《编译原理教程》第二章词法分析

编译原理教程第二章词法分析目录引言词法分析基本概念正规表达式及其性质有限自动机及其性质词法分析器设计与实现典型案例分析与实践总结回顾与拓展延伸01引言编译原理概述编译原理是计算机科学的一个重要分支，研究如何将高级语言程序翻译成等价的低级语言程序，同时保证翻译的正确性和效率。编译过程通常包括词法分析、语法分析、语义分析、优化和代码生成等多个阶段，每个阶段都有其特定的任务和目标。词法分析在编译过程中的作用词法分析是编译过程的第一个阶段，主要任务是将输入的源程序分割成一个个的单词或符号，即词素（token）。词法分析器（lexer或scanner）会读取源程序，根据预定义的词法规则识别出单词和符号，并将其转换为内部表示形式（通常是token），供后续阶段使用。词法分析的准确性对编译器的正确性和效率至关重要，因为任何错误或遗漏的词素都可能导致编译失败或生成错误的代码。本章学习目标和要求学习词法规则的定义和描述方法，能够编写简单的词法规则。掌握词法分析器的实现方法和技术，能够编写简单的词法分析器。掌握词法分析的基本概念和原理，了解词法分析器的作用和工作流程。了解词法分析中的常见问题和解决方法，如处理空白、注释和特殊字符等。02词法分析基本概念词法分析是编译过程的第一阶段，主要任务是对源程序进行扫描，按照构词规则识别出各类单词符号，并将其转换为内部编码表示。词法分析器作为编译器的前端，主要功能是读取源程序，将其分解为单词符号序列，为后续语法分析和语义分析提供基础。词法分析定义及功能词法分析功能词法分析定义单词符号单词符号是程序语言的基本组成单位，包括标识符、关键字、运算符、界符等。词法规则词法规则定义了如何识别和处理这些单词符号。通常，词法规则包括单词的构成、分类和编码等方面的规定。单词符号与词法规则正规表达式是一种描述单词符号结构的形式化工具，它可以用来表示词法规则。正规表达式具有简洁、直观和易于操作的特点。正规表达式有限自动机是一种识别正规表达式的数学模型，它可以用来实现词法分析器。有限自动机由一组状态、输入符号、转移函数和接受状态等要素构成，能够高效地识别和处理单词符号序列。有限自动机正规表达式与有限自动机03正规表达式及其性质正规表达式定义及运算规则正规表达式定义正规表达式是由字母表Σ上的字符、ε（空字符）以及运算符“|”（或）、“·”（连接）和“*”（闭包）构成的表达式，用于描述Σ上的正规集。运算规则正规表达式的运算遵循优先级规则，其中“*”具有最高优先级，“·”次之，“|”最低。同时，正规表达式中的括号可以改变运算的优先级。性质正规表达式具有一些重要性质，如交换律、结合律、分配律等，这些性质在简化正规表达式和证明等价性时非常有用。等价变换等价变换是指在保持正规表达式所描述的正规集不变的情况下，对表达式进行简化和变换。常见的等价变换包括消除冗余、合并相同项、提取公因子等。正规表达式性质与等价变换例子1描述由0和1组成的所有二进制数。该语言可以用正规表达式(0|1)*来描述，表示0和1可以任意组合，包括空字符串。例子2描述所有以ab开头，以cd结尾的字符串。该语言可以用正规表达式ab(Σ*)cd来描述，其中Σ*表示任意字符串。例子3描述所有包含子串“xyz”的字符串。该语言可以用正规表达式(Σ*)xyz(Σ*)来描述，表示在任意位置都可以出现子串“xyz”。010203举例：简单语言正规表达式描述04有限自动机及其性质特点对于每个输入符号和当前状态，转移函数都有唯一确定的下一个状态。DFA的运行过程是确定的，即对于相同的输入序列，总是得到相同的结果。在任何给定的时刻，DFA都处于一个确定的状态。定义：确定有限自动机（DFA）是一个五元组，包括状态集、输入符号集、转移函数、初始状态和接受状态集。确定有限自动机（DFA）定义及特点NFA的运行过程是不确定的，即对于相同的输入序列，可能得到不同的结果。NFA允许“ε-转移”，即在没有输入符号的情况下从一个状态转移到另一个状态。