【编译原理】语义分析及中间代码生成（CC++源码+实验报告）

编程语言 2022-06-18 07:14:48 阅读次数: 0

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1 实验目的和内容

1.1 实验目的

（1）通过上机实习，加深对语法制导翻译原理的理解，掌握将语法分析 所识别的语法范畴变换为某种中间代码的语义翻译方法。

（2）掌握目前普遍采用的语义分析方法──语法制导翻译技术。

（3）给出 PL/0 文法规范，要求在语法分析程序中添加语义处理，对于语法正确的表达式，输出其中间代码；对于语法正确的算术表达式，输出其计算值。

1.2 实验内容

已给 PL/0 语言文法，在实验二或实验三的表达式语法分析程序里，添加语义处理部分，输出表达式的中间代码，用四元式序列表示。

1.3 实验要求

（1）语义分析对象重点考虑经过语法分析后已是正确的语法范畴，本实 验重点是语义子程序。

（2）在实验二或实验三“语法分析器”的里面添加 PL/0 语言“表达式”部分的语义处理，输出表达式的中间代码，计算表达式的语义值。

（3）中间代码用四元式序列表示。

2 设计思想

2.1 语义规则

属性计算的过程即是语义处理的过程对于文法的每一个产生式配备一组属性的计算规则，则称为语义规则。

（1）终结符只有综合属性，它由词法分析器提供。

（2）非终结符既可以有综合属性也可以有继承属性，文法开始符号的所有继承属性作为属性计算前的初始值。

（3）产生式右边符号的继承属性和产生式左边符号的综合属性都必须提供一个计算规则。

（4）产生式左边符号的继承属性和产生式右边符号的综合属性由其它产生式的属性规则计算。

2.2 递归下降翻译器

递归下降分析法的原理是利用函数之间的递归调用来模拟语法树自上而下的构建过程。从根节点出发，自顶向下为输入串中寻找一个最左匹配序列，建立一棵语法树。对于每个非终结符的继承属性当作形式参数，函数的返回值当作非终结符的继承属性；对于终结符要初始化所有的继承属性。再进行分析过程中，非终结符根据当前的输入符号决定使用哪个产生式候选。

2.3 递归下降子程序伪代码

（1）表达式

function表达式:string；
string s1, s2, s3, result;
BEGIN
  IF SYM=’+’ OR SYM=’-’ THEN
  ADVANCE;
  ELSE IF SYM =FIRST(项) 
  ELSE ERROR;
  BEGIN s1:=项;
  END;
  WHILE SYM=’+’ OR SYM=’-’ THEN
  BEGIN
    ADVANCE;
    S2:=项;
    result := newtemp();
    emit(SYM,s1,s2,result);
    s1:= result;
  END;
  Return result;
END;

（2）项

function 项:string;
string s1, s2, s3, result;
BEGIN
  IF SYM =FIRST(因子) THEN
  BEGIN
    s1:=因子；
  END;
  ELSE ERROR;
  WHILE SYM =’*’OR SYM=’/’ THEN
IF SYM =FIRST(因子) THEN 
  BEGIN 
    ADVANCE;
    S2:=因子；
    result := newtemp();
    emit(SYM,s1,s2,result);
    s1:= result;
  END;
  Return result;
END;
ELSE ERROR;

（3）因子

function 因子:string；
string s;
BEGIN
  IF SYM =’(’ THEN
  ADVANCE;
  s:=表达式；
ADVANCE; 
  IF SYM=’)’ THEN
  ADVANCE;
Return s; 
ELSE ERROR; 
  ELSE IF SYM =FIRST(因子) THEN
ADVANCE;
  ELSE ERROR;
END;

3 算法流程

算法流程图如下所示，首先输入表达式，然后进行词法分析，把词法分析的结果存在结构体中，之后调用递归下降分析器中的表达式子程序进行分析，最后得到四元组并存在相应的结构体中，下一步进行判断，如果是算术表达式，就计算该算术表达式的值并输出，如果不是算术表达式，就不做处理，直接输出四元组，最后判断程序的输入是否结束，如果没有结束，就再次输入表达式，重复上述步骤，如果结束，则程序退出。

