Antlr 学习记录

2021-11-05 10:24 | (license)

背景知识

抽象语法树 (Abstract Syntax Tree, AST) 是源代码结构的一种抽象表示，它以树的形状表示语言的语法结构。抽象语法树一般可以用来进行代码语法的检查，代码风格的检查，代码的格式化，代码的高亮，代码的错误提示以及代码的自动补全等等。

简介

ANTLR v4 是一款功能强大的语法分析器生成器，可以用来读取、处理、执行和转换结构化文本或二进制文件。它被广泛应用于学术界和工业界构建各种语言、工具和框架。Antlr4 生成的解析器包含了词法分析程序和语法分析程序，没错，这就是编译原理课程中的词法分析和语法分析。

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上面代码经过 Antlr 解析后便成了下图

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它做了什么？

词法分析( lexical analysis ) + 语法分析( syntax analysis )

  1. 词法分析 —— 读取字符流，将字符识别为各种 Token ，标记好类别。比如下图中的赋值语句sp=100，词法分析后得出sp = 100 三个 Token。
  2. 语法分析 —— 语法分析通过解析词法分析生成的 Token 来识别语句结构，它一般不在乎符号的内容，只关心它们的类型。上边的语句经过语法分析后，就会得出这是赋值语句的结论。

ANTLR v4 的语法规则分为词法 (Lexer) 规则和语法 (Parser) 规则：词法规则定义了怎么将代码字符串序列转换成标记序列；语法规则定义怎么将标记序列转换成语法树。通常，词法规则的规则名以大写字母命名，而语法规则的规则名以小写字母开始。

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Antlr 语法规则

ruleName: alternative1 | alternative2 | alternative3 ;

Antlr 4 的每条rule结构如上，这条语法规则申明一条名为 ruleName 的rule，其中 | 表名为分支、即该 rule 可以匹配三个分支中的任何一个。

  • 注释：和 Java 的注释完全一致 // 单行注释 /* */ 多行注释；
  • 标志符：参考 Java 或者 C 的标志符命名规范，针对 Lexer 部分的 Token 名的定义，采用全大写字母的形式，对于 parser rule 命名，推荐首字母小写的驼峰命名；
  • 不区分字符和字符串，都是用单引号引起来的，同时，虽然 Antlr g4 支持 Unicode 编码（即支持中文编码），但是建议大家尽量还有英文；

详情查看官方文档

Import

import语法可以将语法文件变得可复用性更强

Tips:

  • Lexer 语法能导入 Lexer 语法
  • Parser 语法能导入 Parser 语法
  • 统一写的语法**（combined grammars）**文件可以导入 Lexer 或 Parser
  • import 语法不会引入已经定义好的rule
grammar Expr;
import Expr1, Expr2;

Tokens

tokens是用来定义没有关联词法rule的 token

lexer gammar ExprLexer;
tokens { Token1, ..., TokenN }

Action

行为，主要有 @header 和 @members，用来定义一些需要生成到目标代码中的行为，例如，可以通过 @header 设置生成的代码的 package 信息，@members 可以定义额外的一些变量到 Antlr4 语法文件中。

统一写的语法文件里，action 需要限制性质，@parser::name 或 @lexer:name

grammar Count;
 
@header {
package foo;
}
 
@members {
int count = 0;
}
 
list
@after {System.out.println(count+" ints");}
: INT {count++;} (',' INT {count++;} )*
;
 
INT : [0-9]+ ;
WS : [ \r\t\n]+ -> skip ;

词法规则 (lexer)

基础

grammar Hello;               // 定义文法的名字

s  : 'hello' ID ;            // 匹配关键字hello和标志符
ID : [a-z]+ ;                // 标志符由小写字母组成
WS : [ \t\r\n]+ -> skip ;    // 跳过空格、制表符、回车符和换行符