对于每个输入符号和当前状态，NFA可能有多个可能的下一个状态。定义：非确定有限自动机（NFA）与DFA类似，但转移函数可以映射到一个状态集，而不是单一状态。特点非确定有限自动机（NFA）定义及特点DFA与NFA之间转换关系通过子集构造法可以将NFA转换为等价的DFA。该方法将NFA的状态集划分为不相交的子集，每个子集代表DFA的一个状态。转换后的DFA具有与原始NFA相同的语言识别能力。NFA转换为DFA任何DFA都可以直接看作是一个特殊的NFA，其中每个转移都是确定的，并且没有ε-转移。因此，将DFA转换为NFA是简单的，只需保留原始DFA的结构即可。DFA转换为NFA05词法分析器设计与实现123使用正规表达式（正则表达式）来描述词法规则，可以方便地表示词素的模式和结构。正规表达式描述词法规则将正规表达式转换为有限自动机（FA），通过有限自动机来识别输入的字符串是否符合某个词法规则。有限自动机识别词素根据词法规则构造词法分析表，通过查表的方式驱动词法分析过程，提高分析效率。词法分析表驱动词法分析过程词法分析器设计思路和方法DFA（确定有限自动机）实现DFA是一种每个状态对每个输入符号都有唯一确定的转移状态的有限自动机。基于DFA实现词法分析器时，需要构造DFA的状态转移图和状态转移表，然后根据输入字符串进行状态转移，直到达到接受状态或拒绝状态。NFA（非确定有限自动机）实现NFA是一种允许存在多个可能的下一个状态的有限自动机。基于NFA实现词法分析器时，需要构造NFA的状态转移图和状态转移表，然后使用回溯或预测的方法来处理非确定性，直到达到接受状态或拒绝状态。基于DFA或NFA实现词法分析器压缩DFA状态通过合并DFA中的等价状态来减少状态数量，从而减小DFA的大小和提高分析速度。优化正则表达式通过优化正则表达式来减少DFA的状态数量和转移边的数量，从而提高分析效率。例如，可以使用贪婪匹配、非贪婪匹配、预读等技术来优化正则表达式。并行处理和分布式处理使用并行处理或分布式处理的方法来提高词法分析器的处理能力和效率。例如，可以使用多线程或多进程来处理多个输入字符串，或者使用分布式系统来处理大规模的输入数据。使用字符类和快速映射将字符映射到相应的字符类，可以减少比较次数和查表时间，提高分析效率。优化技巧和提高效率方法06典型案例分析与实践词法单元定义定义算术表达式中的各类词法单元，如数字、运算符等。词法分析器实现编写词法分析器，将输入的算术表达式拆分为一个个的词法单元。正则表达式描述使用正则表达式描述各类词法单元的模式。案例一：简单算术表达式词法分析词法规则定义定义C语言子集中的词法规则，包括关键字、标识符、常量、运算符等。词法分析器设计设计词法分析器的算法和数据结构，实现词法分析功能。识别与处理识别输入代码中的各类词法单元，并进行相应的处理，如关键字识别、标识符识别等。案例二：C语言子集词法分析列出Java语言中的所有关键字。关键字列表设计关键字的识别算法，可以采用哈希表等数据结构提高识别效率。识别算法设计编写程序实现关键字识别功能，并进行测试验证其正确性。实现与测试案例三：Java语言关键字识别07总结回顾与拓展延伸词法分析器的功能和作用词法分析器是编译过程的第一阶段，其主要任务是将输入的源程序字符串转换为单词符号序列，为后续的语法分析和语义分析提供基础。词法单元的定义和分类词法单元是源程序中的基本语法单位，包括关键字、标识符、常量、运算符、界符等。不同的词法单元有不同的词法和语法属性。词法分析器的设计和实现词法分析器的设计通常采用正则表达式或有限自动机来描述词法规则，实现时可以采用手工编写代码或使用词法分析器生成工具。关键知识点总结回顾要点三词法错误的处理在词法分析过程中，可能会遇到源程序中存在的词法错误，如拼写错误、非法字符等。编译器需要采取相应的错误处理机制，如报告错误信息、定位错误位置等。要点一要点二词法分析器的优化为了提高词