符号优先表进行移进规约判定，根据导入的规则判定如何规约。

注：规约的原则：自规约栈顶向栈底逐个添加，判定能否规约，能规约则规约！！void push(char a[],int s,char b[]) 压栈操作,a[]压入符号栈，b[]压入数据栈（同步），s代表压入几号栈

void pop(int s) 弹栈操作，s代表弹出栈的号

void save(int s) stack1,stack3互存的操作（s为1则将stack3存入stack1，3则将stack1

存入stack3）在stack1判定规约前先保存数据到stack3，若无法规约，则

取暂存器中数据。

int get_pri(char a[]) 将字符类型替换成相应的数据，以便在符号表中查到相应的优先级。int change() 存放规约规则的函数。由replace（）调用

void replace() 每当需要规约时调用replace（）进行能规约则规约操作。

语义分析的关键算法

在词法分析执行的每一步都会将单个数据Token串按序存入数据栈并通过语法分析的pop和push函数进行数据符号同步。

当规约赋值，算术运算，逻辑运算，判定语句时保存至stack。数组下标就是相应四元式的标号。

需要特别留意的是在规约判断语句时要预留两个四元式位置，因为判定语句才会出现在if,else,while,for等需要跳转的循环语句中！！多预留的位置是(j,_,_,*)一类的四元式。

有缺陷的回填算法：

我们所采用的回填算法只针对if，else不带{}的形式，因为我们判定while 执行完毕的位置是}的出现位置（可以确定while执行完毕时所产生的四元式编号），但是若if，和else也采用{}，则导致混乱（也就是说if else的函数范围只有下一句）其具体算法规则是:

1.根据产生stack数组大小n+1，定义为空即代表执行完毕n+1:NULL

2.当规约if（J）时，将当前四元产生式的编号n1+1（即(j,_,_,null)）存入“if”栈中，并且将当前四元式n1的跳转位置定义为n1+2即:(j*,a,b,n1+2)。若继续出现规约if（J）时则继续压入栈中，当出现一个else，提取当前四元产生式编号ux+1(即下条产生式编号)，回填至”if”栈顶号所代表的的四元式中的null。

3.当规约while(J)时，与if类似存入一个”while”栈，并且置当前四元式s的跳转位置为null待回填即s:(j*,a,b,null)，当出现一个“}”时，则记录当前四元式编号n +1（即“}”前的最后一条四元式已执行完毕添加的一个跳回while 判定语句的位置（j,_,_,null）），此时将”while”栈中的数据编号回填至n+1号四元式的null，并将n+2回填至s号的四元式null.

4.其他的四元式是没有跳转项的

系统测试

用例测试：

用例代码如下：

用例1：用例2：

string d="是水仙花数"; string d="是水仙花数";

int i=10; int i=10;

while(i<=999){ while(i<=999){

if(i==i)

cout<

else

i=i;

char k='s'; char k='s';

int a1=i/100; int a1=i/100;

int b2=i/10%10; int b2=i/10%10;

int ac=i%10; int ac=i%10;

if(a1^3+b2^3+ac^3==i) if(a1^3+b2^3+ac^3==i)

cout<

else else

cout<

} }

Result: Result:

差错处理

*语法分析器识别完毕后，若栈stack1得到了#P#则证明程序成功且无错的识别。

*若栈中出现#P#和其他的一些未能识别的符号，则说明在某处文法没有相应的规约规则。

*若栈中只出现开始的#而没有结束#，则说明在某个位置的终结与后一个位置的终结符之间不存在优先关系，并能够根据提示找到这两个终结符。

*经过多次测试发现当出现标识符重定义和存在未定义的标识符的时候，程序会出现卡死状况，所以在进行语法分析器之前会对上述两种情况进行预处理，即在语法分析过程中发现错误，终止程序。