TOKEN:  TEST
语法描述
T (冒号左边的)在当前行匹配 token T。Token 通常以大写字母开头，对应上方代码中的 TOKEN
T (冒号右边的)调用规则 T ，可以是token 也可以是 fragment 中的 rule，对应上方代码中的 TEST
’x’匹配单引号内的字符序列，如 ’while’ 或者 ’=’
[xyz]匹配中括号内的字符，比如 [1-9] 即匹配 1 到 9 之间的值。
'x'..'y'匹配 x 和 y 之间的任意字符。'a'..'z' 等价于 [a-z]
.匹配任意一个值
~x匹配任意不在x中的值
x?匹配 x 0 次 或 1 次
X*匹配 x 0 次以上
x+匹配 x 1 次以上
x | yx 或 y
{«action»}示例： `END : ('endif'
{«p»}?语义断言 «p»。如果在运行环境中，该断言判断为 false ，那么其附近的rule将会变为“不可见的”，同样地， «p»中的指令应跟目标语言的语法一致。 详情见官方文档 需要注意的是，语义断言需在 action 之前

Fragment

在fragment下可以定义不是 token 但可以用来帮助识别 token 的规则

比如 DIGIT 是个很常见的 fragment rule。使用 fragment 前缀来定义，ANTLR 就会知道这条rule仅仅用来组成其它词法规则，而不会单独使用。DIGIT 本身并不是我们需要的符号，也就是说，我们在语法分析器中是看不到 DIGIT 这个符号的。

INT : DIGIT+ ; // 引用 DIGIT rule
fragment
DIGIT : [0-9] ; // 不是一个 token

Mode

mode 允许以上下文的形式将rule分组。Lexer 仅能匹配当前 mode 下的rule，所有没定义 mode 的rule将会被归于默认 mode 中。mode仅能在 Lexer 中定义，不能在统一语法文件中。

mode 可通过 pushMode(modeName) 进入，popMode退出

lexer grammar HTMLLexer;

// rules in default mode

TAG_OPEN
    : '<' -> pushMode(TAG)
    ;


mode TAG;

// rules in TAG mode

TAG_CLOSE
    : '>' -> popMode
    ;

TAG_SLASH_CLOSE
    : '/>' -> popMode
    ;

递归

Antlr 的词法规则可以是递归的，这样的话想要匹配嵌套语法就很方便了

lexer grammar Recur;
 
ACTION : '{' ( ACTION | ~[{}] )* '}' ;
 
WS : [ \r\t\n]+ -> skip ;

Antlr 4 可以处理直接的左递归，但不能处理间接的左递归。

expr      :  expr '*' expr        // 直接的左递归
          |  addExpr              // 间接的左递归
          ;

addExpr   :  expr '+' expr ;

重复声明Rule

不同rule名，但右边是一样的话，在 antlr 里是不允许的。但是在不同 mode中却是可行的。如：

lexer grammar L;

AND : '&' ;

mode STR;
MASK : '&' ;

Parser 语法里不能识别单纯的 '&'，但可以识别 token 名（因为不同mode）

parser grammar P;
options {  tokenVocab=L;  }
a:    '&'    // 识别不了
 |    AND    // 没问题
 |    MASK    // 没问题
 ;

指令

Antlr 的指令写在rule后面，需要用 ->连接。和action一样，一个 token 后只能有一个指令，可以用,分割多个指令

TokenName : «alternative» -> 指令名
TokenName : «alternative» -> 指令名 («identifier or integer»)

可用的指令名：

  • skip
  • more
  • popMode
  • mode(x)
  • pushMode(x)
  • type(x)
  • channel(x)

skip

skip命令可以告诉 Lexer 跳过当前 token

ID : [a-zA-Z]+ ; // 匹配标识符
INT : [0-9]+ ; // 匹配整数
NEWLINE:'\r'? '\n' ; // 匹配换行
WS : [ \t]+ -> skip ; // 不要识别空格和 tab

mode(), pushMode(), popMode() 和 more

通过这些指令可以切换 Lexer 的 mode 栈, more指令可以在不退出当前 mode 的同时识别其他 mode 的rule。

type()

