Тема 6. Общие принципы организации синтаксического разбора

[ содержание | предыдущая тема | следующая тема ]

Содержание темы

Назначение синтаксического разбора. Классификация методов синтаксического разбора.

Назначение синтаксического разбора

Синтаксический разбор (распознавание) является первым этапом синтаксического анализа. Именно при его выполнении осуществляется подтверждение того, что входная цепочка символов является программой, а отдельные подцепочки составляют синтаксически правильные программные объекты. Вслед за распознаванием отдельных подцепочек осуществляется анализ их семантической корректности на основе накопленной информации. Затем проводится добавление новых объектов в объектную модель программы или в промежуточное представление.

Разбор предназначен для доказательства того, что анализируемая входная цепочка, записанная на входной ленте, принадлежит или не принадлежит множеству цепочек порождаемых грамматикой данного языка. Выполнение синтаксического разбора осуществляется распознавателями, являющимися автоматами. Поэтому данный процесс также называется распознаванием входной цепочки. Цель доказательства в том, чтобы ответить на вопрос: принадлежит ли анализируемая цепочка множеству правильных цепочек заданного языка. Ответ "да" дается, если такая принадлежность установлена. В противном случае дается ответ "нет". Получение ответа "нет" связано с понятиям отказа. Единственный отказ на любом уровне ведет к общему отказу.

Чтобы получить ответ "да" относительно всей цепочки, надо его получить для каждого правила, обеспечивающего разбор отдельной подцепочки. Так как множество правил образуют иерархическую структуру, возможно с рекурсиями, то процесс получения общего положительного ответа можно интерпретировать как сбор по определенному принципу ответов для листьев, лежащих в основе дерева разбора, что дает положительный ответ для узла, содержащего эти листья. Далее анализируются обработанные узлы, и уже в них полученные ответы складываются в общий ответ нового узла. И так далее до самой вершины. Данный принцип обработки сильно напоминает бюрократическую систему, используемую в организационном управлении любого предприятия. Так поднимается наверх информация, подтверждающая выполнение указания начальника организации. До этого, теми же путями, вниз спускалось и разделялось исходное указание.

Классификация методов синтаксического разбора

Если попытаться формализовать задачу на уровне элементарного метаязыка, то она будет ставиться следующим образом. Дан язык L(G) с грамматикой G, в которой S - начальный нетерминал. Построить дерево разбора входной цепочки

Естественно, что существует огромное количество путей решения данной задачи, и целью разработчика распознавателя является выделение приемлемых вариантов его реализации. Для того, чтобы понять, что, и каким образом, влияет на принципы функционирования распознавателя, а следовательно, и на организацию разбора, рассмотрим некоторые возможные варианты. Общая классификация рассматриваемых вариантов построения распознавателя представлена на рис. 6.1.

На самом верхнем уровне выделяются:

• методы разбора;
• последовательность разбора;
• использование просмотра вперед;
• использование возвратов.

Методы разбора

Выделяются два основных метода синтаксического разбора:

• нисходящий разбор;
• восходящий разбор.

Кроме этого можно использовать комбинированный разбор, сочетающий особенности двух предыдущих.

Нисходящие и восходящие подходы широко используются в различных областях человеческой деятельности, особенно в тех из них, которые связаны с анализом и синтезом искусственных систем. В частности, можно отметить методы разработки программного обеспечения сверху вниз (нисходящий) и снизу вверх (восходящий).

Нисходящий разбор заключается в построении дерева разбора, начиная от корневой вершины. Разбор заключается в заполнении промежутка между начальным нетерминалом и символами входной цепочки правилами, выводимыми из начального нетерминала. Подстановка основывается на том факторе, что корневая вершина является узлом, состоящим из листьев, являющихся цепочкой терминалов и нетерминалов одного из альтернативных правил, порождаемых начальным нетерминалом. Подставляемое правило в общем случае выбирается произвольно. Вместо новых нетерминальных вершин осуществляется подстановка выводимых из них правил. Процесс протекает до тех пор, пока не будут установлены все связи дерева, соединяющие корневую вершину и символы входной цепочки, или пока не будут перебраны все возможные комбинации правил. В последнем случае входная цепочка отвергается. Построение дерева разбора подтверждает принадлежность входной цепочки данному языку. При этом, в общем случае, для одной и той же входной цепочки может быть построено несколько деревьев разбора. Это говорит о том, что грамматика данного языка является недетерминированной.

