手把手教你做一个 C 语言编译器（3）：词法分析器
本章我们要讲解如何构建词法分析器。
本系列：
什么是词法分析器
简而言之，词法分析器用于对源码字符串做预处理，以减少语法分析器的复杂程度。
词法分析器以源码字符串为输入，输出为标记流（token stream），即一连串的标记，每个标记通常包括： (token, token value) 即标记本身和标记的值。例如，源码中若包含一个数字 '998' ，词法分析器将输出 (Number, 998)，即（数字，998）。再例如：
2 + 3 * (4 - 5)
=>
(Number, 2) Add (Number, 3) Multiply Left-Bracket (Number, 4) Subtract (Number, 5) Right-Bracket
通过词法分析器的预处理，语法分析器的复杂度会大大降低，这点在后面的语法分析器我们就能体会。
词法分析器与编译器
要是深入词法分析器，你就会发现，它的本质上也是编译器。我们的编译器是以标记流为输入，输出汇编代码，而词法分析器则是以源码字符串为输入，输出标记流。
+-------+ +--------+
-- source code --> | lexer | --> token stream --> | parser | --> assembly
+-------+ +--------+
在这个前提下，我们可以这样认为：直接从源代码编译成汇编代码是很困难的，因为输入的字符串比较难处理。所以我们先编写一个较为简单的编译器（词法分析器）来将字符串转换成标记流，而标记流对于语法分析器而言就容易处理得多了。
词法分析器的实现
由于词法分析的工作很常见，但又枯燥且容易出错，所以人们已经开发出了许多工具来生成词法分析器，如 lex, flex。这些工具允许我们通过正则表达式来识别标记。
这里注意的是，我们并不会一次性地将所有源码全部转换成标记流，原因有二：
- 字符串转换成标记流有时是有状态的，即与代码的上下文是有关系的。
- 保存所有的标记流没有意义且浪费空间。
所以实际的处理方法是提供一个函数（即前几篇中提到的 next()），每次调用该函数则返回下一个标记。
支持的标记
在全局中添加如下定义：
// tokens and classes (operators last and in precedence order)
enum {
Num = 128, Fun, Sys, Glo, Loc, Id,
Char, Else, Enum, If, Int, Return, Sizeof, While,
Assign, Cond, Lor, Lan, Or, Xor, And, Eq, Ne, Lt, Gt, Le, Ge, Shl, Shr, Add, Sub, Mul, Div, Mod, Inc, Dec, Brak
};
这些就是我们要支持的标记符。例如，我们会将 = 解析为 Assign；将 == 解析为Eq；将 != 解析为 Ne 等等。
所以这里我们会有这样的印象，一个标记（token）可能包含多个字符，且多数情况下如此。而词法分析器能减小语法分析复杂度的原因，正是因为它相当于通过一定的编码（更多的标记）来压缩了源码字符串。
当然，上面这些标记是有顺序的，跟它们在 C 语言中的优先级有关，如 *(Mul) 的优先级就要高于 +(Add)。它们的具体使用在后面的语法分析中会提到。
最后要注意的是还有一些字符，它们自己就构成了标记，如右方括号 ] 或波浪号 ~等。我们不另外处理它们的原因是：
- 它们是单字符的，即并不是多个字符共同构成标记（如
==需要两个字符）； - 它们不涉及优先级关系。
词法分析器的框架
即 next() 函数的主体：
void next() {
char *last_pos;
int hash;
while (token = *src) {
++src;
// parse token here
}
return;
}
这里的一个问题是，为什么要用 while 循环呢？这就涉及到编译器（记得我们说过词法分析器也是某种意义上的编译器）的一个问题：如何处理错误？
对词法分析器而言，若碰到了一个我们不认识的字符该怎么处理？一般处理的方法有两种：
- 指出错误发生的位置，并退出整个程序
- 指出错误发生的位置，跳过当前错误并继续编译
这个 while 循环的作用就是跳过这些我们不识别的字符，我们同时还用它来处理空白字符。我们知道，C 语言中空格是用来作为分隔用的，并不作为语法的一部分。因此在实现中我们将它作为“不识别”的字符，这个 while 循环可以用来跳过它。
换行符
换行符和空格类似，但有一点不同，每次遇到换行符，我们需要将当前的行号加一：
// parse token here
...
if (token == '\n') {
++line;
}
...
