llvm样例parser解析

    由于llvm的资料比较稀缺, 所以品读官方文档就成了最佳了解llvm的方法, tutorial的整个流程目的是实现一个语法简单, 但较为完整的实现一个编译器. 而其中第一个步骤便是简单地实现一个前端parser, parser算法整个编译器流程中最为简单的一部分, 但也是整个编译器的入口(话说当时学编译原理的时候老师主要讲的就是这一部分).

    tutorial中这个Parser主要分为三个部分, lexer, AST(abstract syntax tree) 与 parser主体, 代码很清晰, 我们来一部分一部分看.

lexer

enum Token {
tok_eof = -1,
tok_def = -2,
tok_extern = -3,
tok_identifier = -4,
tok_number = -5
};  // 返回token类型

static std::string IdentifierStr;
static double NumVal;
// 值标记

static int gettok()
{
// 去空格
static int Lastc = ' ';
while(isspace(Lastc))
  Lastc = getchar();

// 判断标识符
if(isalpha(Lastc))
  {
    IdentifierStr = Lastc;
    while(isalnum(Lastc = getchar()))
      IdentifierStr += Lastc;
    if(IdentifierStr == "def")
      return tok_def;
    if(IdentifierStr == "extern")
      return tok_extern;
    return tok_identifier;
  }

// 判断数字
if(isdigit(Lastc) || Lastc == '.')
  {
    std::string Numstr;
    do {
      Numstr += Lastc;
      Lastc = getchar();
    }while(isdigit(Lastc) || Lastc == '.');

    NumVal = strtod(Numstr.c_str(), nullptr);
    return tok_number;
  }

// 判断注释
if(Lastc == '#')
  {
    do
      Lastc = getchar();
    while(Lastc != EOF || Lastc != '\n' || Lastc != '\r');

    if(Lastc != EOF)
      return gettok();
  }

// 判断结尾
if(Lastc == EOF)
  return tok_eof;

// 判断特殊字符(';', '(', ')', ',')
int Thischar = Lastc;
Lastc = getchar();
return Thischar;
}

这个lexer的目的十分清楚, 识别token, 这个token可以是数字, 变量或关键字, 识别后如果是变量或数字就返回变量名或值. 其中枚举类型列举了所有返回的类型.

AST

namespace {
  class ExprAST {
  public:
    virtual ~ExprAST() = default;
  };
  
// 数值类
  class NumberExprAST : public ExprAST{
    double Val;
  public:
    NumberExprAST(double Val) : Val(Val) {}
  };

// 简单变量类
  class VariableExprAST : public ExprAST {
    std::string Name;
  public:
    VariableExprAST(const std::string &Name) : Name(Name) {}
  };

// 运算表达式类
  class BinaryExprAST {
    char Op;
    std::unique_ptr<ExprAST> LHS, RHS;
  public:
    BinaryExprAST(char Op, std::unique_ptr<ExprAST> LHS, std::unique_ptr<ExprAST> RHS)
      : Op(Op), LHS(std::move(LHS)), RHS(std::move(RHS)) {}
  };

  // 数组类
  class CallExprAST {
    std::string Callee;
    std::vector<std::unique_ptr<ExprAST>> Args;
  public:
    CallExprAST(std::string Callee, std::vector<std::unique_ptr<ExprAST>> Args)
      : Callee(Callee), Args(std::move(Args)) {}
  };

// 函数原型类(函数名, 参数名数组)
  class PrototypeAST {
    std::string Name;
    std::vector<std::string> Args;
  public:
    PrototypeAST(const std::string &Name, std::vector<std::string> Args)
      : Name(Name), Args(std::move(Args)) {}

    const std::string &getName() const {return Name;}
  };

// 函数类(函数原型, 函数体)
  class FunctionAST {
    std::unique_ptr<PrototypeAST> Proto;
    std::unique_ptr<ExprAST> Body;
  public:
    FunctionAST(std::unique_ptr<PrototypeAST> Proto, std::unique_ptr<ExprAST> Body)
      : Proto(std::move(Proto)), Body(std::move(Body)) {}
  };
}

