語法分析程式設計

【實驗目的】

1．熟悉判斷LL（1）文法的方法及對某一輸入串的分析過程。

2．學會構造表示式文法的預測分析表。

【實驗內容】

編寫一個語法分析程式，對於給定的輸入串，能夠判斷識別該串是否為給定文法的句型。

【實驗要求】

1．  輸入一個LL（1）文法，構造相應的LL（1）預測分析表。

2．  從鍵盤讀入輸入串，由演算法判斷該輸入串是否為該文法的句子，若正確，就通過，若錯誤就報錯。

【參考說明】

語法分析主要是將從詞法分析那裡得來的記號構成一棵語法樹。例：

 A->e

【實驗程式碼】

//LL1.h

#ifndef LL1_H_INCLUDED
#define LL1_H_INCLUDED

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#define MaxRuleNum 8
#define MaxVnNum 5
#define MaxVtNum 5
#define MaxStackDepth 20
#define MaxPLength 20
#define MaxStLength 50
struct pRNode /*產生式右部結構*/
{
 int rCursor; /*右部序號*/
 struct pRNode *next;
};
struct pNode /*產生式結點結構*/
{
 int lCursor; /*左部符號序號*/
 int rLength; /*右部長度*/
 /*注當rLength = 1 時，rCursor = -1為空產生式*/
 struct pRNode *rHead; /*右部結點頭指標*/
};
char Vn[MaxVnNum + 1]; /*非終結符集*/
int vnNum;
char Vt[MaxVtNum + 1]; /*終結符集*/
int vtNum;
struct pNode P[MaxRuleNum]; /*產生式*/
int PNum; /*產生式實際個數*/
char buffer[MaxPLength + 1];
char ch; /*符號或string ch;*/
char st[MaxStLength]; /*要分析的符號串*/

struct collectNode /*集合元素結點結構*/
{
 int nVt; /*在終結符集中的下標*/
 struct collectNode *next;
};
struct collectNode* first[MaxVnNum + 1]; /*first集*/
struct collectNode* follow[MaxVnNum + 1]; /*follow集*/

int analyseTable[MaxVnNum + 1][MaxVtNum + 1 + 1];
/*預測分析表存放為產生式的編號，+1用於存放結束符，多+1用於存放#(-1)*/
int analyseStack[MaxStackDepth + 1]; /*分析棧*/
int topAnalyse; /*分析棧頂*/
/*int reverseStack[MaxStackDepth + 1]; /*顛倒順序棧*/
/*int topReverse; /*倒敘棧頂*/

void Init();/*初始化*/
int IndexCh(char ch);
/*返回Vn在Vn表中的位置+100、Vt在Vt表中的位置，-1表示未找到*/
void InputVt(); /*輸入終結符*/
void InputVn();/*輸入非終結符*/
void ShowChArray(char* collect, int num);/*輸出Vn或Vt的內容*/
void InputP();/*產生式輸入*/
bool CheckP(char * st);/*判斷產生式正確性*/
void First(int U);/*計算first集,U->xx...*/
void AddFirst(int U, int nCh); /*加入first集*/
bool HaveEmpty(int nVn); /*判斷first集中是否有空(-1)*/
void Follow(int V);/*計算follow集*/
void AddFollow(int V, int nCh, int kind);/*加入follow集，
 kind = 0表加入follow集，kind = 1加入first集*/
void ShowCollect(struct collectNode **collect);/*輸出first或follow集*/
void FirstFollow();/*計算first和follow*/
void CreateAT();/*構造預測分析表*/
void ShowAT();/*輸出分析表*/
void Identify(char *st);/*主控程式,為操作方便*/
/*分析過程顯示操作為本行變換所用，與教程的顯示方式不同*/
void InitStack();/*初始化棧及符號串*/
void ShowStack();/*顯示符號棧中內容*/
void Pop();/*棧頂出棧*/
void Push(int r);/*使用產生式入棧操作*/