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图1 算法流程图

4 源程序

#include<iostream>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std; 

//存储词法分析的结果
struct cf_tv
{
  string t;  //词法分析的类型
  string v;  //词法分析变量的值
};

//存储四元组
struct qua
{
  string symbal;  //符号
  string op_a;   //第一个操作数
  string op_b;   //第二个操作数
  string result;  //结果
};

string input; //全局输入
int cnt;    //全局变量
int k=0;    //tv输入
int ljw=0;
cf_tv result[200]; //存放结果
qua output[200];  //存放输出的四元组
int x=0;      //qua 的下标
int ans=0;     //遍历的时候的下标
bool error=true;  //出错标志
int is_letter=0;
int t[1001];    //临时存放空间
string item();
string factor();

//产生新变量名t1,t2等
string new_temp()
{
  char *pq;
  char mm[18];
  pq=(char*)malloc(18);
  ljw++;
  //转换成字符串格式
  snprintf(mm,sizeof(mm),"%d",ljw);
  strcpy(pq+1,mm);
  pq[0]='t';
  string s;
  s=pq;
  return s;
}

//判断是否和目标串匹配
bool judge (string input, string s)
{
  if (input.length()!=s.length()) return false;
  else
  {
    for(unsigned int i=0;i<s.length();i++)
    {
      if(input[i]!=s[i]) return false;  //遍历
    }
    return true;
  }
}

//判断是否和目标串匹配
bool judge1 (string input, string s)
{
  if(input[0]==s[0]) return true;
  else return false;
}

//判断非符号的程序，包含判断关键字，标识符，常数
void not_fh(string p)
{
  //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
  if(judge (p,"begin"))
     {
       result[k].t="beginsym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"call"))
     {
       result[k].t="callsym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"const"))
     {
       result[k].t="constsym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"do"))
     {
       result[k].t="dosym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"end"))
     {
       result[k].t="endsym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"if"))
     {
       result[k].t="ifsym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"odd"))
     {
       result[k].t="oddsym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"procedure"))
     {
       result[k].t="proceduresym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"read"))
     {
       result[k].t="readsym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"var"))
     {
       result[k].t="varsym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"then"))
     {
       result[k].t="thensym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"write"))
     {
       result[k].t="writesym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     //判断是否跟目标串相同，相同的话输出结果
     else if(judge (p,"while"))
     {
       result[k].t="whilesym";
       result[k].v=p;
       k++;
     }
     else
     {
       int flag = 0;
       for(unsigned int i=0;i<p.length();i++)
       {
         //判断是否是标识符
         if(!isdigit(p[i]))
         {
           flag = 1;
           result[k].t="ident";
           result[k].v=p;
           k++;
           break;
         }
       }
       //判断是否是数字
       if(!flag)
       {
         result[k].t="number";
         result[k].v=p;
         k++;
       }
     }
}

//防止多个运算符组成，返回正确下标
int change(string str,int cnt)
{
  int y=0;
  char fh[15]={'+','-','*','/','=','<','>',':','(',')',',',';','.'};
  for(int i=0;i<13;i++)
  {
    if(str[cnt]==fh[i])
    {
      y=i;
    }
  }
  if(y==5)
  {
    //如果运算符是两个符号组成，cnt+1
    if(str[cnt+1]=='>')
    {
      cnt=cnt+1;
      return cnt;
    }
    //判断两个运算符相连
    else if(str[cnt+1]=='=')
    {
      cnt=cnt+1;
      return cnt;
    }
  }
  //判断：=
  if(y==7)
  {
    cnt=cnt+1;
    return cnt;
  }
  return cnt;
}

