利用?Python?開發(fā)一個?Python?解釋器

更新時間：2022年01月06日 08:39:20 作者：佚名

這篇文章主要介紹了利用?Python?開發(fā)一個?Python?解釋器,在本文中，我們將設(shè)計一個可以執(zhí)行算術(shù)運算的解釋器。下面我們大家一起來看看吧</P><P>

計算機只能理解機器碼。歸根結(jié)底，編程語言只是一串文字，目的是為了讓人類更容易編寫他們想讓計算機做的事情。真正的魔法是由編譯器和解釋器完成，它們彌合了兩者之間的差距。解釋器逐行讀取代碼并將其轉(zhuǎn)換為機器碼。

在本文中，我們將設(shè)計一個可以執(zhí)行算術(shù)運算的解釋器。

我們不會重新造輪子。文章將使用由 David M. Beazley 開發(fā)的詞法解析器 ——PLY（Python Lex-Yacc(https://github.com/dabeaz/ply)）。

PLY 可以通過以下方式下載：

$ pip install ply?

我們將粗略地瀏覽一下創(chuàng)建解釋器所需的基礎(chǔ)知識。欲了解更多，請參閱這個 GitHub 倉庫(https://github.com/dabeaz/ply)。

1.標(biāo)記（Token）

標(biāo)記是為解釋器提供有意義信息的最小字符單位。標(biāo)記包含一對名稱和屬性值。

讓我們從創(chuàng)建標(biāo)記名稱列表開始。這是一個必要的步驟。

tokens = ( ?
? ? # 數(shù)據(jù)類型 ?
? ? "NUM", ?
? ? "FLOAT", ?
? ? # 算術(shù)運算 ?
? ? "PLUS", ?
? ? "MINUS", ?
? ? "MUL", ?
? ? "DIV", ?
? ? # 括號 ?
? ? "LPAREN", ?
? ? "RPAREN", ?
)?

2.詞法分析器（Lexer）

將語句轉(zhuǎn)換為標(biāo)記的過程稱為標(biāo)記化或詞法分析。執(zhí)行詞法分析的程序是詞法分析器。

# 標(biāo)記的正則表達 ?
t_PLUS ? = r"\+" ?
t_MINUS ?= r"\-" ?
t_MUL ? ?= r"\*" ?
t_DIV ? ?= r"/" ?
t_LPAREN = r"\(" ?
t_RPAREN = r"\)" ?
t_POW ? ?= r"\^" ?
# 忽略空格和制表符 ?
t_ignore = " \t" ?
# 為每個規(guī)則添加動作 ?
def t_FLOAT(t): ?
? ? r"""\d+\.\d+""" ?
? ? t.value = float(t.value) ?
? ? return t ?
def t_NUM(t): ?
? ? r"""\d+""" ?
? ? t.value = int(t.value) ?
? ? return t ?
# 未定義規(guī)則字符的錯誤處理 ?
def t_error(t): ?
? ? # 此處的 t.value 包含未標(biāo)記的其余輸入 ?
? ? print(f"keyword not found: {t.value[0]}\nline {t.lineno}") ?
? ? t.lexer.skip(1) ?
# 如果遇到 \n 則將其設(shè)為新的一行 ?
def t_newline(t): ?
? ? r"""\n+""" ?
? ? t.lexer.lineno += t.value.count("\n")?

為導(dǎo)入詞法分析器，我們將使用：

import ply.lex as lex

t_ 是一個特殊的前綴，表示定義標(biāo)記的規(guī)則。每條詞法規(guī)則都是用正則表達式制作的，與 Python 中的 re 模塊兼容。正則表達式能夠根據(jù)規(guī)則掃描輸入并搜索符合的符號串。正則表達式定義的文法稱為正則文法。正則文法定義的語言則稱為正則語言。

定義好了規(guī)則，我們將構(gòu)建詞法分析器:

data = 'a = 2 +(10 -8)/1.0' ?
lexlexer = lex.lex() ?
lexer.input(data) ?
while tok := lexer.token(): ?
? ? print(tok)?

