用 C 语言开发一门编程语言 — 字符串与文件加载

目录

前文列表

《用 C 语言开发一门编程语言 — 交互式解析器》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 跨平台的可移植性》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 语法解析器》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 抽象语法树》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 异常处理》
《用 C 语言开发一门编程语言 — S-表达式》
《用 C 语言开发一门编程语言 — Q-表达式》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 变量元素设计》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 基于 Lambda 表达式的函数设计》
《用 C 语言开发一门编程语言 — 条件分支》

字符串

每次我们更新程序并重新运行的时候，重新输入所有函数令人苦恼。在本章中，我们将为 Lispy 添加从文件加载代码的功能。该功能让我们建立一个标准库。

当用户加载文件时，我们需要其提供一个由文件名组成的字符串。我们的语言现在支持符号类型，但仍然不支持包含空格以及其他字符的字符串类型。所以，我们需要添加字符串类型的 lval 来指定我们所需的文件名。

像在其他章节中一样，我们通过在枚举中添加新条目并添加新的 lval 来表示字符串类型的数据：

enum { LVAL_ERR, LVAL_NUM,   LVAL_SYM, LVAL_STR,
       LVAL_FUN, LVAL_SEXPR, LVAL_QEXPR };

• lval 结构体：

/* Basic */
long num;
char* err;
char* sym;
char* str;

• 构造函数：

lval* lval_str(char* s) {
  lval* v = malloc(sizeof(lval));
  v->type = LVAL_STR;
  v->str = malloc(strlen(s) + 1);
  strcpy(v->str, s);
  return v;
}

• 删除部分

case LVAL_STR: free(v->str); break;

• 复制部分

case LVAL_STR: x->str = malloc(strlen(v->str) + 1);
  strcpy(x->str, v->str); break;

• 等于部分

case LVAL_STR: return (strcmp(x->str, y->str) == 0);

• 类型名部分

case LVAL_STR: return "String";

在此，我们需要做一些额外工作来实现字符串打印函数。Lispy 内部存储字符串与所打印字符串有所区别。我们希望在打印用户所输入的字符串时，会使用转义字符（如 \n）来表示换行符。

因此，我们需要在打印字符串之前将其转义。幸运的是，我们可以使用mpc函数来为我们做这件事。在打印函数中，我们添加以下内容：

case LVAL_STR:   lval_print_str(v); break;

以及：

void (lval* v) {
  /* Make a Copy of the string */
  char* escaped = malloc(strlen(v->str)+1);
  strcpy(escaped, v->str);
  /* Pass it through the escape function */
  escaped = mpcf_escape(escaped);
  /* Print it between " characters */
  printf("\"%s\"", escaped);
  /* free the copied string */
  free(escaped);
}

读取字符串

添加对字符串解析的支持。跟以往相同，添加名称为string的新语法规则到 Lispy 语法分析器中。我们将要使用的字符串表示规则与 C 相同。这意味着字符串实质上是两个引号 " 之间的一系列转义字符或普通字符组成。

string  : /\"(\\\\.|[^\"])*\"/ ;

该正则表达式的含义是：该字符串是从 " 字符开始，后面跟着零个或多个跟着任意字符 . 的反斜杠 \\，或者非 " 的任意字符 [^\\"]。最后，以 " 收尾。

我们也需要在 lval_read 函数中添加一个case来处理字符串读取：

if (strstr(t->tag, "string")) { return lval_read_str(t); }

因为字符串是以转义形式输入的，所以我们需要创建 lval_read_str 函数来解决这个问题。 这个功能有点棘手，因为它必须解决以下问题。 首先，它必须剥离字符串两侧 " 字符。然后必须对转义字符串进行解码，将一系列转义字符（如 \n）转换成实际编码字符。最后必须创建一个新的 lval 并清理函数中使用过的内存。

lval* lval_read_str(mpc_ast_t* t) {
  /* Cut off the final quote character */
  t->contents[strlen(t->contents)-1] = '\0';
  /* Copy the string missing out the first quote character */
  char* unescaped = malloc(strlen(t->contents+1)+1);
  strcpy(unescaped, t->contents+1);
  /* Pass through the unescape function */
  unescaped = mpcf_unescape(unescaped);
  /* Construct a new lval using the string */
  lval* str = lval_str(unescaped);
  /* Free the string and return */
  free(unescaped);
  return str;
}

