词法分析-正则表达式
编译原理词法分析与语法分析的核心算法
编译原理词法分析与语法分析的核心算法编译原理是计算机科学与技术领域中的一门重要课程。
在编程中，我们常常需要将高级语言编写的程序翻译成机器语言，使计算机能够理解并执行我们编写的程序。
而编译原理中的词法分析和语法分析是编译器的两个核心算法。
一、词法分析词法分析是编译器的第一个阶段，它负责将输入的字符序列（源代码）划分为一个个的有意义的词素（Token），并生成相应的词法单元（Lexeme）。
词法分析的核心算法主要包括以下两个步骤：1. 正则表达式到有限自动机的转换：正则表达式是一种描述字符串匹配模式的表达式，它可以用来描述词法分析中各种词素的规则。
而有限自动机则是一种用来识别或匹配正则表达式所描述的模式的计算模型。
将正则表达式转换为有限自动机是词法分析的关键步骤之一。
2. 词法分析器的生成：在将正则表达式转换为有限自动机后，我们可以使用生成器工具（如Lex、Flex等）来生成词法分析器。
词法分析器可以按照预定的规则扫描源代码，并将识别出的词素转换成相应的词法单元，供后续的语法分析使用。
二、语法分析语法分析是编译器的第二个阶段，它负责分析和处理词法分析阶段生成的词法单元序列，并根据预定的语法规则确定语法正确的序列。
语法分析的核心算法主要包括以下两个步骤：1. 上下文无关文法的定义：上下文无关文法（Context-Free Grammar，简称CFG）是一种用于描述形式语言的文法。
它由一组产生式和终结符号组成，可以用于描述语法分析中的语法规则。
在语法分析中，我们需要根据具体编程语言的语法规则，编写相应的上下文无关文法。
2. 语法分析器的生成：通过使用生成器工具（如Yacc、Bison等），我们可以根据上下文无关文法生成语法分析器。
语法分析器可以根据预先定义的文法规则，对词法单元序列进行分析，并构建出语法树（Parse Tree）供后续的语义分析和代码生成使用。
综上所述，词法分析与语法分析是编译原理中的两个重要阶段，也是实现编译器的核心算法。
【编译原理】词法分析：正则表达式与有限自动机基础
【编译原理】词法分析：正则表达式与有限⾃动机基础引⾔： 编译语⾔设计的精髓在于⾃动化过程，即如果要设计⼀门编程语⾔，那么⼀定要设计⼀个⾃动化系统，能够⾃⾏读⼊分析程序员写⼊的程序，将其翻译为机器能够识别的指令等信息。
当然⾼级语⾔的编译不是⼀蹴⽽就的，⽽是通过若⼲步的分解、规约、转换、优化，最后得到⽬标程序。
具体的编译步骤如下： 源程序就是我们写⼊的⾼级语⾔，编译的第⼀步叫做“词法分析”。
词法分析的本质，就是要拆解出语句的每⼀个单词，然后对这个单词的类型进⾏辨识。
⾸先拿中⽂来举例。
⽐如有⼀句话是“我喜欢你”，那么⾸先我们要把这句话拆成“我”、“喜欢”、“你”，然后再逐个分析他们的类型，得到“我”->主语；“喜欢”->谓语；“你”->宾语。
这样我们就把这句话每个单词都分析出来了，也就完成了中⽂的“词法分析”。
那么回到编程语⾔，它的词法分析就是将字符序列转换为单词（Token）序列的过程。
翻译成俗话，就是把我们写的⼤⽚语⾔⽂本分解为⼀个⼀个单词，再输出每个单词的类型。
举⼀个例⼦：int p = 3 + a; 这个语句⾮常简单，即定义⼀个变量p，它的初值为变量a与3的加和。
那么接下来我们要对这个语句进⾏词法分析，⾸先我们要把这段⽂本拆解成单词，拆出来就是'int'、'p'、'='、'3'、'+'、'a'、';'。
对这些单词再进⾏类型的辨识，那么就得到以下结果：语素语⾔类型int关键字p标识符=运算符3数字+运算符a标识符 这样我们就把这段⽂本中的每个单词的类型都分析出来了。
乍⼀看⾮常简单对不对，对于⼈类⽽⾔你只需要⽤⾁眼就可以轻松观察出来每个单词的类型，但对于计算机⽽⾔，它可没有⼈类那样的智能。
如果想要计算机能够识别并分析语素的类型，那就需要我们⼈类来为它构造⼀个⾃动化输⼊和分析的系统。
编译原理-词法分析02-正则表达式
编译原理-词法分析02-正则表达式0.术语rr：正则表达式，表⽰字符串的格式。
L(r)r所匹配的串的集合。
symbol符号L(r)中的元素称为符号。
alphabet字母表表⽰符号的字符的集合。
⽤ ∑ (sigma)表⽰。
元字符metacharacter，元符号metasymbol它们⾮字母表中的字符，是⼀些特殊意义的字符，⽐如,*. 如果要匹配这类符号，则需要使⽤转义符号\。
escape character转义字符⼀般使⽤\表⽰，⽤于匹配元字符。
空串empty string不包含任何字符的串，但它仍然是⼀个匹配。
⽤ε（eplsilon）表⽰空集empty set表⽰正则表达式⽆任何匹配。
regular definition正则定义即正则表达式的名字。
1.正则表达式的定义正则表达式是以下中的⼀种：1. 基本正则表达式由单个字符a(其中a在正规字符的字母表 ∑ 中)，以及元字符ε或元字符Φ。
分别表⽰为：L(a) = {a};L(ε) = {ε};L(Φ) = {}.2. r|s格式的表达式：其中r和s均是正则表达式。
