级别： 初级 Ashish Bansal (abansal@ieee.org), 软件工程师, Sapient 公司
2000 年 11 月 01 日 Lex
和 Yacc 是 UNIX 两个非常重要的、功能强大的工具。事实上，如果你熟练掌握 Lex 和 Yacc 的话，它们的强大功能使创建
FORTRAN 和 C 的编译器如同儿戏。Ashish Bansal
为您详细的讨论了编写自己的语言和编译器所用到的这两种工具，包括常规表达式、声明、匹配模式、变量、Yacc 语法和解析器代码。最后，他解释了怎样把
Lex 和 Yacc 结合起来。
Lex 代表 Lexical Analyzar。Yacc 代表 Yet Another Compiler
Compiler。 让我们从 Lex 开始吧。
Lex
Lex
是一种生成扫描器的工具。扫描器是一种识别文本中的词汇模式的程序。
这些词汇模式（或者常规表达式）在一种特殊的句子结构中定义，这个我们一会儿就要讨论。
一种匹配的常规表达式可能会包含相关的动作。这一动作可能还包括返回一个标记。
当 Lex
接收到文件或文本形式的输入时，它试图将文本与常规表达式进行匹配。
它一次读入一个输入字符，直到找到一个匹配的模式。
如果能够找到一个匹配的模式，Lex
就执行相关的动作（可能包括返回一个标记）。
另一方面，如果没有可以匹配的常规表达式，将会停止进一步的处理，Lex
将显示一个错误消息。
Lex 和 C 是强耦合的。一个
.lex 文件（Lex 文件具有
.lex 的扩展名）通过 lex 公用程序来传递，并生成 C
的输出文件。这些文件被编译为词法分析器的可执行版本。
Lex 的常规表达式
常规表达式是一种使用元语言的模式描述。表达式由符号组成。符号一般是字符和数字，但是
Lex 中还有一些具有特殊含义的其他标记。 下面两个表格定义了 Lex
中使用的一些标记并给出了几个典型的例子。
用 Lex 定义常规表达式
|
字符
|
含义
| |
A-Z, 0-9, a-z
| 构成了部分模式的字符和数字。 | |
.
| 匹配任意字符，除了 \n。 | |
-
| 用来指定范围。例如：A-Z 指从 A 到 Z
之间的所有字符。 | |
[ ]
| 一个字符集合。匹配括号内的
任意
字符。如果第一个字符是
^ 那么它表示否定模式。例如: [abC]
匹配 a, b, 和 C中的任何一个。
| |
*
|
匹配
0个或者多个上述的模式。
| |
+
| 匹配
1个或者多个上述模式。
| |
?
| 匹配
0个或1个上述模式。
| |
$
|
作为模式的最后一个字符匹配一行的结尾。 | |
{ }
| 指出一个模式可能出现的次数。 例如:
A{1,3} 表示 A 可能出现1次或3次。 | |
\
|
用来转义元字符。同样用来覆盖字符在此表中定义的特殊意义，只取字符的本意。 | |
^
| 否定。 | |
|
| 表达式间的逻辑或。 | |
"<一些符号>"
| 字符的字面含义。元字符具有。 | |
/
|
向前匹配。如果在匹配的模版中的“/”后跟有后续表达式，只匹配模版中“/”前
面的部分。如：如果输入 A01，那么在模版 A0/1 中的 A0 是匹配的。 | |
( )
| 将一系列常规表达式分组。 |
常规表达式举例
|
常规表达式
|
含义
| |
joke[rs]
| 匹配 jokes 或 joker。 | |
A{1,2}shis+
| 匹配 AAshis, Ashis, AAshi, Ashi。 | |
(A[b-e])+
| 匹配在 A 出现位置后跟随的从 b 到 e
的所有字符中的 0 个或 1个。 |
Lex 中的标记声明类似 C
中的变量名。每个标记都有一个相关的表达式。
（下表中给出了标记和表达式的例子。）
使用这个表中的例子，我们就可以编一个字数统计的程序了。
我们的第一个任务就是说明如何声明标记。
标记声明举例
|
标记
|
相关表达式
|
含义
| | 数字(number) | ([0-9])+ | 1个或多个数字 | | 字符(chars) | [A-Za-z] | 任意字符 | | 空格(blank) | " " | 一个空格 | | 字(word) | (chars)+ | 1个或多个
chars
| | 变量(variable) | (字符)+(数字)*(字符)*(数字)* |
|
Lex 编程
Lex 编程可以分为三步：
- 以 Lex 可以理解的格式指定模式相关的动作。
- 在这一文件上运行 Lex，生成扫描器的 C 代码。