#endif // HEAD_H_INCLUDED
 

//main.cpp

#include "LL1.h"

int main(void)
{
 char todo,ch;
 Init();
 InputVn();
 InputVt();
 InputP();
 getchar();
 FirstFollow();
 printf("所得first集為：");
 ShowCollect(first);
 printf("所得follow集為：");
 ShowCollect(follow);
 CreateAT();
 ShowAT();
 todo = 'y';
 while('y' == todo)
 {
  printf("\n是否繼續進行句型分析？(y / n):");
  todo = getchar();
  while('y' != todo && 'n' != todo)
  {
   printf("\n(y / n)? ");
   todo = getchar();
  }
  if('y' == todo)
  {
   int i;
   InitStack();
   printf("請輸入符號串(以#結束) : ");
   ch = getchar();
   i = 0;
   while('#' != ch && i < MaxStLength)
   {
    if(' ' != ch && '\n' != ch)
    {
     st[i++] = ch;
    }
    ch = getchar();
   }
   if('#' == ch && i < MaxStLength)
   {
    st[i] = ch;
    Identify(st);
   }
   else
    printf("輸入出錯！\n");
  }
 }
 getchar();
}
void Init()
{
 int i,j;
 vnNum = 0;
 vtNum = 0;
 PNum = 0;
 for(i = 0; i <= MaxVnNum; i++)
  Vn[i] = '\0';
 for(i = 0; i <= MaxVtNum; i++)
  Vt[i] = '\0';
 for(i = 0; i < MaxRuleNum; i++)
 {
  P[i].lCursor = NULL;
  P[i].rHead = NULL;
  P[i].rLength = 0;
 }
 PNum = 0;
 for(i = 0; i <= MaxPLength; i++)
  buffer[i] = '\0';
 for(i = 0; i < MaxVnNum; i++)
 {
  first[i] = NULL;
  follow[i] = NULL;
 }
 for(i = 0; i <= MaxVnNum; i++)
 {
  for(j = 0; j <= MaxVnNum + 1; j++)
   analyseTable[i][j] = -1;
 }
}
/*返回Vn在Vn表中的位置+100、Vt在Vt表中的位置，-1表示未找到*/
int IndexCh(char ch)
{
 int n;
 n = 0; /*is Vn?*/
 while(ch != Vn[n] && '\0' != Vn[n])
  n++;
 if('\0' != Vn[n])
  return 100 + n;
 n = 0; /*is Vt?*/
 while(ch != Vt[n] && '\0' != Vt[n])
  n++;
 if('\0' != Vt[n])
  return n;
 return -1;
}
/*輸出Vn或Vt的內容*/
void ShowChArray(char* collect)
{
 int k = 0;
 while('\0' != collect[k])
 {
  printf(" %c ", collect[k++]);
 }
 printf("\n");
}
/*輸入非終結符*/
void InputVn()
{
 int inErr = 1;
 int n,k;
 char ch;
 while(inErr)
 {
  printf("\n請輸入所有的非終結符，注意：");
  printf("請將開始符放在第一位，並以#號結束:\n");
  ch = ' ';
  n = 0;
  /*初始化陣列*/
  while(n < MaxVnNum)
  {
   Vn[n++] = '\0';
  }
  n = 0;
  while(('#' != ch) && (n < MaxVnNum))
  {
   if(' ' != ch && '\n' != ch && -1 == IndexCh(ch))
   {
    Vn[n++] = ch;
    vnNum++;
   }
   ch = getchar();
  }
  Vn[n] = '#'; /*以“#”標誌結束用於判斷長度是否合法*/
  k = n; /*k用於記錄n以便改Vn[n]='\0'*/
  if('#' != ch)
  {
   if( '#' != (ch = getchar()))
   {
    while('#' != (ch = getchar()))
     ;
    printf("\n符號數目超過限制！\n");
    inErr = 1;
    continue;
   }
  }
  /*正確性確認，正確則，執行下下面，否則重新輸入*/
  Vn[k] = '\0';
  ShowChArray(Vn);