//对运算符和界符的输出
void fh_1(string str,int cnt)
{
  int y=0;
  char fh[15]={'+','-','*','/','=','<','>',':','(',')',',',';','.'};
  for(int i=0;i<13;i++)
  {
    if(str[cnt]==fh[i]) y=i;
  }
  //plus
  if(y==0)
  {
     result[k].t="plus";
     result[k].v=fh[y];
     k++;
  }
  //minus
  if(y==1)
  {
     result[k].t="minus";
     result[k].v=fh[y];
     k++;
  }
  //times
  if(y==2)
  {
     result[k].t="times";
     result[k].v=fh[y];
     k++;
  }
  //slash
  if(y==3)
  {
     result[k].t="slash";
     result[k].v=fh[y];
     k++;
  }
  //eql
  if(y==4)
  {
     result[k].t="eql";
     result[k].v=fh[y];
     k++;
  }
  if(y==5)
  {
    //neq
    if(str[cnt+1]=='>')
    {
      cnt=cnt+1;
      result[k].t="neq";
      result[k].v="<>";
      k++;
    }
    //leq
    else if(str[cnt+1]=='=')
    {
       result[k].t="leq";
       result[k].v="<=";
       k++;
    }
    //lss
    else
    {
       result[k].t="lss";
       result[k].v="<";
       k++;
    }
  }
  if(y==6)
  {
    //geq
    if(str[cnt+1]=='=')
    {
       result[k].t="geq";
       result[k].v=">=";
       k++;
    }
    //gtr
    else
    {
       result[k].t="gtr";
       result[k].v=">";
       k++;
    }
  }
  //becomes
  if(y==7)
  {
    result[k].t="becomes";
    result[k].v=":=";
    k++;
  }
  //lparen
  if(y==8)
  {
    result[k].t="lparen";
    result[k].v="(";
    k++;
  }
  //rparen
  if(y==9)
  {
    result[k].t="rparen";
    result[k].v=")";
    k++;
  }
  //comma
  if(y==10)
  {
    result[k].t="comma";
    result[k].v=",";
    k++;
  }
  //semicolon
  if(y==11)
  {
    result[k].t="semicolon";
    result[k].v=";";
    k++;
  }
  //period
  if(y==12)
  {
    result[k].t="period";
    result[k].v=".";
    k++;
  }
}

//词法分析
void cifa()
{
  string str;
  while(cin>>str)
  {
    cnt=0;
    const char *d = " +-*/=<>:(),;.";
    char *p;
    //运用空格和运算符和界符分割字符串并且遍历
    char buf[1001] ;
    //字符串转成数组
    strcpy(buf , str.c_str());
    //p是一个char*
    p = strtok(buf,d);
    while(p)
    {
      //当前无符号
      if(str[cnt]==p[0])
      {
         not_fh(p);
         cnt=cnt+strlen(p);
      }
      //当前是符号
      else
      {
        while(str[cnt]!=p[0])
        {
          fh_1(str,cnt);
          cnt=change(str,cnt);
          cnt=cnt+1;
        }
        not_fh(p);
        cnt=cnt+strlen(p);
      }
      //下移一位，进行遍历
      p=strtok(NULL,d);
    }
    for(unsigned int i=cnt;i<str.length();i++)
    {
      //防止最后有多个符号
      fh_1(str,i);
    }
  }
}

//判断是哪种类型的计算
void judge_type()
{
  for(int i=0;i<k;i++)
  {
    if(judge(result[i].t,"ident"))
    {
      is_letter=1;
      break;
    }
  }
}

//表达式的递归下降分析函数
string bds()
{
  string s;
  string s1,s2,s3;
  if(ans>k) return NULL;
  //加减符号
  if(judge(result[ans].v,"+") || judge(result[ans].v,"-"))
  {
    ans++;
    if(ans>k)
    {
      cout<<1<<endl;
      //error
      error=false;
    }
    s1=item();
  }
  else if( judge(result[ans].v,"(") ||judge(result[ans].t,"ident") ||judge(result[ans].t,"number"))
  {
    //项目判定，前面条件是first集合
    s1=item();
  }
  else
  {
    cout<<2<<endl;
    //error
    error=false;
  }//
  while(judge(result[ans].v,"+") || judge(result[ans].v,"-"))
  {
    int ans_temp=ans;
    ans++;
    if(ans>k)
    {
      cout<<3<<endl;
      //error
      error=false;
    }
    //项目循环
    s2=item();
    output[x].symbal=result[ans_temp].v;
    output[x].op_a=s1;
    output[x].op_b=s2;
    output[x].result=new_temp();
    s=output[x].result;
    s1=s;
    x++;
  }
  return s;
}