如果这一切都没有问题，我们应该能够在 REPL 中使用字符串：

lispy> "hello"
"hello"
lispy> "hello\n"
"hello\n"
lispy> "hello\""
"hello\""
lispy> head {"hello" "world"}
{"hello"}
lispy> eval (head {"hello" "world"})
"hello"
lispy>

注释

跟 C 语言一样，我们可以使用注释来告知其他人（或我们自己）相关代码的用途或编写原因。 C 语言注释在 /* 和 */ 之间，Lisp 注释则以 ; 开头，并读取至行尾。

正则表达式为：

comment : /;[^\\r\\n]*/ ;

和字符串一样，我们需要创建一个新的解析器并在 mpca_lang 中更新语法。 此外，还需将对应解析器添加到 mpc_cleanup，并同步更新解析器个数。

mpca_lang(MPCA_LANG_DEFAULT,
  "                                              \
    number  : /-?[0-9]+/ ;                       \
    symbol  : /[a-zA-Z0-9_+\\-*\\/\\\\=<>!&]+/ ; \
    string  : /\"(\\\\.|[^\"])*\"/ ;             \
    comment : /;[^\\r\\n]*/ ;                    \
    sexpr   : '(' <expr>* ')' ;                  \
    qexpr   : '{' <expr>* '}' ;                  \
    expr    : <number>  | <symbol> | <string>    \
            | <comment> | <sexpr>  | <qexpr>;    \
    lispy   : /^/ <expr>* /$/ ;                  \
  ",
  Number, Symbol, String, Comment, Sexpr, Qexpr, Expr, Lispy);

mpc_cleanup(8,
  Number, Symbol, String, Comment,
  Sexpr,  Qexpr,  Expr,   Lispy);

因为注释仅仅是供程序员分析代码，所以用于读取代码的内置函数只是忽略它们。我们可以在 lval_read 中添加一个类似于括号处理方式的子句来处理注释。

if (strstr(t->children[i]->tag, "comment")) { continue; }

注释在 REPL 没有多大用处，但在给代码加上评注方面非常有用。

文件加载函数

我们想构建一个函数，当传入文件名称时加载并对文件中表达式求值。为了实现这个函数，我们需要用到语法解析器，因为我们需要其来读取文件内容、解析表达式并求值。加载函数将依赖于名为 Lispy 的 mpc_parser*。

因此，就像函数一样，我们需要前向声明解析器指针，并将其放置于文件的顶端：

mpc_parser_t* Number;
mpc_parser_t* Symbol;
mpc_parser_t* String;
mpc_parser_t* Comment;
mpc_parser_t* Sexpr;
mpc_parser_t* Qexpr;
mpc_parser_t* Expr;
mpc_parser_t* Lispy;

我们的 load 函数就像任何其他内置函数一样。其首先需要检查输入参数是否为单个字符串。然后我们调用 mpc_parse_contents 函数通过语法解析器读入文件的内容。就像 mpc_parse 一样，它将文件内容解析为一些其中包含抽象语法树或错误的 mpc_result 对象。

与命令提示符略有不同，在成功解析文件时，我们不应将其视为一个表达式。在输入文件时，我们让用户列出多个表达式并对所有表达式单独求值。为了实现这个需求，我们需要遍历文件内容中的每个表达式并逐个进行求值。如果出现任何错误，我们应该打印错误信息并继续。

若解析出错，我们将提取错误信息并返回一个 error 型 lval。若解析正确，则此内置函数的返回值为一个空表达式。

lval* builtin_load(lenv* e, lval* a) {
  LASSERT_NUM("load", a, 1);
  LASSERT_TYPE("load", a, 0, LVAL_STR);