宏定义
C 语言的宏定义以字符 # 开头，如 # include <stdio.h>。我们的编译器并不支持宏定义，所以直接跳过它们。
else if (token == '#') {
// skip macro, because we will not support it
while (*src != 0 && *src != '\n') {
src++;
}
}
标识符与符号表
标识符（identifier）可以理解为变量名。对于语法分析而言，我们并不关心一个变量具体叫什么名字，而只关心这个变量名代表的唯一标识。例如 int a; 定义了变量a，而之后的语句 a = 10，我们需要知道这两个 a 指向的是同一个变量。
基于这个理由，词法分析器会把扫描到的标识符全都保存到一张表中，遇到新的标识符就去查这张表，如果标识符已经存在，就返回它的唯一标识。
那么我们怎么表示标识符呢？如下：
struct identifier {
int token;
int hash;
char * name;
int class;
int type;
int value;
int Bclass;
int Btype;
int Bvalue;
}
这里解释一下具体的含义：
token：该标识符返回的标记，理论上所有的变量返回的标记都应该是Id，但实际上由于我们还将在符号表中加入关键字如if,while等，它们都有对应的标记。hash：顾名思义，就是这个标识符的哈希值，用于标识符的快速比较。name：存放标识符本身的字符串。class：该标识符的类别，如数字，全局变量或局部变量等。type：标识符的类型，即如果它是个变量，变量是int型、char型还是指针型。value：存放这个标识符的值，如标识符是函数，刚存放函数的地址。BXXXX：C 语言中标识符可以是全局的也可以是局部的，当局部标识符的名字与全局标识符相同时，用作保存全局标识符的信息。
由上可以看出，我们实现的词法分析器与传统意义上的词法分析器不太相同。传统意义上的符号表只需要知道标识符的唯一标识即可，而我们还存放了一些只有语法分析器才会得到的信息，如 type 。
由于我们的目标是能自举，而我们定义的语法不支持 struct，故而使用下列方式。
Symbol table:
----+-----+----+----+----+-----+-----+-----+------+------+----
.. |token|hash|name|type|class|value|btype|bclass|bvalue| ..
----+-----+----+----+----+-----+-----+-----+------+------+----
|<--- one single identifier --->|
即用一个整型数组来保存相关的ID信息。每个ID占用数组中的9个空间，分析标识符的相关代码如下：
int token_val; // value of current token (mainly for number)
int *current_id, // current parsed ID
*symbols; // symbol table
// fields of identifier
enum {Token, Hash, Name, Type, Class, Value, BType, BClass, BValue, IdSize};
void next() {
...
else if ((token >= 'a' && token <= 'z') || (token >= 'A' && token <= 'Z') || (token == '_')) {
// parse identifier
last_pos = src - 1;
hash = token;
while ((*src >= 'a' && *src <= 'z') || (*src >= 'A' && *src <= 'Z') || (*src >= '0' && *src <= '9') || (*src == '_')) {
hash = hash * 147 + *src;
src++;
}
// look for existing identifier, linear search
current_id = symbols;
while (current_id[Token]) {
if (current_id[Hash] == hash && !memcmp((char *)current_id[Name], last_pos, src - last_pos)) {
//found one, return
token = current_id[Token];
return;
}
current_id = current_id + IdSize;
}
// store new ID
current_id[Name] = (int)last_pos;
current_id[Hash] = hash;
token = current_id[Token] = Id;
return;
}
...