//项的递归下降分析函数
string item()
{
  string s;
  string s1,s2,s3;
  if(ans>k) return NULL;
  //因子判断
  s1=factor();
  while(judge(result[ans].v,"*") || judge(result[ans].v,"/"))
  {
    int ans_temp=ans;
    ans++;
    if(ans>k)
    {
      cout<<4<<endl;
      //error
      error=false;
    }
    s2=factor();
    output[x].op_a=s1;
    output[x].symbal=result[ans_temp].v;
    output[x].op_b=s2;
    output[x].result=new_temp();
    s=output[x].result;
    s1=s;
    x++;
  }
  return s1;
}

//因子的递归下降分析函数
string factor()
{
  string s;
  if(ans>=k) return NULL;
  //开头字母或数字
  if(judge(result[ans].t,"ident") ||judge(result[ans].t,"number"))
  {
    s=result[ans].v;
    ans++;
    if(ans>k)
    {
      cout<<5<<endl;
      //error
      error=false;
    }
  }
  //左括号
  else if(judge(result[ans].v,"("))
  {
    ans++;
    //表达式
    s = bds();
    //右括号
    if(judge(result[ans].v,")"))
    {
     ans++;
     if(ans>k)
     {
       cout<<6<<endl;
       //error
       error=false;
     }
    }
  }
  else
  {
    cout<<7<<endl;
    //error
    error=false;
  }
  return s;
}

//删除第一个字母
string del(string s)
{
  char c[101];
  for(unsigned int i=0;i<s.length()-1;i++)
  {
    c[i]=s[i+1];
  }
  return c;
}

void js(int i)
{
  char* end;
  //如果是乘法
  if(judge(output[i].symbal,"*"))
  {
    //判断第一个符号是字母还是数字
    if(!judge1(output[i].op_a,"t"))
    {
      if(!judge1(output[i].op_b,"t"))
      {
        //强制类型转换
        t[i+1]=static_cast<int>(strtol(output[i].op_a.c_str(),&end,10))*static_cast<int>(strtol(output[i].op_b.c_str(),&end,10));
      }
    }
  }
  else
  {
    if(!judge1(output[i].op_b,"t"))
    {
      string ss;
      ss=del(output[i].op_a);
      //强制类型转换
      int z=static_cast<int>(strtol(ss.c_str(),&end,10));
      t[i+1]=t[z]*static_cast<int>(strtol(output[i].op_b.c_str(),&end,10));
    }
    else
    {
      string s;
      s=del(output[i].op_a);
      int yy=static_cast<int>(strtol(s.c_str(),&end,10));
      string ss;
      ss=del(output[i].op_b);
      int zz=static_cast<int>(strtol(ss.c_str(),&end,10));
      t[i+1]=t[yy]*t[zz];
    }
  if(judge(output[i].symbal,"+"))
  {
    if(!judge1(output[i].op_a,"t"))
    {
      if(!judge1(output[i].op_b,"t"))
      {
        t[i+1]=static_cast<int>(strtol(output[i].op_a.c_str(),&end,10))+static_cast<int>(strtol(output[i].op_b.c_str(),&end,10));
      }
      else
      {
        string ss;
        ss=del(output[i].op_b);
        int yy=static_cast<int>(strtol(output[i].op_a.c_str(),&end,10));
        int zz=static_cast<int>(strtol(ss.c_str(),&end,10));
        t[i+1]=yy+t[zz];
      }
    }
    else
    {
      if(!judge1(output[i].op_b,"t"))
      {
        string ss;
        ss=del(output[i].op_a);
        int zz=static_cast<int>(strtol(ss.c_str(),&end,10));
        t[i+1]=t[zz]+static_cast<int>(strtol(output[i].op_b.c_str(),&end,10));
      }
      else
      {
        string s;
        s=del(output[i].op_a);
        int yy=static_cast<int>(strtol(s.c_str(),&end,10));
        string ss;
        ss=del(output[i].op_b);
        int zz=static_cast<int>(strtol(ss.c_str(),&end,10));
        t[i+1]=t[yy]+t[zz];
      }
    }
  }
 }
}