Эти рассуждения иллюстрируются следующим примером. Пусть будет дана грамматика G:

G₆ = ({S}, {a, +, *}, P, S),

Где P определяется как:

1. S → a
2. S → S + S
3. S → S * S

Цепочки, порождаемые данной грамматикой можно интерпретировать как выражения, состоящие из операндов "a", а также операций "+" и "*". Недетерминированность грамматики позволяет порождать одну и ту же терминальную цепочки с использованием различных выводов. Например, выражение "a+a*a+a" можно получить следующими способами:

1. S ⇒ S+S ⇒ a+S ⇒ a+S*S ⇒ a+ a*S ⇒ a+a*S+S ⇒ a+a*a+S ⇒ a+a*a+a
2. S ⇒ S+S ⇒ S+a ⇒ S*S+a ⇒ S*a+a ⇒ S+S*a+a ⇒ S+a*a+a ⇒ a+a*a+a (6.1)
3. S ⇒ S*S ⇒ S+S*S ⇒ S+S*S+S ⇒ a+ S*S+S ⇒ a+a*S+S ⇒ a+a*S+a ⇒ a+a*a+a

И так далее. В этом пример число вариантов одной и той же произвольной цепочки вывода настолько велико, что не имеет и смысла говорить о практическом применении данной грамматики. Но в данном случае она позволяет показать, каким образом могут порождаться различные деревья при нисходящем разборе. Пошаговое построение различных деревьев показано на рис. 6.2, 6.3, 6.4. Можно отметить, что процесс построения дерева совпадает с последовательностью шагов вывода входной цепочки.

При восходящем разборе дерево начинает строиться от терминальных листьев путем подстановки правил, применимых к входной цепочке, опять таки, в общем случае, в произвольном порядке. На следующем шаге новые узлы полученных поддеревьев используются как листья во вновь применяемых правилах. Процесс построения дерева разбора завершается, когда все символы входной цепочки будут являться листьями дерева, корнем которого окажется начальный нетерминал. Если, в результате полного перебора всех возможных правил, мы не сможем построить требуемое дерево разбора, то рассматриваемая входная цепочка не принадлежит данному языку.

Восходящий разбор также непосредственно связан с любым возможным выводом цепочки из начального нетерминала. Однако, эта связь, по сравнению с нисходящим разбором, реализуется с точностью до "наоборот". На рис. 6.5, 6.6, 6.7 приведены примеры построения деревьев разбора для грамматики G₆ и процессов порождения цепочек, представленных выражениями (6.1). Из рисунков видно, что шаги порождения дерева соответствуют движению по представленным цепочкам вывода справа налево.

Комбинированный разбор может быть реализован тогда, когда процесс распознавания разбивается на два этапа. На одном из них осуществляется нисходящий, а на другом - восходящий разбор. Этапов может быть и больше, а порядок их применения - произвольным. Комбинированным можно считать разбор в любом трансляторе, если фазу лексического анализа принять за первый этап, а синтаксического - за второй. При этом лексический анализатор нельзя считать истинным распознавателем, так как осуществляется формирование только одного слоя ветвей в дереве разбора, расположенного над символами входной цепочки (рис. 6.8).

Прямой лексический анализатор будет являться восходящим распознавателем, который может сочетаться с нисходящим. Непрямой же лексический анализ можно рассматривать как нисходящий разбор некоторой подцепочки (осуществляются проверки версий). Поэтому комбинированный разбор будет при его совместном использовании с восходящим распознавателем. В синтаксическом же анализаторе комбинация различных видов разборов обычно не используются, так как в этом нет особого смысла.

Последовательность разбора.

Последовательность разбора определяет, каким образом осуществляется формирование фрагмента дерева разбора на каждом шаге подстановки. Эти подстановки могут осуществляться слева направо, справа налево, произвольно. Различные последовательности разбора можно рассмотреть на примере грамматики G₆ и выводов одной и той же цепочки, описанных выражениями 6.1. В первом примере представлен вывод слева направо, когда порождение новой цепочки на каждом шаге осуществляется для самого левого нетерминала. Как только из самого левого нетерминала порождается терминальная цепочка, осуществляется переход к нетерминалу, расположенному правее. Второй пример иллюстрирует выполнение вывода справа налево. Третий и четвертый пример иллюстрируют произвольный порядок вывода. Следует отметить, что использование упорядоченного разбора ускоряет его выполнение за счет уменьшения числа перебираемых правил.