- 编译和链接 C 代码，生成可执行的扫描器。
注意: 如果扫描器是用 Yacc
开发的解析器的一部分，只需要进行第一步和第二步。
关于这一特殊问题的帮助请阅读
Yacc和
将 Lex 和 Yacc 结合起来部分。
现在让我们来看一看 Lex 可以理解的程序格式。一个 Lex
程序分为三个段：第一段是 C 和 Lex 的全局声明，第二段包括模式（C
代码），第三段是补充的 C 函数。 例如, 第三段中一般都有 main()
函数。这些段以%%来分界。 那么，回到字数统计的 Lex
程序，让我们看一下程序不同段的构成。
C 和 Lex 的全局声明
这一段中我们可以增加 C
变量声明。这里我们将为字数统计程序声明一个整型变量，来保存程序统计出来的字数。
我们还将进行 Lex 的标记声明。
字数统计程序的声明
%{
int wordCount = 0;
%}
chars [A-za-z\_\'\.\"]
numbers ([0-9])+
delim [" "\n\t]
whitespace {delim}+
words {chars}+
%%
|
两个百分号标记指出了 Lex
程序中这一段的结束和三段中第二段的开始。
Lex 的模式匹配规则
让我们看一下 Lex 描述我们所要匹配的标记的规则。（我们将使用 C
来定义标记匹配后的动作。）
继续看我们的字数统计程序，下面是标记匹配的规则。
字数统计程序中的 Lex 规则
{words} { wordCount++; /*
increase the word count by one*/ }
{whitespace} { /* do
nothing*/ }
{numbers} { /* one may
want to add some processing here*/ }
%%
|
C 代码
Lex 编程的第三段，也就是最后一段覆盖了 C
的函数声明（有时是主函数）。注意这一段必须包括 yywrap() 函数。 Lex
有一套可供使用的函数和变量。 其中之一就是 yywrap。
一般来说，yywrap() 的定义如下例。我们将在
高级 Lex
中探讨这一问题。
字数统计程序的 C 代码段
void main()
{
yylex(); /* start the
analysis*/
printf(" No of words:
%d\n", wordCount);
}
int yywrap()
{
return 1;
}
|
上一节我们讨论了 Lex
编程的基本元素，它将帮助你编写简单的词法分析程序。 在
高级 Lex 这一节中我们将讨论 Lex
提供的函数，这样你就能编写更加复杂的程序了。
将它们全部结合起来
.lex文件是 Lex 的扫描器。它在 Lex 程序中如下表示：
这生成了 lex.yy.c 文件，它可以用 C
编译器来进行编译。它还可以用解析器来生成可执行程序，或者在链接步骤中通过选项
?ll 包含 Lex 库。
这里是一些 Lex 的标志：
-
-c表示 C 动作，它是缺省的。
-
-t写入 lex.yy.c 程序来代替标准输出。
-
-v提供一个两行的统计汇总。
-
-n不打印 -v 的汇总。
高级 Lex
Lex
有几个函数和变量提供了不同的信息，可以用来编译实现复杂函数的程序。
下表中列出了一些变量和函数，以及它们的使用。 详尽的列表请参考 Lex
或 Flex 手册（见后文的
资源）。
Lex 变量
| yyin | FILE* 类型。 它指向 lexer
正在解析的当前文件。 | | yyout | FILE* 类型。 它指向记录 lexer
输出的位置。 缺省情况下，yyin 和 yyout 都指向标准输入和输出。 | | yytext |
匹配模式的文本存储在这一变量中（char*）。 | | yyleng | 给出匹配模式的长度。 | | yylineno | 提供当前的行数信息。
（lexer不一定支持。） |
Lex 函数
| yylex() | 这一函数开始分析。 它由 Lex
自动生成。 | | yywrap() | 这一函数在文件（或输入）的末尾调用。
如果函数的返回值是1，就停止解析。 因此它可以用来解析多个文件。
代码可以写在第三段，这就能够解析多个文件。 方法是使用 yyin
文件指针（见上表）指向不同的文件，直到所有的文件都被解析。
最后，yywrap() 可以返回 1 来表示解析的结束。 | | yyless(int n) | 这一函数可以用来送回除了前?n?
