java - 如何使用 ANTLR4 创建 AST？

Question

我一直在搜索这方面的内容，但找不到任何真正帮助我构建 AST 的有用信息。我已经知道 ANTLR4 不像以前的 ANTLR3 那样构建 AST。每个人都说:“嘿，使用访问者!”，但我找不到任何示例或更详细的解释来说明如何做到这一点......

我有一个必须像 C 的语法，但每个命令都是用葡萄牙语(葡萄牙语编程语言)编写的。我可以使用 ANTLR4 轻松生成解析树。我的问题是:我现在需要做什么来创建 AST？

顺便说一句，我正在使用 Java 和 IntelliJ...

EDIT1:我能得到的最接近的是使用这个主题的答案:Is there a simple example of using antlr4 to create an AST from java source code and extract methods, variables and comments? 但它只打印访问方法的名称..

由于第一次尝试没有像我预期的那样对我有用，我尝试使用 this tutorial来自 ANTLR3，但我不知道如何使用 StringTamplate 而不是 ST...

看书The Definitive ANTLR 4 Reference我也找不到任何与 AST 相关的内容。

EDIT2:现在我有一个类来创建 DOT 文件，我只需要弄清楚如何正确使用访问者

Answer 1

好的，让我们构建一个简单的数学示例。对于这样的任务来说，构建 AST 完全是矫枉过正，但它是展示原理的好方法。

我会用 C# 来做，但 Java 版本会非常相似。

语法

首先，让我们编写一个非常基本的数学语法:

grammar Math;

compileUnit
    :   expr EOF
    ;

expr
    :   '(' expr ')'                         # parensExpr
    |   op=('+'|'-') expr                    # unaryExpr
    |   left=expr op=('*'|'/') right=expr    # infixExpr
    |   left=expr op=('+'|'-') right=expr    # infixExpr
    |   func=ID '(' expr ')'                 # funcExpr
    |   value=NUM                            # numberExpr
    ;

OP_ADD: '+';
OP_SUB: '-';
OP_MUL: '*';
OP_DIV: '/';

NUM :   [0-9]+ ('.' [0-9]+)? ([eE] [+-]? [0-9]+)?;
ID  :   [a-zA-Z]+;
WS  :   [ \t\r\n] -> channel(HIDDEN);

相当基本的东西，我们有一个 expr处理一切的规则(优先规则等)。

AST 节点

然后，让我们定义一些我们将使用的 AST 节点。这些是完全自定义的，您可以按照自己的方式定义它们。

以下是我们将在此示例中使用的节点:

internal abstract class ExpressionNode
{
}

internal abstract class InfixExpressionNode : ExpressionNode
{
    public ExpressionNode Left { get; set; }
    public ExpressionNode Right { get; set; }
}

internal class AdditionNode : InfixExpressionNode
{
}

internal class SubtractionNode : InfixExpressionNode
{
}

internal class MultiplicationNode : InfixExpressionNode
{
}

internal class DivisionNode : InfixExpressionNode
{
}

internal class NegateNode : ExpressionNode
{
    public ExpressionNode InnerNode { get; set; }
}

internal class FunctionNode : ExpressionNode
{
    public Func<double, double> Function { get; set; }
    public ExpressionNode Argument { get; set; }
}

internal class NumberNode : ExpressionNode
{
    public double Value { get; set; }
}

将 CST 转换为 AST

ANTLR 为我们生成了 CST 节点(MathParser.*Context 类)。我们现在必须将这些转换为 AST 节点。

访问者很容易做到这一点，ANTLR 为我们提供了 MathBaseVisitor<T>类，所以让我们开始吧。

internal class BuildAstVisitor : MathBaseVisitor<ExpressionNode>
{
    public override ExpressionNode VisitCompileUnit(MathParser.CompileUnitContext context)
    {
        return Visit(context.expr());
    }

    public override ExpressionNode VisitNumberExpr(MathParser.NumberExprContext context)
    {
        return new NumberNode
        {
            Value = double.Parse(context.value.Text, NumberStyles.AllowDecimalPoint | NumberStyles.AllowExponent)
        };
    }

    public override ExpressionNode VisitParensExpr(MathParser.ParensExprContext context)
    {
        return Visit(context.expr());
    }

    public override ExpressionNode VisitInfixExpr(MathParser.InfixExprContext context)
    {
        InfixExpressionNode node;

        switch (context.op.Type)
        {
            case MathLexer.OP_ADD:
                node = new AdditionNode();
                break;

            case MathLexer.OP_SUB:
                node = new SubtractionNode();
                break;

            case MathLexer.OP_MUL:
                node = new MultiplicationNode();
                break;

            case MathLexer.OP_DIV:
                node = new DivisionNode();
                break;

