《編譯原理LR分析》課件

編譯原理LR分析LR分析法是編譯原理中一種重要的語法分析方法。它可以有效地識(shí)別上下文無關(guān)文法，并生成語法樹。LR分析的概念自下而上分析LR分析器從輸入字符串的開始符號(hào)開始，逐步向右掃描，將輸入符號(hào)歸約為非終結(jié)符。語法分析LR分析是一種自下而上的語法分析方法，主要用于編譯器中進(jìn)行語法分析。LR(k)分析LR分析器使用一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)來識(shí)別輸入符號(hào)，并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表進(jìn)行歸約操作。LR分析的特點(diǎn)自底向上分析LR分析器從輸入符號(hào)開始，逐步構(gòu)建語法樹，直到最終的開始符號(hào)。無回溯LR分析器在分析過程中不會(huì)回溯，保證分析的效率和準(zhǔn)確性。強(qiáng)大的分析能力LR分析可以處理大多數(shù)上下文無關(guān)文法，包括許多復(fù)雜的語言結(jié)構(gòu)。LR分析的應(yīng)用場(chǎng)景編譯器LR分析是編譯器中語法分析的關(guān)鍵技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各種編程語言的編譯器中。形式語言LR分析適用于各種形式語言的語法分析，包括正則表達(dá)式、上下文無關(guān)文法等。解析器生成器LR分析方法是許多解析器生成器（如Yacc）的基礎(chǔ)，可以自動(dòng)生成語法分析器。LR分析的基本過程1輸入源代碼2詞法分析識(shí)別詞法單元3語法分析構(gòu)建語法樹4語義分析類型檢查，中間代碼生成5目標(biāo)代碼生成生成可執(zhí)行代碼LR分析器通過一系列步驟將源代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行代碼。首先，詞法分析器會(huì)識(shí)別出源代碼中的詞法單元，例如標(biāo)識(shí)符、關(guān)鍵字、運(yùn)算符等。然后，語法分析器將詞法單元組織成語法樹，并利用LR分析表進(jìn)行語法檢查。最后，語義分析器會(huì)對(duì)語法樹進(jìn)行類型檢查，生成中間代碼，并最終生成目標(biāo)代碼。構(gòu)建LR(0)自動(dòng)機(jī)起始狀態(tài)自動(dòng)機(jī)包含一個(gè)起始狀態(tài)，表示分析過程的初始點(diǎn)，它對(duì)應(yīng)文法開始符號(hào)的項(xiàng)目集。項(xiàng)目集每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)項(xiàng)目集，項(xiàng)目集包含語法規(guī)則中不同位置的點(diǎn)標(biāo)記，表示分析器在該狀態(tài)可以識(shí)別的語法結(jié)構(gòu)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換根據(jù)輸入符號(hào)和當(dāng)前狀態(tài)，自動(dòng)機(jī)通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)狀態(tài)，每個(gè)轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)一個(gè)項(xiàng)目集的擴(kuò)展和新符號(hào)的識(shí)別。接受狀態(tài)當(dāng)分析器識(shí)別到文法的開始符號(hào)時(shí)，自動(dòng)機(jī)進(jìn)入接受狀態(tài)，表示分析成功。LR(0)自動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表LR(0)自動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表是一種用于描述LR(0)分析器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系的表格。它包含了所有狀態(tài)以及每個(gè)狀態(tài)在遇到不同輸入符號(hào)時(shí)的轉(zhuǎn)移目標(biāo)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換表通常以表格的形式表示，其中行代表狀態(tài)，列代表輸入符號(hào)，表格中的每個(gè)單元格表示當(dāng)前狀態(tài)在遇到對(duì)應(yīng)輸入符號(hào)時(shí)的下一個(gè)狀態(tài)。1狀態(tài)表示LR(0)自動(dòng)機(jī)中的每個(gè)狀態(tài)。2輸入符號(hào)表示語法分析過程中可能遇到的每個(gè)符號(hào)。3轉(zhuǎn)移目標(biāo)表示當(dāng)前狀態(tài)在遇到對(duì)應(yīng)輸入符號(hào)時(shí)的下一個(gè)狀態(tài)。LR(0)項(xiàng)目集規(guī)范集LR(0)項(xiàng)目集規(guī)范集是LR分析器中重要的概念，它代表著語法分析過程中可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)。每個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一個(gè)項(xiàng)目集，項(xiàng)目集包含了語法規(guī)則中的所有可能狀態(tài)，用于指導(dǎo)分析器識(shí)別輸入符號(hào)，進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。狀態(tài)項(xiàng)目集動(dòng)作S0{S'->.E,E->.E+T,E->.T,T->.T*F,T->.F,F->.id}移進(jìn)S1{E->E+.T,E->T.,T->T*.F,T->F.,F->.id}移進(jìn)、規(guī)約LR(0)分析算法1初始化將輸入符號(hào)串置于輸入緩沖區(qū)，將分析棧置為空，并將狀態(tài)機(jī)設(shè)置為初始狀態(tài)。2匹配從輸入緩沖區(qū)讀取一個(gè)符號(hào)，并與當(dāng)前狀態(tài)匹配。3移進(jìn)若匹配成功，則將符號(hào)移入分析棧，并將狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換到下一個(gè)狀態(tài)。4規(guī)約若匹配失敗，則根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和分析棧中的符號(hào)，進(jìn)行規(guī)約操作，將分析棧中的符號(hào)序列替換為相應(yīng)的非終結(jié)符。LR(0)分析算法是一個(gè)自底向上的分析方法，它通過不斷地將輸入符號(hào)串與當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行匹配，并根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行移進(jìn)或規(guī)約操作，最終將輸入符號(hào)串解析為語法樹。LR(1)分析方法11.預(yù)測(cè)分析LR(1)分析方法采用預(yù)測(cè)分析技術(shù)，預(yù)測(cè)下一個(gè)輸入符號(hào)，選擇相應(yīng)的動(dòng)作。22.狀態(tài)轉(zhuǎn)換根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，自動(dòng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并選擇相應(yīng)的語法動(dòng)作。33.錯(cuò)誤處理在分析過程中，如果遇到錯(cuò)誤，LR(1)分析方法可以采取相應(yīng)的錯(cuò)誤恢復(fù)措施。44.語義分析在分析過程中，LR(1)分析方法還可以進(jìn)行語義分析，檢查語法結(jié)構(gòu)的正確性。LR(1)自動(dòng)機(jī)的構(gòu)建1擴(kuò)展項(xiàng)目集將LR(0)項(xiàng)目集中的每個(gè)項(xiàng)目擴(kuò)展為L(zhǎng)R(1)項(xiàng)目，即在每個(gè)項(xiàng)目后面添加一個(gè)“展望符號(hào)”，表示該項(xiàng)目在當(dāng)前狀態(tài)下可能遇到的下一個(gè)輸入符號(hào)。2狀態(tài)轉(zhuǎn)換根據(jù)LR(1)項(xiàng)目集的“展望符號(hào)”進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，將具有相同項(xiàng)目集的LR(1)項(xiàng)目歸入同一個(gè)狀態(tài)，并構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。3添加新狀態(tài)根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，可能需要添加新的LR(1)狀態(tài)，直到所有項(xiàng)目集都被分配到一個(gè)狀態(tài)。LR(1)分析算法初始化將分析棧初始化為空棧，輸入緩沖區(qū)裝入待分析的源程序，狀態(tài)指針指向輸入緩沖區(qū)的第一個(gè)符號(hào)。匹配如果棧頂符號(hào)與當(dāng)前輸入符號(hào)匹配，則彈出棧頂符號(hào)，并移動(dòng)狀態(tài)指針指向下一個(gè)符號(hào)。規(guī)約如果棧頂符號(hào)序列可以根據(jù)語法規(guī)則規(guī)約為某個(gè)非終結(jié)符，則根據(jù)該規(guī)則規(guī)約棧頂符號(hào)序列，并將該非終結(jié)符壓入棧頂。接受如果棧頂符號(hào)為開始符號(hào)，并且輸入緩沖區(qū)為空，則分析成功。錯(cuò)誤處理如果在分析過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需要進(jìn)行錯(cuò)誤恢復(fù)操作，例如插入或刪除符號(hào)。LALR(1)分析算法LALR(1)分析算法LALR(1)分析算法是LR(1)分析算法的簡(jiǎn)化版本。LALR(1)分析算法通過合并LR(1)自動(dòng)機(jī)中狀態(tài)相同、且動(dòng)作相同的項(xiàng)目集來減少狀態(tài)數(shù)量。優(yōu)勢(shì)LALR(1)分析算法相對(duì)于LR(1)分析算法，具有更小的狀態(tài)數(shù)量。這使得LALR(1)分析算法在實(shí)際應(yīng)用中更易于實(shí)現(xiàn)。LALR(1)自動(dòng)機(jī)的構(gòu)建1LR(0)項(xiàng)目集規(guī)范集通過LR(0)分析方法生成的項(xiàng)目集規(guī)范集2合并狀態(tài)將具有相同項(xiàng)目的LR(0)狀態(tài)合并3構(gòu)建LALR(1)狀態(tài)機(jī)生成LALR(1)自動(dòng)機(jī)，包含狀態(tài)和轉(zhuǎn)換4添加動(dòng)作表為每個(gè)狀態(tài)添加動(dòng)作表，用于解析輸入LALR(1)分析方法通過合并LR(0)項(xiàng)目集規(guī)范集中的狀態(tài)來構(gòu)建自動(dòng)機(jī)。首先，它通過分析LR(0)項(xiàng)目集規(guī)范集確定需要合并的狀態(tài)。然后，它將這些狀態(tài)合并為單個(gè)狀態(tài)，并構(gòu)建新的狀態(tài)機(jī)。最后，它添加動(dòng)作表，用于指示分析器在每個(gè)狀態(tài)下應(yīng)該執(zhí)行的操作。LALR(1)分析算法1初始化將輸入符號(hào)串壓入符號(hào)棧，并將狀態(tài)0壓入狀態(tài)棧2匹配根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入符號(hào)，從狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中查找下一個(gè)狀態(tài)3規(guī)約如果當(dāng)前狀態(tài)是規(guī)約狀態(tài)，則根據(jù)規(guī)約規(guī)則進(jìn)行規(guī)約操作4接受如果狀態(tài)棧頂為狀態(tài)0，并且輸入符號(hào)為空，則接受輸入LALR(1)分析算法是LR分析的常見變體，它結(jié)合了LR(0)和LR(1)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中十分廣泛。該算法通過構(gòu)建LALR(1)自動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)語法分析，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換表來進(jìn)行匹配和規(guī)約操作，最終判定輸入符號(hào)串是否符合語法規(guī)則。SLR(1)分析方法簡(jiǎn)化LR(1)SLR(1)分析方法是一種簡(jiǎn)化的LR(1)分析方法，它通過簡(jiǎn)化LR(1)自動(dòng)機(jī)的構(gòu)建過程來提高效率。狀態(tài)轉(zhuǎn)換表SLR(1)分析方法使用一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表來指導(dǎo)分析過程，該表包含狀態(tài)、輸入符號(hào)和動(dòng)作。沖突處理SLR(1)分析方法可以通過查看狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中的沖突來判斷語法分析是否成功。應(yīng)用場(chǎng)景SLR(1)分析方法適用于一些簡(jiǎn)單的語法分析場(chǎng)景，例如簡(jiǎn)單的表達(dá)式解析。SLR(1)自動(dòng)機(jī)的構(gòu)建1創(chuàng)建LR(0)自動(dòng)機(jī)首先，構(gòu)建語法分析器的LR(0)自動(dòng)機(jī)。這個(gè)自動(dòng)機(jī)包含每個(gè)狀態(tài)的所有可能的項(xiàng)目集合，每個(gè)項(xiàng)目表示語法規(guī)則的某個(gè)部分。每個(gè)狀態(tài)表示一個(gè)特定點(diǎn)上的分析器可能遇到的狀態(tài)。2添加跟隨集接下來，對(duì)于每個(gè)LR(0)項(xiàng)目，識(shí)別所有出現(xiàn)在項(xiàng)目右部點(diǎn)后面的終結(jié)符的集合，稱為“跟隨集”。跟隨集表示在特定狀態(tài)下，哪些終結(jié)符可以出現(xiàn)在該狀態(tài)下項(xiàng)目右部點(diǎn)后面的位置。3合并相同狀態(tài)最后，比較LR(0)自動(dòng)機(jī)中具有相同項(xiàng)目集合和相同跟隨集的狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)狀態(tài)具有相同項(xiàng)目集合和跟隨集，則合并這兩個(gè)狀態(tài)，形成SLR(1)自動(dòng)機(jī)。該過程簡(jiǎn)化了自動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，并確保分析器能夠正確地處理語法分析中的歧義。SLR(1)分析算法1初始化首先，創(chuàng)建一個(gè)狀態(tài)棧和輸入符號(hào)棧，并將狀態(tài)棧初始化為狀態(tài)0，輸入符號(hào)棧初始化為輸入符號(hào)串加上結(jié)束符號(hào)$。2匹配過程根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入符號(hào)，使用SLR(1)分析表進(jìn)行匹配，如果匹配成功，則將相應(yīng)的動(dòng)作（移進(jìn)或規(guī)約）執(zhí)行。3規(guī)約過程如果分析表中對(duì)應(yīng)動(dòng)作是規(guī)約，則根據(jù)規(guī)約規(guī)則將棧頂?shù)姆?hào)彈出，并將相應(yīng)的非終結(jié)符壓入狀態(tài)棧，并更新輸入符號(hào)棧。4結(jié)束條件當(dāng)輸入符號(hào)棧為空且狀態(tài)棧僅包含狀態(tài)0時(shí)，分析過程結(jié)束，否則繼續(xù)匹配和規(guī)約。沖突處理移進(jìn)-歸約沖突當(dāng)分析器遇到一個(gè)輸入符號(hào)時(shí)，既可以移進(jìn)該符號(hào)，也可以使用某個(gè)產(chǎn)生式進(jìn)行歸約，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)移進(jìn)-歸約沖突。歸約-歸約沖突當(dāng)分析器遇到一個(gè)輸入符號(hào)時(shí)，可以使用多個(gè)產(chǎn)生式進(jìn)行歸約，就會(huì)出現(xiàn)歸約-歸約沖突。錯(cuò)誤處理語法錯(cuò)誤語法錯(cuò)誤通常發(fā)生在編譯器分析源代碼時(shí)，例如關(guān)鍵字拼寫錯(cuò)誤、缺少分號(hào)等，編譯器會(huì)給出錯(cuò)誤信息，并停止編譯。語義錯(cuò)誤語義錯(cuò)誤指的是代碼語法正確，但邏輯錯(cuò)誤，例如變量類型不匹配、數(shù)組越界訪問等，編譯器通常無法檢測(cè)到語義錯(cuò)誤，需要通過運(yùn)行時(shí)檢測(cè)。錯(cuò)誤恢復(fù)編譯器在遇到錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)嘗試進(jìn)行錯(cuò)誤恢復(fù)，跳過錯(cuò)誤部分，繼續(xù)進(jìn)行編譯，以盡可能減少錯(cuò)誤的影響。語義分析檢查語義語義分析檢查源代碼是否符合語言語義規(guī)則，例如變量類型是否匹配、函數(shù)參數(shù)是否正確等。符號(hào)表語義分析過程中會(huì)使用符號(hào)表來記錄變量、函數(shù)等信息，以便進(jìn)行類型檢查和引用解析。抽象語法樹語義分析通常會(huì)將源代碼轉(zhuǎn)換為抽象語法樹，以便進(jìn)行后續(xù)的代碼優(yōu)化和生成。中間代碼生成中間代碼是編譯器將源代碼翻譯成目標(biāo)代碼的中間產(chǎn)物。它是一種抽象的表示形式，可以更容易地進(jìn)行優(yōu)化和生成目標(biāo)代碼。中間代碼通常采用三地址碼的形式，每個(gè)指令包含三個(gè)操作數(shù)。1目標(biāo)代碼生成將中間代碼翻譯成目標(biāo)機(jī)器代碼2優(yōu)化對(duì)中間代碼進(jìn)行優(yōu)化，提高執(zhí)行效率3中間代碼生成將源代碼翻譯成中間代碼目標(biāo)代碼生成1目標(biāo)代碼生成將中間代碼轉(zhuǎn)換為目標(biāo)機(jī)器的機(jī)器指令2匯編語言生成匯編語言代碼，便于調(diào)試和理解3優(yōu)化優(yōu)化目標(biāo)代碼，提高效率和性能4代碼生成生成可執(zhí)行的機(jī)器代碼目標(biāo)代碼生成是編譯器的重要階段，將中間代碼轉(zhuǎn)換為目標(biāo)機(jī)器的機(jī)器指令。目標(biāo)代碼生成器需要考慮目標(biāo)機(jī)器的指令集、寄存器分配、內(nèi)存管理等因素。為了提高代碼效率和性能，目標(biāo)代碼生成器通常會(huì)進(jìn)行各種優(yōu)化，例如指令調(diào)度、寄存器分配、代碼重排等。代碼優(yōu)化刪除冗余代碼移除重復(fù)代碼，減少代碼大小，提高程序效率。優(yōu)化循環(huán)結(jié)構(gòu)使用更有效的循環(huán)方式，例如使用迭代器，避免不必要的循環(huán)操作。減少內(nèi)存占用避免創(chuàng)建不必要的對(duì)象，使用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，減少內(nèi)存占用。優(yōu)化數(shù)據(jù)訪問使用索引、緩存等技術(shù)，提高數(shù)據(jù)訪問效率，縮短程序執(zhí)行時(shí)間。擴(kuò)展主題：LR分析的變種GeneralizedLR分析該變種允許在分析過程中使用更多信息。增量LR分析可以逐步構(gòu)建分析表，適合處理大型語法?；旌螸R分析結(jié)合不同LR分析方法的優(yōu)點(diǎn)，提高分析效率。應(yīng)用案例分享LR分析在編譯器設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。例如，GCC、LLVM等知名編譯器都采用了LR分析技術(shù)來進(jìn)行語法分析。LR分析方法還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例如自然語言處理、代碼生成等。LR分析方法的應(yīng)用可以提高編譯器的效率和可靠性。它可以幫助編譯器快速識(shí)別語法錯(cuò)誤，并生成高效的代碼。LR分析技術(shù)還可以為其他語言處理任