Последовательность разбора непосредственно сочетается с методом разбора. Так, при нисходящем разборе слева направо, подстановка правил вместо самых левых нетерминалов ведет к тому, что входная цепочка распознается с ее начала (рис. 6.2). Нисходящий разбор справа налево ведет к первоначальному подтверждению символов с конца цепочки (рис. 6.3). Наоборот, восходящий разбор слева направо осуществляет замену на нетерминал символов, расположенных в конце цепочки (рис. 6.5). Замена начальных символов производится при восходящем разборе справа налево (рис. 6.6). Произвольный разбор не оговаривает последовательность подстановки правил (рис 6.4, 6.7). Это ведет к большему количеству переборов.

Повышение эффективности разбора осуществляется разработкой грамматик, специально поддерживающих согласованные между собой метод и последовательность. Так, например, Грамматики, предназначенные для нисходящего разбора, обычно используются для вывода слева направо. Следовательно, и входная цепочка будет разбираться слева направо. Это позволяет быстрее получать нужные символы, а не ждать конца цепочки и лишь потом осуществлять разбор (можно, конечно, саму цепочку разбирать от конца к началу, но это уже из области симметрии). Грамматики, ориентированные на восходящий разбор, обычно оптимизированы под правый вывод входной цепочки, что позволяет, при синтаксическом разборе, опять-таки осуществлять подстановки нетерминалов слева направо.

Использование просмотра вперед.

Языки (как и другие системы) бывают различными по сложности. Ряд из них практически невозможно описать с помощью простых грамматик. Поэтому, в грамматиках могут встречаться альтернативные правила, начинающиеся с одинаковых цепочек символов. Возникающая неоднозначность может быть разрешена путем предварительного просмотра правила на n символов вперед до той границы, начиная с которой данное правило можно будет отличить от других. В контекстно свободных (КС) грамматиках число, определяющее количество символов, анализируемых перед выбором подстановки (1, 2...), используется для классификации. По этому критерию КС грамматики, задаются следующим образом: КС(1), КС(2),...

Просмотр вперед - это один из возможных вариантов упорядочивания подстановок, обеспечивающий решение проблемы недетерминированности. Наряду с ним используются: преобразование грамматик к детерминированным и анализ с возвратами.

Использование возвратов

Синтаксический разбор с возвратами выполняется аналогично тому, как осуществляется непрямой лексический анализ. Возвраты производятся для альтернативных правил, начинающихся с одинаковых подцепочек. В этом случае появление отказа при разборе правила ведет к восстановлению входной головки в то положение, в котором она была да входа в данное правило. Использование возвратов может выступать в качестве альтернативы просмотру вперед. Приоритет правил, определяющий порядок их обхода, назначается также как и при лексическом анализе и зависит от того, является ли некоторое правило подмножеством другого. Метод универсален и легок для понимания и реализации. Однако, такой подход замедляет разбор и может вести к дополнительным издержкам во время семантического анализа и построения объектной модели.

Резюме.

Приведенные варианты организации синтаксического разбора могут встречаться в разнообразных сочетаниях. Однако, при разработке языка программирования всегда необходимо искать разумный компромисс. Несмотря на разнообразие факторов, влияющих на особенности организации разрабатываемого языка программирования, всегда надо учитывать, что:

• чем сложнее синтаксис языка программирования, тем сложнее его грамматика;
• чем сложнее грамматика, тем больше сложность и универсальность методов разбора;
• универсальные методы разбора ведут к более медленному его выполнению.

Поэтому, от начала процесса разработки языка программирования до его реализации постоянно необходимо обеспечивать баланс между сложностью замысла и простотой реализации. Следует также отметить, что усложнение синтаксиса не всегда обеспечивает более удобное восприятие конструкций языка пользователем. Зачастую можно иметь простой синтаксис и удобный для использования язык, поддерживаемый очень быстрым транслятором.

Контрольные вопросы и задания

1. Назначение синтаксического разбора.
2. Что является результатом синтаксического разбора?
3. Назовите основные критерии классификации синтаксического разбора.
4. Какие существуют методы разбора?
5. Связь методов разбора с выводом входной цепочки.
6. Особенности нисходящего разбора.
7. Особенности восходящего разбора.
8. Особенности комбинированного разбора.
9. Какие существуют последовательности разбора?
10. Связь между методами разбора и последовательностью разбора.
11. Особенности разбора с просмотром вперед.
12. Дополнительная классификация контекстно свободных грамматик.
13. Особенности разбора с возвратами.
14. Связь между сложностью языка и его трансляцией.

[ содержание | предыдущая тема | следующая тема ]