用antlr4来实现《按编译原理的思路设计的一个计算器》中的计算器

上次在公司内部讲《词法分析——使用正则文法》是一次失败的尝试——上午有十几个人在场，下午就只来了四个听众。

本来我还在构思如何来讲“语法分析”的知识呢，但现在看来已不太可能。

这个课程没有预想中的受欢迎，其原因可能是：

1.课程内容相对复杂，听众知识背景与基础差异比较大。

2.授课技巧不够，不能把复杂的知识简单化的呈现给基础稍差一点的人。

针对这两个可能的原因，我要尝试做出以下调整：

1.使用antlr来实现词法和语法的部分。

2.暂时把“编译”过程改为“解释”来实现。

使用antlr的原因是：

1.采用文法生成器可直接略过词法和语法的部分直接进入语义分析，这样利于速成，同时避免学员被词法分析和语法分析的复杂性吓到，而失去了继续学习的勇气。

2.antlr的文法是LL(k)型，非常易于编写——虽然k型方法的性能肯定不如1型文法，但与初学者谈性能问题并不是一个好主意，不如直接避开性能不谈，能运行即可。

3.antlr默认生成的是java代码，这与公司内大多数员工的现有知识是相吻合的。

下面进入正文。

一、什么是antlr？如何安装？

这不是一篇凑字数的文章，所以请直接参考官方网站（http://www.antlr.org/）。

我使用的是目前的最新版本（V4.2.2）.

我上传了参考资料（包括jar包、电子书和官方示例）到百度云上，可从这个地址下载（http://pan.baidu.com/s/1hq65XWC）。

二、本计算器的文法示例及文法的解释。

整个计算器的词法的语法就由以下几行的antlr4代码来实现，先贴在下面：

grammar Calc;                            // 文法的名字为Calc

// 以下以小写字母开头的文法表示为语法元素
// 由大写字母开头的文法表示为词法元素
// 词法元素的表示类似于正则表示式
// 语法元素的表示类似于BNF

exprs : setExpr                            // set表达式
    | calcExpr                            // 或calc表达式
    ;

setExpr : 'set' agmts ;                    // 以set命令开头，后面是多个赋值语句
agmts   : agmt (';' agmts)? ';'? ;        // 多个赋值语句是由一个赋值语句后根着多个赋值语句，中间由分号分隔，结尾有一个可选的分号
agmt    : id=ID '=' num=NUMBER ;        // 一个赋值语句是由一个ID，后跟着一个等号，再后面跟送一个数字组成
calcExpr: 'calc' expr ;                    // 以calc命令开头，后面是一个计算表达式

// expr可能由多个产生式
// 在前面的产生式优先于在后面的产生式
// 这样来解决优先级的问题

expr: expr op=(MUL | DIV) expr            // 乘法或除法
    | expr op=(ADD | SUB) expr            // 加法或减法
    | factor                            // 一个计算因子——可做为+-*/的操作数据的东西
    ;

factor: (sign=(ADD | SUB))? num=NUMBER    // 计算因子可以是一个正数或负数
    | '(' expr ')'                        // 计算因子可以是括号括起来的表示式
    | id=ID                                // 计算因子可以是一个变量
    | funCall                            // 计算因子可以是一个函数调用
    ;

funCall: name=ID '(' params ')' ;        // 函数名后面加参数列表
params : expr (',' params)? ;            // 参数列表是由一个表达式后面跟关一个可选的参数列表组成

WS : [ \t\n\r]+ -> skip ;                // 空白， 后面的->skip表示antlr4在分析语言的文本时，符合这个规则的词法将被无视
ID : [a-z]+ ;                            // 标识符，由0到多个小写字母组成
NUMBER : [0-9]+('.'([0-9]+)?)? ;        // 数字
ADD : '+' ;
SUB : '-' ;
MUL : '*' ;
DIV : '/' ;

我们把这段文法保存到一个文件Calc.g4中，并运行命令“antlr4 -visitor Calc.g4”即生成6个java文件和两个tokens文件。

这几个文件包括了这个计算器的“词法分析程序”、“语法分析程序”和一个visitor（CalcBaseVisitor.java），不过此时这个visitor内部实现都是空的，我们需要自己实现它。

在实现这个visitor之前，我们先实现一个上下文，上下文的做用有两个：

1.保存变量——用于在计算表达式中引用变量。

2.保存堆栈——用于函数的参数传递。

这个上下文的内容很少，代码也很短，直接贴在下面：

 public class Context {
     private static Context ourInstance = new Context();

     public static Context getInstance() {
         return ourInstance;
     }

     private Context() {
     }

     private Map<String, Double> map = new HashMap<>();
     private Deque<Double> stack = new ArrayDeque<>();

     public Double getValue(String key) {
         Double d = map.get(key);
         return d == null ? Double.NaN : d;
     }

     public void setContext(String key, Double value) {
         map.put(key, value);
     }

     public void setContext(String key, String value) {
         setContext(key, Double.valueOf(value));
     }

     public void pushStack(Double d) {
         stack.push(d);
     }

     public Double popStack() {
         return stack.pop();
     }
 }

下面我们开始实现这个计算器的visitor，

 public class MyCalcVisitor extends CalcBaseVisitor<Double> {

     @Override
     public Double visitExprs(CalcParser.ExprsContext ctx) {
         return visit(ctx.getChild(0));
     }