个字符外的所有读出标记。 | | yymore() | 这一函数告诉 Lexer
将下一个标记附加到当前标记后。 |
对 Lex 的讨论就到这里。下面我们来讨论 Yacc...
Yacc
Yacc 代表 Yet Another Compiler Compiler。 Yacc 的 GNU 版叫做
Bison。它是一种工具，将任何一种编程语言的所有语法翻译成针对此种语言的
Yacc 语 法解析器。它用巴科斯范式(BNF, Backus Naur
Form)来书写。按照惯例，Yacc 文件有 .y 后缀。编译行如下调用 Yacc
编译器：
$ yacc <options>
<filename ending with .y>
|
在进一步阐述以前，让我们复习一下什么是语法。在上一节中，我们看到
Lex 从输入序列中识别标记。
如果你在查看标记序列，你可能想在这一序列出现时执行某一动作。
这种情况下有效序列的规范称为语法。Yacc 语法文件包括这一语法规范。
它还包含了序列匹配时你想要做的事。
为了更加说清这一概念，让我们以英语为例。 这一套标记可能是：名词,
动词,
形容词等等。为了使用这些标记造一个语法正确的句子，你的结构必须符合一定的规则。
一个简单的句子可能是名词+动词或者名词+动词+名词。(如 I care. See
spot run.)
所以在我们这里，标记本身来自语言（Lex），并且标记序列允许用 Yacc
来指定这些标记(标记序列也叫语法)。
 |
终端和非终端符号
终端符号 : 代表一类在语法结构上等效的标记。
终端符号有三种类型：
命名标记: 这些由
%token 标识符来定义。
按照惯例，它们都是大写。
字符标记 : 字符常量的写法与 C 相同。例如, --
就是一个字符标记。
字符串标记 : 写法与 C 的字符串常量相同。例如，"<<"
就是一个字符串标记。
lexer 返回命名标记。
非终端符号 : 是一组非终端符号和终端符号组成的符号。
按照惯例，它们都是小写。 在例子中，file 是一个非终端标记而 NAME
是一个终端标记。
|
|
用 Yacc 来创建一个编译器包括四个步骤：
- 通过在语法文件上运行 Yacc 生成一个解析器。
- 说明语法：
- 编写一个 .y 的语法文件（同时说明 C 在这里要进行的动作）。
- 编写一个词法分析器来处理输入并将标记传递给解析器。 这可以使用
Lex 来完成。
- 编写一个函数，通过调用 yyparse() 来开始解析。
- 编写错误处理例程（如 yyerror()）。
- 编译 Yacc 生成的代码以及其他相关的源文件。
- 将目标文件链接到适当的可执行解析器库。
用 Yacc 编写语法
如同 Lex 一样, 一个 Yacc 程序也用双百分号分为三段。
它们是：声明、语法规则和 C 代码。 我们将解析一个格式为 姓名 = 年龄
的文件作为例子，来说明语法规则。
我们假设文件有多个姓名和年龄，它们以空格分隔。 在看 Yacc
程序的每一段时，我们将为我们的例子编写一个语法文件。
C 与 Yacc 的声明
C 声明可能会定义动作中使用的类型和变量，以及宏。
还可以包含头文件。每个 Yacc
声明段声明了终端符号和非终端符号（标记）的名称，还可能描述操作符优先级和针对不同符号的数据类型。
lexer (Lex) 一般返回这些标记。所有这些标记都必须在 Yacc
声明中进行说明。
在文件解析的例子中我们感兴趣的是这些标记：name, equal sign, 和
age。Name 是一个完全由字符组成的值。 Age
是数字。于是声明段就会像这样：
文件解析例子的声明
%
#typedef char* string; /*
to specify token types as char* */
#define YYSTYPE string /*
a Yacc variable which has the value of returned token */
%}
%token NAME EQ AGE
%%
|
你可能会觉得 YYSTYPE 有点奇怪。但是类似 Lex, Yacc
