使用 Python 開發(fā)一個 Python 解釋器

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)。

標記（Token）

標記是為解釋器提供有意義信息的最小字符單位。標記包含一對名稱和屬性值。

讓我們從創(chuàng)建標記名稱列表開始。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",
)

詞法分析器（Lexer）

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

#?標記的正則表達
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'

lexer?=?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?的標記將是：

紫色字符代表的是標記的名稱，其后是標記的具體內(nèi)容。

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。

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")

????lexer?=?lex.lex()
????parser?=?yacc.yacc()

????while?True:
????????try:
????????????result?=?parser.parse(
????????????????input(">>>"),
????????????????debug=getLogger())
????????????print(result)
????????except?AttributeError:
????????????print("invalid?syntax")

結(jié)論

由于這個話題的體積龐大，這篇文章并不能將事物完全的解釋清楚，但我希望你能很好地理解文中涵蓋的表層知識。