  /* Parse File given by string name */
  mpc_result_t r;
  if (mpc_parse_contents(a->cell[0]->str, Lispy, &r)) {

    /* Read contents */
    lval* expr = lval_read(r.output);
    mpc_ast_delete(r.output);

    /* Evaluate each Expression */
    while (expr->count) {
      lval* x = lval_eval(e, lval_pop(expr, 0));
      /* If Evaluation leads to error print it */
      if (x->type == LVAL_ERR) { lval_println(x); }
      lval_del(x);
    }

    /* Delete expressions and arguments */
    lval_del(expr);
    lval_del(a);

    /* Return empty list */
    return lval_sexpr();

  } else {
    /* Get Parse Error as String */
    char* err_msg = mpc_err_string(r.error);
    mpc_err_delete(r.error);

    /* Create new error message using it */
    lval* err = lval_err("Could not load Library %s", err_msg);
    free(err_msg);
    lval_del(a);

    /* Cleanup and return error */
    return err;
  }
}

命令行参数

我们可以通过文件加载函数添加一些其他编程语言的典型功能。当文件名作为参数提供给命令行时，我们会去尝试运行这些文件。例如，要运行 python 文件，可以编写 python filename.py。

我们通过使用赋给 main 函数的 argc 和 argv 形参来访问这些命令行参数。这意味着如果 argc 设置为 1，我们调用解释器，否则通过 builtin_load 函数运行每个参数。

/* Supplied with list of files */
if (argc >= 2) {

  /* loop over each supplied filename (starting from 1) */
  for (int i = 1; i < argc; i++) {

    /* Argument list with a single argument, the filename */
    lval* args = lval_add(lval_sexpr(), lval_str(argv[i]));

    /* Pass to builtin load and get the result */
    lval* x = builtin_load(e, args);

    /* If the result is an error be sure to print it */
    if (x->type == LVAL_ERR) { lval_println(x); }
    lval_del(x);
  }
}

现在写一些基础程序并尝试去以命令行参数的方式去调用。

lispy example.lspy

打印函数

如果我们从命令行运行程序，我们可能希望它们输出一些数据，而不仅仅是定义函数和其他值。 我们可以在 Lispy 中添加一个 print 函数，该函数复用了现有的 lval_print 函数。

该函数打印由空格分隔的每个参数，然后打印换行符完成整个流程。 函数返回空表达式。

lval* builtin_print(lenv* e, lval* a) {

  /* Print each argument followed by a space */
  for (int i = 0; i < a->count; i++) {
    lval_print(a->cell[i]); putchar(' ');
  }

  /* Print a newline and delete arguments */
  putchar('\n');
  lval_del(a);

  return lval_sexpr();
}

报错函数

我们还可以利用字符串添加报错函数。 该函数将用户提供的字符串作为输入，并将其提供给 lval_err 作为报错信息。

lval* builtin_error(lenv* e, lval* a) {
  LASSERT_NUM("error", a, 1);
  LASSERT_TYPE("error", a, 0, LVAL_STR);

  /* Construct Error from first argument */
  lval* err = lval_err(a->cell[0]->str);

  /* Delete arguments and return */
  lval_del(a);
  return err;
}

最后一步是将以上函数注册为内置函数。 现在我们终于可以开始构建函数库并将其写入文件中。

/* String Functions */
lenv_add_builtin(e, "load",  builtin_load);
lenv_add_builtin(e, "error", builtin_error);
lenv_add_builtin(e, "print", builtin_print);

源代码

Github：https://github.com/JmilkFan/Lispy.git

编译：

gcc -g -std=c99 -Wall parsing.c mpc.c -lreadline -lm -o parsing

运行：

$ ./parsing
Lispy Version 0.1
Press Ctrl+c to Exit

lispy> print "Hello World!"
"Hello World!"
()
lispy> error "This is an error"
Error: This is an error