*当【if，else】【{，}】【while，}】对不相同时会造成四元式产生卡死，但是对词法分析和语法分析不造成影响

设计自我评价

优点：

*对简单的程序编译过程基本完善，对能够识别的程序都能产生正确输出结果。

*程序框架结构（过程模块化）、文法的设计清晰明了，对于理解编译器的执行原理有很好的帮助作用。

*语法分析清晰明了，每步操作都有保存在移进-规约.Txt文档中。

*对变量不兼容的错误有很好的处理，比如标识符的类型定义混乱时会报错。在运算表达式中出现不兼容的标识符同样能够发现。

*对于错误能够指出其位置，方便修改。

*添加许多栈存储数据，有利于查询、添加、修改。

*输出结果界面清晰易懂。

不足：

*语法分析文法并未按照严格的算符优先文法（前面有具体说明），部分文法通过手动操作实现，容易产生未知错误。

*文法对算术表达式符号优先级统一规划，没有细分各个算术运算符的优先顺序，导致产生的四元式不区分各符号的先后顺序。

*对于待识别的程序限制太多（例如if else必须成对出现，即使else什么也不做）。*回填算法的缺陷（具体描述如上）。

*编译器在除上述已处理错误外，肯定存在一些未知的BUG，因为识别过程复杂，使用的算法函数调用频繁，不利于维护更新。

运行结果

Ctrl+点击打开Token串

Ctrl+点击打开移进-规约

Ctrl+点击打开字符表

以上是正确程序的输出，当把int b2=i/10%10; 改为int b2=k/10%10则会输出：

即规约k/10时出现了问题。

当把int b2=i/10%10; 改为int b2=f/10%10则会输出：

此次课程设计，毫无疑问对我的帮助是非常巨大的。一直以来，我对编译原理这门课程比较感兴趣，因为在学习这门课程之前我对编译器的概念仅仅停留在认知阶段（即高级语言转换成PC机能够识别的语言），以为像C++的编译器是与VS开发平台直接相连的，也很奇怪为什么编译器不能够识别所有错误，也很好奇它是如何工作的。就这样带着疑问开始了我的编译原理的旅程。

刚开始接触编译原理，我对文法和产生式之类的毫无概念，也觉得学习起来有些艰难，不过直到第一个实验结束，才开始对文法有一个较为清晰的认识。充分说明实践对于理论的重要性，而课程设计便是对这学期理论学习的升华总结吧。

我感觉编译原理这门课程最大的收获并不在于它本身的实用性，更多的是让我在编代码的时候能够理解编译器如何“理解”我的代码，而有意识的将容易出错的地方避开，即使出错了也能够很快找出错误的根结所在，这对于我来说是一个很值得开心也让我感受到编译原理的真正的价值所在。

这次课程设计给我的最大感受就是：累！编译器所使用的算法并不困难（虽然我的回填算法非常烂，但是更多的是我认为是我经验不足导致的），但是工作量是非常巨大的。抛开BUG不谈，仅仅编写一个识别最简单程序的编译器，30*30的符号优先表已经把我弄得焦头烂额，这让我非常沮丧，也让我意识到我要走的路还很长，学习计算机科学仅仅靠头脑真的是不够用的。同时也对编写各大语言的编译器的团队佩服不已，毕竟人力有时尽，可以想象这些程序员需要耗费多少心血来完成这些编译器。

课程设计给我的第二感受是：考虑问题要全面。这一点在编写编译器时特别突出，因为很多次失败都是因为某些细节没有考虑到（比如文法少一个产生式，比如某个token串没取到）。当提示错误的时候，往往感到非常愕然，但是仅仅需要多想一步，或许就能成功了。这一点让我明白了：编写程序代码的每个阶段都需要认真，或许因为你的一个疏忽，导致后面的程序无法工作，回炉重造，得不偿失。

最后，我认为我该感谢张老师的悉心教导，否则我可能要花很长时间才能完全理解编译原理的整个过程。

计科二班

唐允恒

本次课程设计，通过词法，语法，语义的分析完成了一个简单编译器额实现。在这个过程中，遇到了许多困难，token串进行移进和规约以及first 与last集的计算，以及对输入与分析栈的设计，最后通过查找资料解决了这些基本问题。

通过这个课程设计，将这学期从编译原理课堂中学习的知识运用到实际中去了，加深了对编译原理的理解与应用。

计科二班

张楠