在这种情况下：L(r|s) = L(r)|L(s)。
3. rs格式的表达式：其中r是正则表达式。
在这种情况下：L(rs) = L(r)L(s)。
4. r格式的表达式：其中r是正则表达式。
在这种情况下：L(r) = L(r)*。
5. (r)格式的表达式：其中r是正则表达式。
在这种情况下：L((r)) = L(r)，因此，括号并不改变语⾔，它们只调整运算的优先级。
注意到这个定义中，|,*,(,),Φ,ε均为元字符。
2.扩展r+ 正闭包，⾄少匹配⼀个. 匹配任意⼀个字符区间匹配如[a-z],[0-9],[A-Za-z]~a或^a 排除匹配r? 可选匹配3.程序语⾔记号的正则表达式numbernat = [0-9]+ #⾃然数signedNat = (+|-)?nat #有符号数number = signedNat("."nat)?(E signedNat)? #数字，包含整数，⼩数，正负数，指数reserved & identifierreserverd = if | while | then | repeat | do ...letter = [a-z]digit = [0-9]identifier = letter(letter|digit)*comment{(~})*} #匹配{ this is a Pascal comment}whitespace解决匹配的⼆义性遵循最长⼦串原理principle of longest。
简述编译程序总体各部分主要功能
简述编译程序总体各部分主要功能编译程序是计算机科学中的一个重要概念，它是将高级程序语言转化为机器语言的过程。
在编译程序的实现中，各个部分承担着不同的功能，共同完成编译的任务。
本文将对编译程序的总体各部分主要功能进行简述，以帮助读者更好地理解编译程序的工作原理和流程。
一、词法分析词法分析是编译程序的第一步，其主要功能是将源程序分解为一个个的单词或符号。
在词法分析中，通过使用正则表达式和有限状态自动机等方法，识别出程序中的关键字、标识符、运算符、分隔符等各种单词，并将其转化为相应的记号。
词法分析器还会忽略空格、注释等无关的字符，从而将源程序转化为一个个记号序列。
二、语法分析语法分析是编译程序的第二步，其主要功能是根据语法规则对记号序列进行分析，并生成抽象语法树（Abstract Syntax Tree，简称AST）。
语法分析器通过使用上下文无关文法和递归下降等方法，对记号序列进行语法检查。
如果记号序列符合语法规则，则会生成一棵抽象语法树，反之则会报告语法错误。
三、语义分析语义分析是编译程序的第三步，其主要功能是对抽象语法树进行语义检查。
语义分析器会检查各个语句之间的语义关系，并进行类型检查、约束检查等操作。
如果发现语义错误，语义分析器会向编译器报告错误信息，并提供相关的建议。
语义分析还包括符号表管理和类型推导等功能，用于记录程序中声明的符号和推断表达式的类型。
四、中间代码生成中间代码生成是编译程序的第四步，其主要功能是将抽象语法树转化为中间代码。
中间代码是一种介于源代码和目标代码之间的表示形式，它能够简化后续的优化和生成目标代码的过程。
中间代码生成器可以根据目标平台的特性和需求，选择合适的中间表示形式，如三位置区域码、四元式、虚拟机指令等。
中间代码生成还可以对代码进行优化，以提高程序的性能和效率。
五、代码优化代码优化是编译程序的第五步，其主要功能是对生成的中间代码进行优化。
代码优化器通过使用各种优化技术和算法，对中间代码进行分析和重组，以提高程序的执行效率和资源利用率。
编译原理中的词法分析与语法分析原理解析
编译原理中的词法分析与语法分析原理解析编译原理是计算机科学中的重要课程，它研究的是如何将源程序翻译成目标程序的过程。
而词法分析和语法分析则是编译过程中的两个重要阶段，它们负责将源程序转换成抽象语法树，为接下来的语义分析和代码生成阶段做准备。
本文将从词法分析和语法分析的原理、方法和实现技术角度进行详细解析，以期对读者有所帮助。
一、词法分析的原理1.词法分析的定义词法分析（Lexical Analysis）是编译过程中的第一个阶段，它负责将源程序中的字符流转换成标记流的过程。
源程序中的字符流是没有结构的，而编程语言是有一定结构的，因此需要通过词法分析将源程序中的字符流转换成有意义的标记流，以便之后的语法分析和语义分析的进行。
在词法分析的过程中，会将源程序中的字符划分成一系列的标记（Token），每个标记都包含了一定的语义信息，比如关键字、标识符、常量等等。
2.词法分析的原理词法分析的原理主要是通过有限状态自动机（Finite State Automaton，FSA）来实现的。
有限状态自动机是一个数学模型，它描述了一个自动机可以处于的所有可能的状态以及状态之间的转移关系。
在词法分析过程中，会将源程序中的字符逐个读取，并根据当前的状态和字符的输入来确定下一个状态。
最终，当字符读取完毕时，自动机会处于某一状态，这个状态就代表了当前的标记。
3.词法分析的实现技术词法分析的实现技术主要有两种，一种是手工实现，另一种是使用词法分析器生成工具。