抽象语法树也比较清晰, 一个有七个类, 分别表达了从简单变量到函数的定义方法

Parser

/===---------------------------------------------------------------------------------------------===//
//                                                parser                                             //
//===---------------------------------------------------------------------------------------------===//
static int CurTok;
static int getNextToken() { return CurTok = gettok(); }

static std::map<char,int> BinopPrecedence;

/*
 * 返回操作符优先级
 * 不吞token
 */
static int GetTokPrecedence() {
  if(!isascii(CurTok))
    return -1;

  int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok];
  if(TokPrec <= 0)
    return -1;
  return TokPrec;
}

std::unique_ptr<ExprAST> LogError(const char *Str) {
  fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str);
  return nullptr;
}
// PrototypeAST是ExprAST上层的一个point
std::unique_ptr<PrototypeAST> LogErrorP(const char *Str) {
  LogError(Str);
  return nullptr;
}

static std::unique_ptr<ExprAST> ParseExpression();

/*
 * 最底层函数 --- 识别数字
 *   1.生成返回
 *   2.下一token
 *   3.返回
 */
static std::unique_ptr<ExprAST> ParseNumberExpr() {
  auto Result = llvm::make_unique<NumberExprAST>(NumVal);
  getNextToken();
  return std::move(Result);
}

/*
 * 最底层函数 --- 识别括号体
 *   1.eat '('
 *   2.识别主体
 *   3.找  ')'
 */
static std::unique_ptr<ExprAST> ParseParenExpr() {
  getNextToken();
  auto V = ParseExpression();
  if (!V)
    return nullptr;

  if(CurTok != ')')
    return LogError("expected ')'");
  getNextToken();
  return V;
}

/*
 * 最底层函数 --- 识别标识符  // 单个 或 数组类型
 *   1.判断'('
 *   2.判断')'
 *   3.while,push进vector
 *   4.判断')'与','
 *   5.eat')'
 *   6.返回
 */
static std::unique_ptr<ExprAST> ParseIdentifierExpr() {
  std::string IdName = IdentifierStr;

  getNextToken();

  if(CurTok != '(')             // 单标识符, 无括号
    return llvm::make_unique<VariableExprAST>(IdName);

  getNextToken();
  std::vector<std::unique_ptr<ExprAST>> Args;
  if(CurTok != ')') {
    while(true) {
      if(auto Arg = ParseExpression())
        Args.push_back(std::move(Arg));
      else
        return nullptr; // (a,b, null

      if(CurTok == ')')
        break;

      if(CurTok != ',')
        return LogError("Expected ')' or ',' in argument list");  // 标识符支持',', 参数列表不支持','
      getNextToken(); // eat ','
    }
  }

  getNextToken();

  return llvm::make_unique<CallExprAST>(IdName, std::move(Args));
}

/*
 * 识别主函数(一个expression的子部分): 标识符 或 数字 或 括号
 * 不吞token
 */
static std::unique_ptr<ExprAST> ParsePrimary() {
  switch(CurTok) {
  default:
    return LogError("unknown token when expecting an expression");
  case tok_identifier:
    return ParseIdentifierExpr();
  case tok_number:
    return ParseNumberExpr();
  case '(':
    return ParseParenExpr();
  }
}

/*
 * 返回当前LHS所在的完整表达式(对高优先级进行嵌套).
 *   1.当前优先级
 *   2.与前一级比较
 *   3.保存op
 *   4.找RHS
 *   5.下一个优先级
 *   6.两个优先级比较
 *   7.返回
 */
static std::unique_ptr<ExprAST> ParseBinOpRHS(int ExprPrec,
                                              std::unique_ptr<ExprAST> LHS) {
  while(true) {
    // 优先级
    int TokPrec = GetTokPrecedence();
    if(TokPrec < ExprPrec)
      return LHS;

    // 标识符
    int BinOp = CurTok;
    getNextToken();