也有一套变量和函数可供用户来进行功能扩展。 YYSTYPE 定义了用来将值从
lexer 拷贝到解析器或者 Yacc 的 yylval （另一个 Yacc 变量）的类型。
默认的类型是 int。 由于字符串可以从 lexer 拷贝，类型被重定义为
char*。 关于 Yacc 变量的详细讨论，请参考 Yacc 手册（见
资源）。
Yacc 语法规则
Yacc 语法规则具有以下一般格式：
result: components { /*
action to be taken in C */ }
;
|
在这个例子中，result 是规则描述的非终端符号。Components
是根据规则放在一起的不同的终端和非终端符号。 如果匹配特定序列的话
Components 后面可以跟随要执行的动作。 考虑如下的例子：
param : NAME EQ NAME {
printf("\tName:%s\tValue(name):%s\n", $1,$3);}
| NAME EQ VALUE{
printf("\tName:%s\tValue(value):%s\n",$1,$3);}
;
|
如果上例中序列 NAME EQ NAME 被匹配，将执行相应的 { }
括号中的动作。 这里另一个有用的就是 $1 和 $3 的使用, 它们引用了标记
NAME 和 NAME（或者第二行的 VALUE）的值。 lexer 通过 Yacc 的变量
yylval 返回这些值。标记 NAME 的 Lex 代码是这样的：
char [A-Za-z]
name {char}+
%%
{name} { yylval = strdup(yytext);
return NAME; }
|
文件解析例子的规则段是这样的：
文件解析的语法
file : record file
| record
;
record: NAME EQ AGE {
printf("%s is now %s years old!!!", $1, $3);}
;
%%
|
附加 C 代码
现在让我们看一下语法文件的最后一段，附加 C 代码。
（这一段是可选的，如果有人想要略过它的话：）一个函数如 main() 调用
yyparse() 函数（Yacc 中 Lex 的 yylex() 等效函数）。 一般来说，Yacc
最好提供 yyerror(char msg) 函数的代码。 当解析器遇到错误时调用
yyerror(char msg)。错误消息作为参数来传递。 一个简单的 yyerror(
char* ) 可能是这样的：
int yyerror(char* msg)
{
printf("Error: %s
encountered at line number:%d\n", msg, yylineno);
}
|
yylineno 提供了行数信息。
这一段还包括文件解析例子的主函数：
附加 C 代码
void main()
{
yyparse();
}
int yyerror(char* msg)
{
printf("Error: %s
encountered \n", msg);
|
要生成代码，可能用到以下命令：
这生成了输出文件 y.tab.h 和 y.tab.c，它们可以用 UNIX
上的任何标准 C 编译器来编译（如 gcc）。
命令行的其他常用选项
-
'-d' ,'--defines' :
编写额外的输出文件，它们包含这些宏定义：语法中定义的标记类型名称，语义的取值类型
YYSTYPE, 以及一些外部变量声明。如果解析器输出文件名叫
'name.c', 那么 '-d' 文件就叫做 'name.h'。 如果你想将
yylex
定义放到独立的源文件中，你需要 'name.h', 因为
yylex
必须能够引用标记类型代码和
yylval变量。
-
'-b file-prefix' ,'--file-prefix=prefix' :
指定一个所有Yacc输出文件名都可以使用的前缀。选择一个名字，就如输入文件名叫
'prefix.c'.