手工实现词法分析器的过程通常需要编写一系列的正则表达式来描述不同类型的标记，并通过有限状态自动机来实现这些正则表达式的匹配过程。
这个过程需要大量的人力和时间，而且容易出错。
而使用词法分析器生成工具则可以自动生成词法分析器的代码，开发者只需要定义好源程序中的各种标记，然后通过这些工具自动生成对应的词法分析器。
常见的词法分析器生成工具有Lex和Flex等。
二、语法分析的原理1.语法分析的定义语法分析（Syntax Analysis）是编译过程中的第二个阶段，它负责将词法分析得到的标记流转换成抽象语法树的过程。
C语言编译原理词法分析和语法分析
C语言编译原理词法分析和语法分析编程语言的编写和使用离不开编译器的支持，而编译器的核心功能之一就是对代码进行词法分析和语法分析。
C语言作为一种常用的高级编程语言，也有着自己的词法分析和语法分析规则。
一、词法分析词法分析是编译器的第一阶段，也是将源代码拆分为一个个独立单词（token）的过程。
在C语言中，常见的单词包括关键字（如if、while等）、标识符（如变量名）、常量（如数字、字符常量）等。
词法分析器会根据预定义的规则对源代码进行扫描，并将扫描到的单词转化为对应的符号表示。
词法分析的过程可以通过有限自动机来实现，其中包括各种状态和状态转换规则。
词法分析器通常会使用正则表达式和有限自动机的方法来进行实现。
通过词法分析，源代码可以被分解为一个个符号，为后续的语法分析提供基础。
二、语法分析语法分析是编译器的第二阶段，也是将词法分析得到的单词序列转换为一棵具有语法结构的抽象语法树（AST）的过程。
在C语言中，语法分析器会根据C语言的文法规则，逐句解析源代码，并生成相应的语法树。
C语言的语法规则相对复杂，其中包括了各种语句、表达式、声明等。
语法分析的过程主要通过递归下降分析法、LR分析法等来实现。
语法分析器会根据文法规则建立语法树的分析过程，对每个语法结构进行逐步推导和分析，最终生成一棵完整的语法树。
三、编译器中的词法分析和语法分析在编译器中实现词法分析和语法分析是一项重要的技术任务。
编译器通常会将词法分析和语法分析整合在一起，形成一个完整的前端。
在C语言编译器中，词法分析和语法分析器会根据C语言的词法规则和文法规则，对源代码进行解析，并生成相应的中间表示形式，如语法树或者中间代码。
词法分析和语法分析的结果会成为后续编译器中各个阶段的输入，如语义分析、中间代码生成、目标代码生成等。
编译器的优化和错误处理也与词法分析和语法分析有密切关系。
因此，对词法分析和语法分析的理解和实现对于编译器开发者而言是非常重要的。
第三章词法分析
戴新宇南京大学计算机科学与技术系Outline词法分析的作用词法单元的规约（正则表达式） 词法单元的识别（状态转换图） 有穷自动机词法分析器生成工具及设计词法分析器作用词法分析是读入源程序的输入字符、将它们组成词素，生成并输出一个词法单元序列，每个词法单元对应于一个词素。
常见的做法是：由语法分析器调用，需要的时候不断读取、生成词法单元可以避免额外的输入输出在识别出词法单元之外，还会完成一些不需要生成词法单元的简单处理，比如删除注释、将多个连续的空白字符压缩成一个字符等。
词法分析和语法分析通常，将编译过程的分析划分成两个阶段的原因： 简化编译器的设计，任务分解提高编译器的效率增强编译器的可移植性词法分析相关概念词法单元（Token）：包含单元名（Token-name）和可选的属性值(attribute-value) 单元名是表示某种词法单位抽象符号。
语法分析器通过单元名即可确定词法单元序列的结构。
词素（Lexeme）源程序中的字符序列，它和某类词法单元的模式匹配，被词法分析器识别为该词法单元的实例。
模式（Pattern）词法单元的词素可能具有的形式。
可以用正则表达式来表示。
词法单元示例词法单元的属性一个模式匹配多个词素时，必须通过属性来传递附加的信息。
属性值将被用于语义分析、代码生成等阶段。
不同的目的需要不同的属性。
因此，属性值通常是一个结构化数据。
词法单元id的属性词素、类型、第一次出现的位置、…词法单元示例（名和属性值）词法分析器的构造实现两种方法：基于词法单元的词法结构图或其它描述，手工编写代码扫描输入中的每个词素，并返回识别到的词法单元信息。
使用词法分析器生成工具（如lex flex）。
给出描述词素的模式，利用工具编译为具有词法分析器功能的代码。
高效且简单。
正则表达式一种描述词素模式的重要表示方法Outline词法分析的作用词法单元的规约（正则表达式） 词法单元的识别（状态转换图） 有穷自动机词法分析器生成工具及设计相关概念字母表：一个有限的符号集合二进制{0，1}ASCIIUnicode典型的字母表包括字母、数位和标点符号串：字母表中符号组成的一个有穷序列 串s的长度|s|空串ε，长度为0的串语言：给定字母表上一个任意的可数的串的集合 语法正确的C程序的集合，英语，汉语相关概念（2）和串有关的术语（banana）前缀：从串的尾部删除0个或多个符号后得到的串。
词法分析部分总结
The Membership Question