    // RHS
    auto RHS = ParsePrimary();
    if(!RHS)
      return nullptr;

    int NextPrec = GetTokPrecedence();
    if(TokPrec < NextPrec) {
      RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec + 1, std::move(RHS));
      if(!RHS)
        return nullptr;
    }
    //merge LHS/RHS
    LHS = llvm::make_unique<BinaryExprAST>(BinOp, std::move(LHS), std::move(RHS));
  }
}


/*
 * 获取当前完整表达式
 */
static std::unique_ptr<ExprAST> ParseExpression() {
  auto LHS = ParsePrimary();
  if(!LHS)
    return nullptr;

  return ParseBinOpRHS(0, std::move(LHS));
}

/*
 * 获取函数名及各个参数名
 *   1. 函数名
 *   2. eat'('
 *   3. 获取各参数名
 *   4. eat')'
 */
static std::unique_ptr<PrototypeAST> ParsePrototype() {
  // 判断名字并存名字
  if(CurTok != tok_identifier)
    return LogErrorP("Expected function name in prototype");
  std::string FnName = IdentifierStr;

  // 判断(
  getNextToken();  // eat (
  if(CurTok != '(')
    return LogErrorP("Expected '(' in prototype");

  // 存参数
  std::vector<std::string> ArgNames;
  while(getNextToken() == tok_identifier)
    ArgNames.push_back(IdentifierStr);
  //判断并eat)
  if(CurTok != ')')
    return LogErrorP("Expected ')' in prototype");
  getNextToken(); // 跳 )

  return llvm::make_unique<PrototypeAST>(FnName, std::move(ArgNames));
}

/*
 * 函数定义
 *   1. 获取函数名及参数列表(Proto)
 *   2. 获取函数体
 */
static std::unique_ptr<FunctionAST> ParseDefinition() {
  // 换行
  getNextToken();
  // 函数proto并检测
  auto Proto = ParsePrototype();
  if(!Proto)
    return nullptr;

  // 函数体并检测
  if(auto E = ParseExpression())
    return llvm::make_unique<FunctionAST>(std::move(Proto), std::move(E));
  return nullptr;
}

/*
 * parse函数主体
 */
static std::unique_ptr<FunctionAST> ParseTopLevelExpr() {
  if(auto E = ParseExpression()) {
    auto Proto = llvm::make_unique<PrototypeAST>("__anon_expr", std::vector<std::string>());
    return llvm::make_unique<FunctionAST>(std::move(Proto), std::move(E));
  }
  return nullptr;
}

/*
 * 获取函数定义
 */
static std::unique_ptr<PrototypeAST> ParseExtern() {
  getNextToken();
  return ParsePrototype();
}

/*
 * 子层parse都会提前getToken();
 */


//===----------------------------===//
//            顶层parse
//===----------------------------===//

/*
 * parse定义
 */
static void HandleDefinition() {
  if(ParseDefinition()) {
    fprintf(stderr, "Parsed a function definition.\n");
  }else{
    getNextToken();
  }
}

static void HandleExtern() {
  if(ParseExtern()) {
    fprintf(stderr, "Parsed an extern\n");
  }else{
    getNextToken();
  }
}

static void HandleTopLevelExpression() {
  if(ParseTopLevelExpr()) {
    fprintf(stderr, "Parsed a top_level expr.\n");
  }else{
    getNextToken();
  }
}

/*
 * 判断当前token性质
 * 1. EOF ---> 返回
 * 2. ;   ---> 下一个token
 * 3. def ---> HandleDefinition()
 * 4. extern ---> HandleExtern()
 */
static void MainLoop() {
  while(true) {
    fprintf(stderr, "ready> ");
    switch(CurTok) {
    case tok_eof:
      return;
    case ';':
      getNextToken();
      break;
    case tok_def:
      HandleDefinition();
      break;
    case tok_extern:
      HandleExtern();
      break;
    default:
      HandleTopLevelExpression();
      break;
    }
  }
}

其中最多的,同时逻辑也较为复杂的就是这个parser
我画了一张各个函数之间的调用关系

这样一整个parser就算简单的表达出来了