            default:
                throw new NotSupportedException();
        }

        node.Left = Visit(context.left);
        node.Right = Visit(context.right);

        return node;
    }

    public override ExpressionNode VisitUnaryExpr(MathParser.UnaryExprContext context)
    {
        switch (context.op.Type)
        {
            case MathLexer.OP_ADD:
                return Visit(context.expr());

            case MathLexer.OP_SUB:
                return new NegateNode
                {
                    InnerNode = Visit(context.expr())
                };

            default:
                throw new NotSupportedException();
        }
    }

    public override ExpressionNode VisitFuncExpr(MathParser.FuncExprContext context)
    {
        var functionName = context.func.Text;

        var func = typeof(Math)
            .GetMethods(BindingFlags.Public | BindingFlags.Static)
            .Where(m => m.ReturnType == typeof(double))
            .Where(m => m.GetParameters().Select(p => p.ParameterType).SequenceEqual(new[] { typeof(double) }))
            .FirstOrDefault(m => m.Name.Equals(functionName, StringComparison.OrdinalIgnoreCase));

        if (func == null)
            throw new NotSupportedException(string.Format("Function {0} is not supported", functionName));

        return new FunctionNode
        {
            Function = (Func<double, double>)func.CreateDelegate(typeof(Func<double, double>)),
            Argument = Visit(context.expr())
        };
    }
}

如您所见，只需使用访问者从 CST 节点创建 AST 节点即可。代码应该是不言自明的(好吧，也许除了 VisitFuncExpr 的东西，但它只是将委托(delegate)连接到 System.Math 类的合适方法的一种快速方法)。

这里有 AST 构建的东西。这就是所有需要的。只需从 CST 中提取相关信息并将其保存在 AST 中即可。

AST 访问者

现在，让我们玩一下 AST。我们必须构建一个 AST 访问者基类来遍历它。让我们做一些类似于 AbstractParseTreeVisitor<T> 的事情。由 ANTLR 提供。

internal abstract class AstVisitor<T>
{
    public abstract T Visit(AdditionNode node);
    public abstract T Visit(SubtractionNode node);
    public abstract T Visit(MultiplicationNode node);
    public abstract T Visit(DivisionNode node);
    public abstract T Visit(NegateNode node);
    public abstract T Visit(FunctionNode node);
    public abstract T Visit(NumberNode node);

    public T Visit(ExpressionNode node)
    {
        return Visit((dynamic)node);
    }
}

在这里，我利用了 C# 的 dynamic关键字在一行代码中执行双重调度。在 Java 中，您必须自己使用 if 的序列进行接线。像这样的陈述:

if (node is AdditionNode) {
    return Visit((AdditionNode)node);
} else if (node is SubtractionNode) {
    return Visit((SubtractionNode)node);
} else if ...

但我只是为这个例子选择了快捷方式。

使用 AST

那么，我们可以用数学表达式树做什么呢？评估它，当然!让我们实现一个表达式求值器:

internal class EvaluateExpressionVisitor : AstVisitor<double>
{
    public override double Visit(AdditionNode node)
    {
        return Visit(node.Left) + Visit(node.Right);
    }

    public override double Visit(SubtractionNode node)
    {
        return Visit(node.Left) - Visit(node.Right);
    }

    public override double Visit(MultiplicationNode node)
    {
        return Visit(node.Left) * Visit(node.Right);
    }

    public override double Visit(DivisionNode node)
    {
        return Visit(node.Left) / Visit(node.Right);
    }

    public override double Visit(NegateNode node)
    {
        return -Visit(node.InnerNode);
    }

    public override double Visit(FunctionNode node)
    {
        return node.Function(Visit(node.Argument));
    }

    public override double Visit(NumberNode node)
    {
        return node.Value;
    }
}

一旦我们有了 AST 就很简单了，不是吗？

把它们放在一起

最后但同样重要的是，我们必须实际编写主程序:

internal class Program
{
    private static void Main()
    {
        while (true)
        {
            Console.Write("> ");
            var exprText = Console.ReadLine();

            if (string.IsNullOrWhiteSpace(exprText))
                break;

            var inputStream = new AntlrInputStream(new StringReader(exprText));
            var lexer = new MathLexer(inputStream);
            var tokenStream = new CommonTokenStream(lexer);
            var parser = new MathParser(tokenStream);

            try
            {
                var cst = parser.compileUnit();
                var ast = new BuildAstVisitor().VisitCompileUnit(cst);
                var value = new EvaluateExpressionVisitor().Visit(ast);

                Console.WriteLine("= {0}", value);
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Console.WriteLine(ex.Message);
            }

            Console.WriteLine();
        }
    }
}

现在我们终于可以玩了: