XDU-Compilers--Principles

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前言

本项目基于C++语言，linux平台，采用面向对象思想设计实现。相对以往版本代码，本项目具有以下显著特点

• 支持了颜色设置和大小设置
• 具有错误处理机制
• 基于linux平台开发
• 基于opencv实现画图
• 基于cmake，逻辑结构更加清晰
• 采用现代化c++编程，运用c++11及以上特性

1 开发相关

1.1 开发环境

• Ubuntu 22.04
• clion + cmake + opencv

1.2 开发说明

执行根目录下的main中输入文件路径，执行main函数

更改代码后执行Fast_Build.sh 脚本，注意项目需要opencv依赖

2 系统架构

2.1 模块目录

目录名	描述
Scanner	词法分析模块
Parser	语法分析模块
Semantic	语义分析模块
ExceptionLog	异常处理模块
headers	头文件
lib	动态库

2.2 模块关系

模块关系图如下，其中箭头代表依赖关系，指向被依赖方。

项目采用增量开发的模式，即词法分析、语法分析、语义分析、整体视为四个项目，采用动态库链接和cmake配置的方法实现项目依赖。

main函数依赖词法、语法、语义分析三个模块，并未在图中标出，且为了方便环境配置，所依赖模块全部生成的动态库liballLib.so和libopencv_highgui.so，但语义分析模块单独运行仍依赖opencv环境。

异常处理函数采用中断执行的策略，当错误发生时，在中断中输出错误行数及错误信息，并停止运行程序。

2.3 可执行程序

本文家共有四个可执行程序，即根目录、词法分析、语法分析、语义分析下的main函数，分别单独测试相应模块功能，其中语义分析依赖opencv环境。

2.3.1 词法分析

该程序在终端输出识别出记号的种类，字符串，值。

2.3.2 语法分析

该程序仅检测是否具有语法错误，若有则报错。该部分代码中含有语法树输出的功能，需要时可在代码相应位置进行修改。

2.3.3 语义分析

该程序对输入文本进行分析，输出对应图像，异常交由词法分析和语法分析处理。

2.3.4 根目录程序

该程序为对词法分析、语法分析、语义分析的包装，输入输出同语义分析。

3 模块具体架构

3.1 词法分析 Scanner

3.1.1 源文件

h/cpp	描述
Scanner	词法分析的实现
Token	定义了记号的种类及相关数据结构
Func	抽象类，定义了不同函数的实现
main	用于测试

关于main函数，由于语法分析依赖异常处理，这里将异常处理模块创建为动态库`libExceptionLog_lib.so，并链接至Scanner使用。

3.1.2 Token.h/cpp 记号数据结构

共有22种记号，为了逻辑清晰，将其大致划分成了五类，保留字、常量|变量|函数、分隔符、运算符、特殊记号。在实际判断过程中根据字母、数字、符号分为三类判断，将保留字、变量、函数三种类型预存入记号表中，实时判断数字和操作符。

对于每个记号，用（记号种类，字符串，值，函数指针）的数据结构存储，便于后续匹配记号与计算表达式。

3.1.3 Func.h 函数

Func作为抽象类，通过构建不同子类的实例，对不同的函数进行绑定。

Class	Description
Func	抽象类，根据不同Func类型记号实例化
Cos	实现cos运算
Sin	实现sin运算
Tan	实现tan运算
Ln	实现ln运算
Exp	实现exp运算
Sqrt	实现sqrt运算
NoFunc	非函数类

3.1.3 异常种类

• 文件打开失败
• 记号错误

3.2 语法分析 Parser

3.2.1 源文件

h/cpp	描述
Parser	实现语法分析
ThreeNode	定义语法树结构
main	语法分析测试

关于main函数，由于语法分析依赖异常处理、词法分析，这里将异常处理模块和词法分析模块创建为动态库libExceptionLog_lib.so 和 libScanner_lib.so，并链接至Parser使用。

3.2.2 实现策略

采用递归向下的语法分析器，直接编码型的实现策略。其中词法分析作为语法分析的子程序，通过getToken() 为词法分析传递记号，从而使词法分析和语法分析合并成一个阶段。

关于句型，采用枚举句型，对每一个句型实现一个函数，在其中按顺序match句型记号的方法实现。

关于表达式，这里采用建立语法树的方法表示表达式，注意语法分析阶段仅建立语法树，并不对表达式求值。

3.2.3 语法树结构

语法树数据结构如下，根据记号的种类，分为 常量、变量、函数、操作符 四种不同的类型进行存储。其中变量采用指针引用的方法，具体实现在语义分析部分会提及。对于整个对象、函数记号、操作符记号、采用智能指针进行存储，方便指针的管理与释放。

class TreeNode {
public:
    TokenType tokenType;
    double constValue;
    double* var;
    struct FuncNode {
        std::shared_ptr<TreeNode> child;
        std::shared_ptr<Func> func;
    } funcNode;

    struct OperatorNode {
        std::shared_ptr<TreeNode> Lchild, Rchild;
    } operatorNode;
};

3.2.4 异常种类

• 文件打开失败
• 记号错误
• 记号非法匹配
• 句型错误

3.3 语义分析

3.2.1 源文件

h/cpp	描述
Semantic	实现语义分析
Point	实现点的变换等函数
Plotter	实现基于opencv的图像绘制
main	语义分析测试

关于main函数，由于语法分析依赖异常处理词法分析和语法分析，这里将异常处理模块、词法分析模块和语法分析模块创建为动态库libExceptionLog_lib.so 、libScanner_lib.so 和 libParser_lib.so，并链接至Semantic使用。

3.2.2 实现策略

语义分析主要在语法分析的基础上，完成表达式求值，函数绘制等函数。

表达式求值

在表达式求值中，采用两次遍历语法树的方法，第一次遍历将变量指针指向相应变量，第二次遍历对表达式进行求值。

函数绘制

采用opencv完成函数绘制功能

3.2.3 异常种类

交由上层的语法分析进行处理，注意这里并未实现死循环、除0等语义错误的处理。