為了傳遞輸入字符串，我們使用lexer.input(data)。lexer.token() 將返回下一個 LexToken 實例，最后返回 None。根據(jù)上述規(guī)則，代碼 2 + ( 10 -8)/1.0 的標(biāo)記將是：

紫色字符代表的是標(biāo)記的名稱，其后是標(biāo)記的具體內(nèi)容。

3.巴科斯-諾爾范式（Backus-Naur Form，BNF）

大多數(shù)編程語言都可以用上下文無關(guān)文法來編寫。它比常規(guī)語言更復(fù)雜。對于上下文無關(guān)文法，我們用上下文無關(guān)語法，它是描述語言中所有可能語法的規(guī)則集。BNF 是一種定義語法的方式，它描述了編程語言的語法。

讓我們看看例子：

symbol : alternative1 | alternative2 …

根據(jù)產(chǎn)生式，: 的左側(cè)被替換為右側(cè)的其中一個值替換。右側(cè)的值由 | 分隔（可理解為 symbol 定義為 alternative1 或 alternative2或…… 等等）。

對于我們的這個算術(shù)解釋器，語法規(guī)格如下：

expression : expression '+' expression ?
? ? ? ? ? ?| expression '-' expression ?
? ? ? ? ? ?| expression '/' expression ?
? ? ? ? ? ?| expression '*' expression ?
? ? ? ? ? ?| expression '^' expression ?
? ? ? ? ? ?| +expression ?
? ? ? ? ? ?| -expression ?
? ? ? ? ? ?| ( expression ) ?
? ? ? ? ? ?| NUM ?
? ? ? ? ? ?| FLOAT?

輸入的標(biāo)記是諸如 NUM、FLOAT、+、-、*、/ 之類的符號，稱作終端（無法繼續(xù)分解或產(chǎn)生其他符號的字符）。一個表達式由終端和規(guī)則集組成，例如 expression 則稱為非終端。

4.解析器（Parser）

我們將使用 YACC（Yet Another Compiler Compiler）作為解析器生成器。導(dǎo)入模塊：import ply.yacc as yacc。

from operator import (add, sub, mul, truediv, pow) ?
# 我們的解釋器支持的運算符列表 ?
ops = { ?
? ? "+": add, ?
? ? "-": sub, ?
? ? "*": mul, ?
? ? "/": truediv, ?
? ? "^": pow, ?
}?
def p_expression(p): ?
? ? """expression : expression PLUS expression ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | expression MINUS expression ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | expression DIV expression ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | expression MUL expression ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | expression POW expression""" ?
? ? if (p[2], p[3]) == ("/", 0): ?
? ? ? ? # 如果除以 0，則將“INF”（無限）作為值 ?
? ? ? ? p[0] = float("INF") ?
? ? else: ?
? ? ? ? p[0] = ops[p[2]](p[1], p[3]) ?
def p_expression_uplus_or_expr(p): ?
? ? """expression : PLUS expression %prec UPLUS ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | LPAREN expression RPAREN""" ?
? ? p[0] = p[2] ?
def p_expression_uminus(p): ?
? ? """expression : MINUS expression %prec UMINUS""" ?
? ? p[0] = -p[2] ?
def p_expression_num(p): ?
? ? """expression : NUM ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | FLOAT""" ?
? ? p[0] = p[1] ?
# 語法錯誤時的規(guī)則 ?
def p_error(p): ?
? ? print(f"Syntax error in {p.value}")?

在文檔字符串中，我們將添加適當(dāng)?shù)恼Z法規(guī)范。p 列表中的的元素與語法符號一一對應(yīng)，如下所示：

expression : expression PLUS expression ?
p[0] ? ? ? ? p[1] ? ? ? p[2] p[3]?

在上文中，%prec UPLUS 和 %prec UMINUS 是用來表示自定義運算的。%prec 即是 precedence 的縮寫。在符號中本來沒有 UPLUS 和 UMINUS 這個說法（在本文中這兩個自定義運算表示一元正號和符號，其實 UPLUS 和 UMINUS 只是個名字，想取什么就取什么）。之后，我們可以添加基于表達式的規(guī)則。YACC 允許為每個令牌分配優(yōu)先級。

我們可以使用以下方法設(shè)置它：

precedence = ( ?
? ? ("left", "PLUS", "MINUS"), ?
? ? ("left", "MUL", "DIV"), ?
? ? ("left", "POW"), ?
? ? ("right", "UPLUS", "UMINUS") ?
)?

在優(yōu)先級聲明中，標(biāo)記按優(yōu)先級從低到高的順序排列。PLUS 和 MINUS 優(yōu)先級相同并且具有左結(jié)合性（運算從左至右執(zhí)行）。MUL 和 DIV 的優(yōu)先級高于 PLUS 和 MINUS，也具有左結(jié)合性。POW 亦是如此，不過優(yōu)先級更高。UPLUS 和 UMINUS 則是具有右結(jié)合性（運算從右至左執(zhí)行）。

要解析輸入我們將使用：

parser = yacc.yacc() ?
result = parser.parse(data) ?
print(result)?