}
查找已有标识符的方法是线性查找 symbols 表。
数字
数字中较为复杂的一点是需要支持十进制、十六进制及八进制。逻辑也较为直接，可能唯一不好理解的是获取十六进制的值相关的代码。
token_val = token_val * 16 + (token & 16) + (token >= 'A' ? 9 : 0);
这里要注意的是在ASCII码中，字符a对应的十六进制值是 61, A是41，故通过(token & 16) 可以得到个位数的值。其它就不多说了，这里这样写的目的是装B（其实是抄 c4 的源代码的）。
void next() {
...
else if (token >= '0' && token <= '9') {
// parse number, three kinds: dec(123) hex(0x123) oct(017)
token_val = token - '0';
if (token_val > 0) {
// dec, starts with [1-9]
while (*src >= '0' && *src <= '9') {
token_val = token_val*10 + *src++ - '0';
}
} else {
// starts with number 0
if (*src == 'x' || *src == 'X') {
//hex
token = *++src;
while ((token >= '0' && token <= '9') || (token >= 'a' && token <= 'f') || (token >= 'A' && token <= 'F')) {
token_val = token_val * 16 + (token & 15) + (token >= 'A' ? 9 : 0);
token = *++src;
}
} else {
// oct
while (*src >= '0' && *src <= '7') {
token_val = token_val*8 + *src++ - '0';
}
}
}
token = Num;
return;
}
...
}
字符串
在分析时，如果分析到字符串，我们需要将它存放到前一篇文章中说的 data 段中。然后返回它在 data 段中的地址。另一个特殊的地方是我们需要支持转义符。例如用\n 表示换行符。由于本编译器的目的是达到自己编译自己，所以代码中并没有支持除\n 的转义符，如 \t, \r 等，但仍支持 \a 表示字符 a 的语法，如 \" 表示 "。
在分析时，我们将同时分析单个字符如 'a' 和字符串如 "a string"。若得到的是单个字符，我们以 Num 的形式返回。相关代码如下：
void next() {
...
else if (token == '"' || token == '\'') {
// parse string literal, currently, the only supported escape
// character is '\n', store the string literal into data.
last_pos = data;
while (*src != 0 && *src != token) {
token_val = *src++;
if (token_val == '\\') {
// escape character
token_val = *src++;
if (token_val == 'n') {
token_val = '\n';
}
}
if (token == '"') {
*data++ = token_val;
}
}
src++;
// if it is a single character, return Num token
if (token == '"') {
token_val = (int)last_pos;
} else {
token = Num;
}
return;
}
}
注释
在我们的 C 语言中，只支持 // 类型的注释，不支持 /* comments */ 的注释。
void next() {
...
else if (token == '/') {
if (*src == '/') {
// skip comments
while (*src != 0 && *src != '\n') {
++src;
}
} else {
// divide operator
token = Div;
return;
}
}
...
}
这里我们要额外介绍 lookahead 的概念，即提前看多个字符。上述代码中我们看到，除了跳过注释，我们还可能返回除号 /(Div) 标记。
提前看字符的原理是：有一个或多个标记是以同样的字符开头的（如本小节中的注释与除号），因此只凭当前的字符我们并无法确定具体应该解释成哪一个标记，所以只能再向前查看字符，如本例需向前查看一个字符，若是 / 则说明是注释，反之则是除号。
我们之前说过，词法分析器本质上也是编译器，其实提前看字符的概念也存在于编译器，只是这时就是提前看k个“标记”而不是“字符”了。平时听到的 LL(k) 中的 k 就是需要向前看的标记的个数了。
另外，我们用词法分析器将源码转换成标记流，能减小语法分析复杂度，原因之一就是减少了语法分析器需要“向前看”的字符个数。
其它
其它的标记的解析就相对容易一些了，我们直接贴上代码：
void next() {
...