-
'-o outfile' ,'--output-file=outfile' :
指定解析器文件的输出文件名。其他输出文件根据 '-d'
选项描述的输出文件来命名。
Yacc
库通常在编译步骤中自动被包括。但是它也能被显式的包括，以便在编译步骤中指定
?ly选项。这种情况下的编译命令行是：
$ cc <source file
names> -ly
|
将 Lex 与 Yacc 结合起来
到目前为止我们已经分别讨论了 Lex 和
Yacc。现在让我们来看一下他们是怎样结合使用的。
一个程序通常在每次返回一个标记时都要调用
yylex()
函数。只有在文件结束或者出现错误标记时才会终止。
一个由 Yacc 生成的解析器调用
yylex()
函数来获得标记。
yylex() 可以由 Lex
来生成或完全由自己来编写。 对于由 Lex 生成的 lexer 来说，要和 Yacc
结合使用，每当 Lex 中匹配一个模式时都必须返回一个标记。 因此 Lex
中匹配模式时的动作一般格式为：
{pattern} { /* do smthg*/
return TOKEN_NAME; }
|
于是 Yacc 就会获得返回的标记。当 Yacc 编译一个带有 _d 标记的
.y文件时，会生成一个头文件，它对每个标记都有
#define
的定义。 如果 Lex 和 Yacc 一起使用的话，头文件必须在相应的 Lex 文件
.lex中的 C 声明段中包括。
让我们回到名字和年龄的文件解析例子中，看一看 Lex 和 Yacc
文件的代码。
Name.y - 语法文件
%
typedef char* string;
#define YYSTYPE string
%}
%token NAME EQ AGE
%%
file : record file
| record
;
record : NAME EQ AGE {
printf("%s is %s years old!!!\n", $1, $3); }
;
%%
int main()
{
yyparse();
return 0;
}
int yyerror(char *msg)
{
printf("Error
encountered: %s \n", msg);
}
|
Name.lex - Lex 的解析器文件
%{
#include "y.tab.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
extern char* yylval;
%}
char [A-Za-z]
num [0-9]
eq [=]
name {char}+
age {num}+
%%
{name} { yylval = strdup(yytext);
return NAME; }
{eq} { return EQ; }
{age} { yylval = strdup(yytext);
return AGE; }
%%
int yywrap()
{
return 1;
}
|
作为一个参考，我们列出了
y.tab.h, Yacc 生成的头文件。
y.tab.h - Yacc 生成的头文件
# define NAME 257
# define EQ 258
# define AGE 259
|
我们对于 Lex 和
Yacc的讨论到此为止。今天你想要编译什么语言呢？
参考资料
- 您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的
英文原文.
-
Lex and Yacc, Levine, Mason 和 Branson, O?Reilly
及其合作公司，2nd Ed。
-
Program Development in UNIX, J. T. Shen, Prentice-Hall
India。
-
Compilers: Principles, Techniques and Tools, Ahoo, Sethi 和
Ullman, Addison-Wesley Pub. Co., 1985，11。
-
Lex and
Yacc and compiler writing指导。
- Java 版的 Lex 指导, 叫做
Jlex。
- 使用 Lex 和 Yacc 的
formalizing
a grammar实例。
关于作者 |
| |
Ashish Bansal 具有印度瓦腊纳西 Banaras Hindu
大学技术学院的电子与通信工程学士学位。 他目前是 Sapient
公司的软件工程师。他的Email是
abansal@sapient.com。
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