完整代碼如下：

##################################### ?
# 引入模塊 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? # ?
##################################### ?
from logging import (basicConfig, INFO, getLogger) ?
from operator import (add, sub, mul, truediv, pow) ?
import ply.lex as lex ?
import ply.yacc as yacc ?
# 我們的解釋器支持的運算符列表 ?
ops = { ?
? ? "+": add, ?
? ? "-": sub, ?
? ? "*": mul, ?
? ? "/": truediv, ?
? ? "^": pow, ?
} ?
##################################### ?
# 標(biāo)記集 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? # ?
##################################### ?
tokens = ( ?
? ? # 數(shù)據(jù)類型 ?
? ? "NUM", ?
? ? "FLOAT", ?
? ? # 算術(shù)運算 ?
? ? "PLUS", ?
? ? "MINUS", ?
? ? "MUL", ?
? ? "DIV", ?
? ? "POW", ?
? ? # 括號 ?
? ? "LPAREN", ?
? ? "RPAREN", ?
) ?
##################################### ?
# 標(biāo)記的正則表達式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?# ?
##################################### ?
t_PLUS ? = r"\+" ?
t_MINUS ?= r"\-" ?
t_MUL ? ?= r"\*" ?
t_DIV ? ?= r"/" ?
t_LPAREN = r"\(" ?
t_RPAREN = r"\)" ?
t_POW ? ?= r"\^" ?
# 忽略空格和制表符 ?
t_ignore = " \t" ?
# 為每個規(guī)則添加動作 ?
def t_FLOAT(t): ?
? ? r"""\d+\.\d+""" ?
? ? t.value = float(t.value) ?
? ? return t ?
def t_NUM(t): ?
? ? r"""\d+""" ?
? ? t.value = int(t.value) ?
? ? return t ?
# 未定義規(guī)則字符的錯誤處理 ?
def t_error(t): ?
? ? # 此處的 t.value 包含未標(biāo)記的其余輸入 ?
? ? print(f"keyword not found: {t.value[0]}\nline {t.lineno}") ?
? ? t.lexer.skip(1) ?
# 如果看到 \n 則將其設(shè)為新的一行?
?def t_newline(t): ?
? ? r"""\n+""" ?
? ? t.lexer.lineno += t.value.count("\n") ?
##################################### ?
# 設(shè)置符號優(yōu)先級 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?# ?
##################################### ?
precedence = ( ?
? ? ("left", "PLUS", "MINUS"), ?
? ? ("left", "MUL", "DIV"), ?
? ? ("left", "POW"), ?
? ? ("right", "UPLUS", "UMINUS") ?
) ?
##################################### ?
# 書寫 BNF 規(guī)則 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?# ?
##################################### ?
def p_expression(p): ?
? ? """expression : expression PLUS expression ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | expression MINUS expression ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | expression DIV expression ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | expression MUL expression ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | expression POW expression""" ?
? ? if (p[2], p[3]) == ("/", 0): ?
? ? ? ? # 如果除以 0，則將“INF”（無限）作為值 ?
? ? ? ? p[0] = float("INF") ?
? ? else: ?
? ? ? ? p[0] = ops[p[2]](p[1], p[3]) ?
def p_expression_uplus_or_expr(p): ?
? ? """expression : PLUS expression %prec UPLUS ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | LPAREN expression RPAREN""" ?
? ? p[0] = p[2] ?
def p_expression_uminus(p): ?
? ? """expression : MINUS expression %prec UMINUS""" ?
? ? p[0] = -p[2] ?
def p_expression_num(p): ?
? ? """expression : NUM ?
? ? ? ? ? ? ? ? ? | FLOAT""" ?
? ? p[0] = p[1] ?
# 語法錯誤時的規(guī)則 ?
def p_error(p): ?
? ? print(f"Syntax error in {p.value}")?
?##################################### ?
# 主程式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? # ?
##################################### ?
if __name__ == "__main__": ?
? ? basicConfig(level=INFO, filename="logs.txt")?
? ? lexlexer = lex.lex() ?
? ? parser = yacc.yacc() ?
? ? while True: ?
? ? ? ? try: ?
? ? ? ? ? ? result = parser.parse( ?
? ? ? ? ? ? ? ? input(">>>"), ?
? ? ? ? ? ? ? ? debug=getLogger()) ?
? ? ? ? ? ? print(result) ?
? ? ? ? except AttributeError: ?
? ? ? ? ? ? print("invalid syntax")?

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