int main()
{
  //词法分析函数
  cifa();
  //判断类型
  judge_type();
  //语法分析和语义分析
  bds();
  //进行输出
  if(is_letter==1)
  {
     for(int i=0;i<x;i++)
    {
      cout<<"("<<output[i].symbal<<","<<output[i].op_a<<","<<output[i].op_b<<","<<output[i].result<<")"<<endl;
    }
  }
  //进行输出，计算结果
  else
  {
    for(int i=0;i<x;i++)
    {
      js(i);
    }
    cout<<t[x]<<endl;
  }
  return 0;
}

5 调试数据

5.1 测试样例一

【样例输入】
2+3*5

【样例输出】
17

样例一结果如下所示

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RjiL6KMD-1634978806011)(file:///C:UsersUserAppDataLocalTempksohtmlwps7C1B.tmp.jpg)]

图2 样例一测试结果

5.2 测试样例二

【样例输入】
2+3*5+7

【样例输出】
24

样例二结果如下所示

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OdYoOdcP-1634978806014)(file:///C:UsersUserAppDataLocalTempksohtmlwps7C2C.tmp.jpg)]

图3 样例二测试结果

5.3 测试样例三

【样例输入】
a*(b+c) 

【样例输出】
(+,b,c,t1)
(*,a,t1,t2)

样例三结果如下所示

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2ElSTqE0-1634978806025)(file:///C:UsersUserAppDataLocalTempksohtmlwps7C2D.tmp.jpg)]

图4 样例三测试结果

5.4 测试样例四

【样例输入】
a*(b+c)+d

【样例输出】
(+,b,c,t1)
(*,a,t1,t2)
(+,t2,d,t3)

样例四结果如下所示

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3TAgwESy-1634978806030)(file:///C:UsersUserAppDataLocalTempksohtmlwps7C2E.tmp.jpg)]
图5 样例四测试结果

6 实验调试情况及体会

6.1 实验调试情况

由上一步中的四个测试样例可以得到，所有的测试样例均得到了相应的输出结果，说明代码编写成功，并且在代码中设置了出错处理，以便解决其他情况。

6.2 实验体会

这次实验在上课之前及时的进行了预习，在编写代码之前需要写出递归下降翻译器的伪代码，重点就是要找到对于每个非终结符的属性哪些是继承属性，哪些是综合属性。然后将继承属性作为参数，综合属性作为返回值，进行计算。

编写代码的时候，需要用到实验一和实验二的代码，写实验一代码的时候没考虑到后面会用到，直接将结果输出并没有保存中间结果，以至于自己在编码的时候需要先将实验一的结果存放在一个自定义的结构体中，里面包含词法分析的两个因素：值和类型。而分析器分析的时候，直接调取这个结构体的内容，四元式的结果也会放在一个特殊的结构体，里面记录了四元式的四个值，方便输出。如果是数字运算式，可以模拟计算器对于这四个值进行计算，并且需要数组和判定运算符函数来判断是数字还是辅助变量，根据对应符号进行运算。

通过这次实验，从词法分析到语法分析到语义分析的知识点有了大致的回顾，并且重点回顾了每个阶段输入什么，输出什么，这些信息怎么存储，用什么算法来计算。还需要进一步优化自己的代码，比如在这次的实验代码过程中，需要改进的是将词法分析和语法分析合并，降低时间复杂度，提高执行效率。

通过这四次的实验过程，让我对于编译原理这门课有了比较清晰的认识，可能理论课当时听懂了，过一会可能就会遗忘。通过学习编译原理，感觉用到了数据结构，算法等思维理解，又需要对于许多概念的理解记忆。这也是这门课的难点所在。通过这次学习，懂得更要注重对于基础科目的掌握，不断加强和拓展自己的计算机思维。

最后感谢刘善梅老师对我一学期的悉心指导，不胜感激，我会继续努力学好接下来的每一门专业课程，不负老师厚望！

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转载自blog.csdn.net/m0_67393157/article/details/125349287
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