else if (token == '=') {
// parse '==' and '='
if (*src == '=') {
src ++;
token = Eq;
} else {
token = Assign;
}
return;
}
else if (token == '+') {
// parse '+' and '++'
if (*src == '+') {
src ++;
token = Inc;
} else {
token = Add;
}
return;
}
else if (token == '-') {
// parse '-' and '--'
if (*src == '-') {
src ++;
token = Dec;
} else {
token = Sub;
}
return;
}
else if (token == '!') {
// parse '!='
if (*src == '=') {
src++;
token = Ne;
}
return;
}
else if (token == '<') {
// parse '<=', '<<' or '<'
if (*src == '=') {
src ++;
token = Le;
} else if (*src == '<') {
src ++;
token = Shl;
} else {
token = Lt;
}
return;
}
else if (token == '>') {
// parse '>=', '>>' or '>'
if (*src == '=') {
src ++;
token = Ge;
} else if (*src == '>') {
src ++;
token = Shr;
} else {
token = Gt;
}
return;
}
else if (token == '|') {
// parse '|' or '||'
if (*src == '|') {
src ++;
token = Lor;
} else {
token = Or;
}
return;
}
else if (token == '&') {
// parse '&' and '&&'
if (*src == '&') {
src ++;
token = Lan;
} else {
token = And;
}
return;
}
else if (token == '^') {
token = Xor;
return;
}
else if (token == '%') {
token = Mod;
return;
}
else if (token == '*') {
token = Mul;
return;
}
else if (token == '[') {
token = Brak;
return;
}
else if (token == '?') {
token = Cond;
return;
}
else if (token == '~' || token == ';' || token == '{' || token == '}' || token == '(' || token == ')' || token == ']' || token == ',' || token == ':') {
// directly return the character as token;
return;
}
...
}
代码较多，但主要逻辑就是向前看一个字符来确定真正的标记。
关键字与内置函数
虽然上面写完了词法分析器，但还有一个问题需要考虑，那就是“关键字”，例如 if,while, return 等。它们不能被作为普通的标识符，因为有特殊的含义。
一般有两种处理方法：
- 词法分析器中直接解析这些关键字。
- 在语法分析前将关键字提前加入符号表。
这里我们就采用第二种方法，将它们加入符号表，并提前为它们赋予必要的信息（还记得前面说的标识符 Token 字段吗？）。这样当源代码中出现关键字时，它们会被解析成标识符，但由于符号表中已经有了相关的信息，我们就能知道它们是特殊的关键字。
内置函数的行为也和关键字类似，不同的只是赋值的信息，在main函数中进行初始化如下：
// types of variable/function
enum { CHAR, INT, PTR };
int *idmain; // the `main` function
void main() {
...
src = "char else enum if int return sizeof while "
"open read close printf malloc memset memcmp exit void main";
// add keywords to symbol table
i = Char;
while (i <= While) {
next();
current_id[Token] = i++;
}
// add library to symbol table
i = OPEN;
while (i <= EXIT) {
next();
current_id[Class] = Sys;
current_id[Type] = INT;
current_id[Value] = i++;
}
next(); current_id[Token] = Char; // handle void type
next(); idmain = current_id; // keep track of main
...
program();
}
代码
本章的代码可以在 Github 上下载，也可以直接 clone
git clone -b step-2 https://github.com/lotabout/write-a-C-interpreter
上面的代码运行后会出现 ‘Segmentation Falt’，这是正常的，因为它会尝试运行我们上一章创建的虚拟机，但其中并没有任何汇编代码。
小结
本章我们为我们的编译器构建了词法分析器，通过本章的学习，我认为有几个要点需要强调：
- 词法分析器的作用是对源码字符串进行预处理，作用是减小语法分析器的复杂程度。
- 词法分析器本身可以认为是一个编译器，输入是源码，输出是标记流。
lookahead(k)的概念，即向前看k个字符或标记。- 词法分析中如何处理标识符与符号表。
下一章中，我们将介绍递归下降的语法分析器。我们下一章见。