Our first decision property is the question: “is string w in regular language L?（成员问题）”
Assume L is represented by a DFA A. Simulate the action of A on the sequence of input
Example: “Does the protocol terminate?” = “Is the language finite?”
Example: “Can the protocol fail?” = “Is the language nonempty?”
Why Decision Properties – (2)
A language class is a set of languages.
We have one example for language class: the regular languages.
任何一个正则表达式都表达了一个语言，所有的 正则表达式构成了语言类：正则语言
Language classes have two important kinds of properties:
Example: the regular languages are obviously closed under union, concatenation, and (Kleene) closure. (求补？求交？)
ε是正规式 若a是Σ上的字符，则a是正规式 若r和s分别是Σ上的正规式，那么 （a） r|s是正规式 （b） rs是正规式 （c） r*是正规式
Example: Is language L empty? Suppose the representation is a DFA. Can you tell if L(A) = for DFA A?
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2020年4月25日
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练习：下面正则表达式确定的语言是什么？
(1) Σ={a,b}
b(a|b)*aa
以b开头aa结尾的由a、b组成的符号串
(2) Σ={0,1} 1(0|1)*00|0
二进制数且为4的倍数
(3) Σ={a,b,c}
(a|b|c)*a (a|b|c)*b (a|b|c)*|(a|b|c)*b(a|b|c)*a(a|b|c)*
文法产生式 正则表达式
A→xB,B→y
A=xy
A→aA|bA|0A|1A|ε
A→xA|y A→x,A→y
A=x*y A=x|y
G[S]： S→aA|bA A→aA|bA|0A|1A|ε
该文法是右线性正则文法
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正则表达式正则文法(左线性)
步骤1 构造 S→R（正则表达式） 步骤2 不断利用规则做变换,直到每个产生式最多含有 一个终结符为止
包含至少一个a和至少一个b可由a、b、c组成的符号串
2020年4月25日
7
练习:写出下列集合的正则表达式
以01结尾的二进制数串
(0|1)*01
不以0开头( 0除外)，能被5整除的十进制整数
((1|2|…|9)(0|1|2|…|9)*| )(0|5)
包含子串011的二进制数串
(0|1)*(011)(0 正则表达式
设∑是有穷字母表，在∑上的正则表达式及所描述的语言可递归定义如下： 1.Φ是一个表示空集的正则表达式。 2.ε是一个正则表达式，其表示的语言仅含一个空符号串，即{ε} 3. a是一个正则表达式，a∈∑，其表示的语言由符号a所组成,即{a} 4.如果R1和R2是正则表达式，其表示的语言分别为L1和L2，则
例： 程序设计语言的标识符的正则表达式为 {标识符}= 字母(字母|数字)* 带符号实数的正则表达式为： {带符号实数}=(ε|+|-)(数字*.数字数字*) 奇正整数的正则表达式为： {奇正整数} =(1|2|3|4|5|6|7|8|9)(0|1|2|3|4|5|6|7|8|9)*(1|3|5|7|9)|(
2020年4月25日
文法产生式 正则表达式
A→xB,B→y A→xA|y A→x,A→y
A=xy A=x*y A=x|y
最终转成正则表达式 S=a*aba*a
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2.正则表达式正则文法(右线性)
步骤1 构造 S→R（正则表达式） 步骤2 不断利用规则做变换,直到每个产生式最多含有 一个终结符为止
文法产生式 正则表达式
2020年4月25日
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正则表达式中的运算符： | ------或（选择） * 或 { } ---重复
• ------连接 ( ) ------括号
运算符的优先级(从高到低)：
( ), *, • , | • 在正则表达式中可以省略.
