Redy词法分析--输入缓冲区的设计与实现

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这一章的内容有：

输入缓冲区的设计与实现

（一）扫描器简介

在前面的章节当中，我们都是从终端下输入字符串，然后来判断该字符串属于那类型的词文，在这一章里面，我将讲述怎么从源程序文件中效率的读取字符序列，并在后面把这些字符序列交给扫描器转化为词文。在编译原理里面，实现这一过程的方法叫做扫描器。扫描器在对字符序列识别时，采用的是贪心算法，即尽可能识别字符序列。例如字符序列145572.2545不会被识别成：整数、点号、整数这三个词文，而是被识别成浮点数。

在实现扫描器这前，我们先实现一个输入缓冲区

（二）输入缓冲区的设计与实现

（1）简介

在扫描器扫描文件的时候，每一次从文件中读取一个字符，判断该字符是否能被识别，在C库里面可能通过fgetc()实现从文件中读取一个字符，但是这样做的效率太低，调用getchar的时候，函数内部发生了很多我们不知道的事情，例如系统调用或者是调用其它的函数。第二个原因不能使用fgetc()是因为扫描器采用的最大识别的方法，例如时我们识别字符序列254.INC，扫描器在扫描254后，判断出254是一个整数，但是还会继续向下扫描，直到扫描到字符 'I' 时才出现错误，这时就需要重新回到最后一次识别到完整词文的位置，把该词文交给语法分析系统处理。然后从该词文后面重新开始识别新的词文。而扫描器扫描的是字符流，如果使用getc（）就意为着我们只能从流中获取下一个字符，但不能让流回到原来的某个位置。

（2）输入缓冲区设计

因为扫描器采用的是最大识别的方法，而且字符的读取在词法分析阶段是频率很高，这就为我们输入缓冲区的设计提出了几个要求：

1. 对某个位置标记，以便可以重新回到标记的位置开始读取字符
2. 提供一段空间，用于数据缓冲来提高词法分析的效率
3. 从输入缓冲区获取我们已经识别到的词文的内容

（3）输入缓冲区的实现

第一步，用一个结构体来表示输入缓冲区

struct lex_file
{
    FILE* l_file;
    char* l_buf;
    int l_buf_cap;
    int l_buf_size;
    int l_begin;
    int l_mark;
    int l_read_pos;
};

在结构体lex_file里面总共有7个成员，

1. l_file表示读取字符序列的文件
2. l_buf用于缓存从文件中读取的字符序列，以提高词法识别的效率
3. l_buf_cap用于表示整个缓冲区的长度
4. l_buf_size表于从文件中读取的数据的长度
5. l_begin表示扫描器在扫描当前词文时的开始位置
6. l_mark用于对缓冲区的某个位置标记，以便可以重新回到该位置开始读取字符
7. l_read_pos表示当前的读取位置

下面一张图片是扫描器在扫描字符 234.DE 时，l_begin,l_mark,l_read_pos指向的位置

第二步，有了缓冲区的数据结构，接下来就是为该数据结构制定接口的时候。

a）输入缓冲区的创建与销毁

输入缓冲区的创建有两种方法，一种从指定的文件名中创建输入缓冲区，别一是从已经打开的文件中创建缓冲区，在他们内部都调用lf_init()来对输入缓冲区进行初始化

输入缓冲区的创建代码：

void lf_init(struct lex_file* lf,FILE* file)
{
    lf->l_file=file;
    lf->l_buf=(char*)malloc(LEX_FILE_DEFAULT_SIZE);
    lf->l_buf_cap=LEX_FILE_DEFAULT_SIZE;
    lf->l_buf_size=0;
    lf->l_begin=0;
    lf->l_mark=0;
    lf->l_read_pos=0;
};
struct lex_file* lf_create(char* file_name)
{
    FILE* file=fopen(file_name,"r");
    if(file==NULL)
    {
        return NULL;
    }
    struct lex_file* lf=(struct lex_file*)malloc(sizeof(*lf));
    lf_init(lf,file);
    return lf;
}
struct lex_file* lf_stream_create(FILE* file)
{
    if(file==NULL)
    {
        BUG("NULL Pointer");
        return NULL;
    }
    struct lex_file* lf=(struct lex_file*)malloc(sizeof(*lf));
    lf_init(lf,file);
    return lf;
};

输入缓冲区的销毁代码：

void lf_destory(struct lex_file* lf)
{
    free(lf->l_buf);
    fclose(lf->l_file);
    free(lf);
}

b）从文件中读取数据到缓冲区，读取数据到缓冲区的过程分：

1. 判断缓冲区中是否存数据，如果没有直接从文件中读取数据
2. 计算缓冲区的可用空间，看是否能在读取LEX_FILE_DEFALUT_SIZE/2大小的数据，如果不能，则把缓冲区扩大成为原来的2倍，这种情况可能发生在识别一个长字符串词文时。
3. 移除已使用过作费的的数据，为新读入的数据腾出空间，把有效的数据移到缓冲区的开头。
4. 读取新数据到缓冲区

代码为：

int lf_load_data(struct lex_file* lf)
{
    int readbyte;
    if(lf->l_buf_size==0)
    {
        readbyte=fread(lf->l_buf,sizeof(char),LEX_FILE_DEFAULT_SIZE,lf->l_file);
        lf->l_buf_size=readbyte;
        return readbyte;
    }

    int begin=lf->l_begin;
    int mark=lf->l_mark;
    int read_pos=lf->l_read_pos;
    int buf_cap=lf->l_buf_cap;

    int buf_used=read_pos-begin;
    int buf_free=buf_cap-buf_used;

    if(buf_free<LEX_FILE_DEFAULT_SIZE/2)
    {

        char* new_buf=(char*)malloc(lf->l_buf_cap*2);
        memcpy(new_buf,lf->l_buf+begin,buf_used);
        free(lf->l_buf);
        lf->l_buf=new_buf;
        lf->l_buf_cap=lf->l_buf_cap*2;

    }
    else
    {
        int i;
        char* buf=lf->l_buf;
        for(i=0;i<buf_used;i++)
        {
            buf[i]=buf[i+begin];
        }
    }

    lf->l_begin=0;
    lf->l_mark=mark-begin;
    lf->l_read_pos=read_pos-begin;

    readbyte=fread(lf->l_buf+buf_used,sizeof(char),lf->l_buf_cap-buf_used,lf->l_file);
    lf->l_buf_size=buf_used+readbyte;


    return readbyte;
}

c）从输入缓冲区中读取一个字符，先判断读取位置是否以到达缓冲区数据尾端，如果是则从文件中加载数据

代码为：

static inline char lf_next_char(struct lex_file* lf)
{
    if(lf->l_read_pos>=lf->l_buf_size)
    {
        if(lf_load_data(lf)==0)
        {
            return EOF;
        }
    }
    return lf->l_buf[lf->l_read_pos++];
}

d）对当前读取位置进行标记，以便以后可以重新回到该位置进行读写

代码为：

static inline void lf_mark(struct lex_file* lf)
{
    lf->l_mark=lf->l_read_pos;
}

e）回到标记位置

代码为：

static inline void lf_back_to_mark(struct lex_file* lf)
{
    lf->l_read_pos=lf->l_mark;
}
static inline void lf_reset_to_mark(struct lex_file* lf)
{
    lf->l_begin=lf->l_mark;
    lf->l_read_pos=lf->l_mark;
}

到现在，我们已经完成一个高效率的输入缓冲区。

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