切换为某个 token 名。多个 type()指令的话，只有最右边的生效

lexer grammar SetType;
tokens { STRING }
DOUBLE : '"' .*? '"'   -> type(STRING) ;
SINGLE : '\'' .*? '\'' -> type(STRING) ;
WS     : [ \r\t\n]+    -> skip ;

channel()

放到 channel (HIDDEN) 中的 Token，不会被语法解析阶段处理，但是可以通过 Token 遍历获取到。

BLOCK_COMMENT
        : '/*' .*? '*/' -> channel(HIDDEN)
        ;
LINE_COMMENT
        : '//' ~[\r\n]* -> channel(HIDDEN)
        ;
... 
// ----------
// Whitespace
//
// 对人类需要看到，但是对于编译器不需要
// 看到的字符，可以选择隐藏
// 
//
WS : [ \t\r\n\f]+ -> channel(HIDDEN) ;

Antlr 4.5 版本后，可以像下面这样定义 channel，只有 Lexer 语法可以自定义 channel。

channels {  WSCHANNEL, MYHIDDEN  }

语法规则 （Parser）

基础

Parser 主要是定义目标语言的语法规则，比如识别编程语言中的声明语句

语法描述
r (冒号左边的)在当前行匹配 rule r。rule通常以小写字母开头
T (冒号右边的)匹配 Token T ，即 Lexer 中的 Token
’x’同 Lexer
r [«args»]像执行函数一样匹配 rule r 的同时传入中括号内定义的一系列参数。 参数的语法与生成目标语言一致 多个表达式以,分隔
.同 Lexer
~x
x?
X*
x+
x | y
{«action»}
{«p»}?

可选项标签

通过给语法rule的各个可选项 (alternative) 加上# 标签 可以获得更准确的编译信息。

注意：要么给全部可选项加上标签，要么就全都不加

grammar T;

sentence
    :   TEXT* expression TEXT* (END_SIGN|NL)*   # TextWithExpression
    |   expression  END_SIGN?  # ExpressionOnly
    |   TEXT    (END_SIGN|NL)*   # TextOnly
    ;

Rule 内容对象

Antlr 会生成可以访问每一条rule内容的方法（与引用rule名有关），比如下面 rule 中 expression 引用了 expr：

parser grammar TestParser;

expression
    :   EXPR_START EXPR_TYPE EXPR_HASH expr EXPR_END
    ;

Antlr 生成的对象则为：

public static class ExpressionContext extends ParserRuleContext {
         public ExprContext expr() { ... } // return context object associated with expr
         ...
}

如果有多个对 expr 的引用，也是可以的：

parser grammar TestParser;

expression
    :   EXPR_START EXPR_TYPE EXPR_HASH expr EXPR_HASH expr EXPR_END
    ;

那么就会生成如下：

public static class ExpressionContext extends ParserRuleContext {
         public ExprContext expr(int i) { ... } // 获取单独的内容
         public List<ExprContext> expr() { ... } // 获取所有的 expr 内容
         ...
}

Rule 元素标签

可以使用=符号给rule元素加上标签（别名？）

parser grammar TestParser;

expression
    :   EXPR_START EXPR_TYPE EXPR_HASH sentence=expr EXPR_END
    ;

那么 Antlr 生成的类则是：

public static class ExpressionContext extends StatContext {
         public ExprContext sentence;
         ...
}

异常捕获

每一条 rule 都被包裹在 try/catch/finally中

参考官方文档

Start Rule 和 EOF

Start Rule 是被 Parser 解析的第一个 rule，所有 rule 都可以作为 Start Rule。

解决歧义

优先级

靠前的规则可选项优先级更高

expr    :    expr '*' expr        // 乘法运算写在前边，会被优先匹配
        |    expr '+' expr
        ;

右结合

如指数运算2 ^ 5 ^ 7是右结合的，需要先计算5 ^ 7，可以使用assoc来指定结合性

expr    :    expr '^'<assoc=right> expr    // 指定右结合
        |    INT
        ;