正则表达式相等 这两个正则表达式表示的语言相等
2020年4月25日
4
规则1 规则2 规则3
A→xB,B→y A→xA|y A→x,A→y
A=xy A=x*y A=x|y
2020年4月25日
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【例】求正则表达式(a|b)(a|b|0|1)*对应的正则文法（右线性）
S→(a|b)(a|b|0|1)*
S→(a|b)Ａ A→(a|b|0|1)*
规则1 规则2 规则3
2020年4月25日
1) R1|R2或R1+R2是一个表示语言L1∪L2的正则表达式 2) R1.R2或R1R2是一个表示语言L1L2的正则表达式 3) {R1}或R1*是一个表示语言L1*的正则表达式 4) (R)表示的语言仍是L1的正则表达式，但调整优先权，使括号内的运算 符优先权高于括号外的。 5. 所有∑上的正则表达式可由上述4条规则构造出来。
第三章 词法分析
2020年4月25日
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内容提要
正则表达式 ➢ 正则表达式定义 ➢ 正则文法与正则表达式的等价性 有穷自动机 ➢ 确定的有穷自动机（DFA） ➢ 不确定的有穷自动机(NFA) ➢ NFA到DFA的转换 ➢ 正则表达式与有穷自动机的等价性 ➢ 确定有穷自动机的化简 ➢ 根据DFA构造词法分析器
(rs)t=r(st) （3）分配律： (r|s)t=rt|st （4）同一律： εr= rε= r
2020年4月25日
9
正则文法与正则表达式的等价性
1.正则文法正则表达式
步骤1 将每条产生式改写为正则表达式； 步骤2 用代入法解正则表达式方程组，最后只剩下一个开 始符号定义的正则表达式，其中不含非终结符。
文法产生式 正则表达式
规则1 规则2
A→Ax|y A→x,A→y
1|3|5|7|9)
2020年4月25日
5
例：设Σ={a,b}
正则表达式 ba* a(a|b)* (a|b)*abb (a|b)*(aa|bb) (a|b)* (aa|ab|ba|bb) * (a|b)(a|b)(a|b) *
正则集 所有以b为开头后跟任意多个a的符号串 所有以a为开头的符号串 所有以abb为尾的a，b符号串 所有含有两个相继的a或相继的b的符号串 任何长度为偶数的符号串 任何长度大于等于2的符号串
包含偶数个0和1的二进制串
2020年4月25日
(00|11)*|(00|11)* (01|10)(00|11)*(01|10)(00|11)* (00|11)*((01|10)(00|11)*(01|10)(00|11)*)*
8
设r，s，t均是正则表达式，则有以下性质： （1）交换律： r|s= s|r （2）结合律： r|(s|t)=(r|s)|t
S=aA|a A= d*d
代入:S=ad*d|a＝ ad*
2020年4月25日
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例：有正则文法如下，将其换成等价 的正则表达式。
S → aS|aB 将文法改写成如下：
B →bC C →aC|a
S=a*aB B =bC
C =a*a
解方程组得： C=a*a B= ba*a S=a*aba*a
规则1 规则2 规则3
文法产生式 正则表达式
规则1 规则2 规则3
A→xB,B→y A→xA|y A→x,A→y
A=xy A=x*y A=x|y
2020年4月25日
10
【例】G[S]: S→aA|a A→dA|d
规则1 规则2 规则3
文法产生式 正则表达式
A→xB,B→y A→xA|y A→x,A→y
A=xy A=x*y A=x|y