     @Override
     public Double visitAgmt(CalcParser.AgmtContext ctx) {
         Context.getInstance().setContext(ctx.id.getText(), ctx.num.getText());
         return null;
     }

     @Override
     public Double visitAgmts(CalcParser.AgmtsContext ctx) {
         visit(ctx.agmt());
         if (ctx.agmts() != null)
             visit(ctx.agmts());
         return null;
     }

     @Override
     public Double visitCalcExpr(CalcParser.CalcExprContext ctx) {
         return visit(ctx.expr());
     }

     @Override
     public Double visitExpr(CalcParser.ExprContext ctx) {
         int cc = ctx.getChildCount();
         if (cc == 3) {
             switch (ctx.op.getType()) {
             case CalcParser.ADD:
                 return visit(ctx.expr(0)) + visit(ctx.expr(1));
             case CalcParser.SUB:
                 return visit(ctx.expr(0)) - visit(ctx.expr(1));
             case CalcParser.MUL:
                 return visit(ctx.expr(0)) * visit(ctx.expr(1));
             case CalcParser.DIV:
                 return visit(ctx.expr(0)) / visit(ctx.expr(1));
             }
         } else if (cc == 1) {
             return visit(ctx.getChild(0));
         }
         throw new RuntimeException();
     }

     @Override
     public Double visitFactor(CalcParser.FactorContext ctx) {
         int cc = ctx.getChildCount();
         if (cc == 3) {
             return visit(ctx.getChild(1));
         } else if (cc == 2) {
             if (ctx.sign.getType() == CalcParser.ADD)
                 return Double.valueOf(ctx.getChild(1).getText());
             if (ctx.sign.getType() == CalcParser.SUB)
                 return -1 * Double.valueOf(ctx.getChild(1).getText());
         } else if (cc == 1) {
             if (ctx.num != null)
                 return Double.valueOf(ctx.getChild(0).getText());
             if (ctx.id != null)
                 return Context.getInstance().getValue(ctx.id.getText());
             return visit(ctx.funCall());
         }
         throw new RuntimeException();
     }

     @Override
     public Double visitParams(CalcParser.ParamsContext ctx) {
         if (ctx.params() != null)
             visit(ctx.params());
         Context.getInstance().pushStack(visit(ctx.expr()));
         return null;
     }

     @Override
     public Double visitFunCall(CalcParser.FunCallContext ctx) {
         visit(ctx.params());
         String funName = ctx.name.getText();
         switch (funName) {
         case "pow":
             return Math.pow(Context.getInstance().popStack(), Context.getInstance().popStack());
         case "sqrt":
             return Math.sqrt(Context.getInstance().popStack());
         }
         throw new RuntimeException();
     }

     @Override
     public Double visitSetExpr(CalcParser.SetExprContext ctx) {
         return visit(ctx.agmts());
     }

 }

最后再实现一个入口，调用这个Visitor即完成了我们的计算器。

入口代码如下：

 import java.util.Scanner;

 import org.antlr.v4.runtime.ANTLRInputStream;
 import org.antlr.v4.runtime.CommonTokenStream;
 import org.antlr.v4.runtime.tree.ParseTree;

 public class Portal {

     private static final String lineStart = "CALC> ";

     public static void main(String[] args) {
         try (Scanner scanner = new Scanner(System.in)) {
             System.out.print(lineStart);
             while (scanner.hasNext()) {
                 String line = scanner.nextLine();
                 if (line != null) {
                     line = line.trim();
                     if (line.length() != 0) {
                         if ("exit".equals(line) || "bye".equals(line))
                             break;
                         ANTLRInputStream input = new ANTLRInputStream(line);
                         CalcLexer lexer = new CalcLexer(input);
                         CommonTokenStream tokens = new CommonTokenStream(lexer);
                         CalcParser parser = new CalcParser(tokens);
                         ParseTree tree = parser.exprs();
                         MyCalcVisitor mv = new MyCalcVisitor();
                         Double res = mv.visit(tree);
                         if (res != null)
                             System.out.println(res);
                     }
                 }

                 System.out.print(lineStart);
             }
         }
     }

 }

整个计算器只写了一个文法和三个类，所有代码都贴在上面了，相对于完全自己手写的计算器来说，的确是简单很多了。