实现解析简单运算

lexer grammar ExprLexer;

MUL     : '*' ;
DIV     : '/' ;
ADD     : '+' ;
SUB     : '-' ;
LPAREN  : '(' ;
RPAREN  : ')' ;

ID      : LETTER (LETTER | DIGIT)*  ;
INT     : [0-9]+ ;
EQ      : '=' ;
SEMI    : ';' ;
COMMENT : '//' ~[\r\n]* '\r'? '\n'? -> channel(HIDDEN);
WS      : [ \r\n\t]+ -> channel(HIDDEN);

fragment
LETTER  : [a-zA-Z] ;
fragment
DIGIT   : [0-9] ;

parser grammar ExprParser;

options {  tokenVocab = ExprLexer;  }

prog
    : stat+ ;

stat
    : exprStat
    | assignStat
    ;

exprStat
    : expr SEMI
    ;

assignStat
    : ID EQ expr SEMI
    ;

expr
    : expr op = (MUL | DIV ) expr   # MulDivExpr
    | expr op = ( ADD | SUB ) expr   # AddSubExpr
    | INT                       # IntExpr
    | ID                        # IdExpr
    | LPAREN expr RPAREN        # ParenExpr
    ;

最佳实践

非贪婪匹配

很多开发语言都支持多行注释，比如 Java 或 C 指定在 /* 与 */ 之间的任意字符都是注释的内容。ANTLR 默认使用贪婪匹配的原则，如果一个文件内有多块注释，那么从第一个 /* 一直到最后一个 */ 之间的所有内容都会被匹配为注释内容。所以对于这类的语法定义需要使用非贪婪匹配：

comment    :    '/*' .*? '*/';        // *?表示非贪婪匹配

将词法符号送入不同通道

ANTLR 支持在词法分析阶段将词法符号放到不同的通道，除了默认通道，其他自定义的通道都是隐藏的，对语法分析不可见。比如，分析并运行 Java 文件的应用并不关心文件里的空白字符和注释，这些不关心的内容可以放入丢弃通道，接下来的语法分析会忽略这部分内容，加快分析的速度。把某种语言翻译成另一种语言的应用，如果两种语言有一部分相同的语法，可以把这部分内容送入单独的通道，略过语法分析，在最后的翻译应用中再取出复制。下边是对内置丢弃通道 skip通道与自定义通道的使用示例：

@lexer::members {
public static final int COMMENTS = 1;                     // 非ANTLR内置的通道需要定义
}

COMMENT    :    '\\' .*? '\n' -> channel(COMMENTS) ;      // 将注释放入COMMENTS通道

WS         :    [ \t\n\r]+    ->    skip ;                // 将空白字符放入skip通道，skip通道是ANTLR内置的通道，传入的符号将被丢弃

处理同一文件中的不同格式

有一些语言，其结构化的区域被随机文本所包围，被称为孤岛语言（island language）。比如 XML 或 HTML，<> 之内包裹的部分是结构化的标签，而外部则是大片我们不关心的文本。处理这一类语言就需要用到mode。下边以一个简化的 XML 语法为例：

file    :    (tag | TEXT)* ;

tag     :    '<' ID '>'
        |    '<' '/' ID '>'
        ;

OPEN    :    '<'         -> mode(TAG) ;             // 切换到TAG模式
TEXT    :    ~'<'+ ;

mode TAG;                                           // 从此处向下的部分为TAG模式的词法
CLOSE    :    '>'        -> mode(DEFAULT_MODE) ;    // 返回默认模式
SLASH    :    '/' ;
ID       :    [a-zA-Z]+ ;

参考资料

  1. Antlr 4 官方文档
  2. ANTLR：在浏览器中玩语法解析
  3. 从定义到 AST 及其遍历方式，一文带你搞懂 Antlr 4
  4. Antlr 4 简明教程
  5. Antlr 4 进阶
  6. 语法解析器 ANTLR4 从入门到实践
  7. Antlr mega tutorial