  ch = ' ';
  while('y' != ch && 'n' != ch)
  {
   if('\n' != ch)
   {
    printf("輸入正確確認?(y/n):");
   }
   scanf("%c", &ch);
  }
  if('n' == ch)
  {
   printf("錄入錯誤重新輸入！\n");
   inErr = 1;
  }
  else
  {
   inErr = 0;
  }
 }
}
/*輸入終結符*/
void InputVt()
{
 int inErr = 1;
 int n,k;
 char ch;
 while(inErr)
 {
  printf("\n請輸入所有的終結符，注意：");
  printf("以#號結束:\n");
  ch = ' ';
  n = 0;
  /*初始化陣列*/
  while(n < MaxVtNum)
  {
   Vt[n++] = '\0';
  }
  n = 0;
  while(('#' != ch) && (n < MaxVtNum))
  {
   if(' '!= ch && '\n' != ch && -1 == IndexCh(ch))
   {
    Vt[n++] = ch;
    vtNum++;
   }
   ch = getchar();
  }
  Vt[n] = '#'; /*以“#”標誌結束*/
  k = n; /*k用於記錄n以便改Vt[n]='\0'*/
  if('#' != ch)
  {
   if( '#' != (ch = getchar()))
   {
    while('#' != (ch = getchar()))
    printf("\n符號數目超過限制！\n");
    inErr = 1;
    continue;
   }
  }
  /*正確性確認，正確則，執行下下面，否則重新輸入*/
  Vt[k] = '\0';
  ShowChArray(Vt);
  ch =' ';
  while('y' != ch && 'n' != ch)
  {
   if('\n' != ch)
   {
    printf("輸入正確確認?(y/n):");
   }
   scanf("%c", &ch);
  }
  if('n' == ch)
  {
   printf("錄入錯誤重新輸入！\n");
   inErr = 1;
  }
  else
  {
   inErr = 0;
  }
 }
}
/*產生式輸入*/
void InputP()
{
 char ch;
 int i = 0, n,num;
 printf("請輸入文法產生式的個數：");
 scanf("%d", &num);
 PNum = num;
 getchar(); /*消除回車符*/
 printf("\n請輸入文法的%d個產生式,並以回車分隔每個產生式：", num);
 printf("\n");
 while(i < num)
 {
  printf("第%d個：", i);
  /*初始化*/
  for(n =0; n < MaxPLength; n++)
   buffer[n] = '\0';
  /*輸入產生式串*/
  ch = ' ';
  n = 0;
  while('\n' != (ch = getchar()) && n < MaxPLength)
  {
   if(' ' != ch)
    buffer[n++] = ch;
  }
  buffer[n] = '\0';
/*  printf("%s", buffer);*/
  if(CheckP(buffer))
  {
   /*填寫入產生式結構體*/
   pRNode *pt, *qt;
   P[i].lCursor = IndexCh(buffer[0]);
   pt = (pRNode*)malloc(sizeof(pRNode));
   pt->rCursor = IndexCh(buffer[3]);
   pt->next = NULL;
   P[i].rHead = pt;
   n = 4;
   while('\0' != buffer[n])
   {
    qt = (pRNode*)malloc(sizeof(pRNode));
    qt->rCursor = IndexCh(buffer[n]);
    qt->next = NULL;
    pt->next = qt;
    pt = qt;
    n++;
   }
   P[i].rLength = n - 3;
   i++;
   /*除錯時使用*/
  }
  else
   printf("輸入符號含非法在成分，請重新輸入！\n");
 }
}
/*判斷產生式正確性*/
bool CheckP(char * st)
{
 int n;
 if(100 > IndexCh(st[0]))
  return false;
 if('-' != st[1])
  return false;
 if('>' != st[2])
  return false;
 for(n = 3; '\0' != st[n]; n ++)
 {
  if(-1 == IndexCh(st[n]))
   return false;
 }
 return true;
}
/*====================first & follow======================*/
/*計算first集,U->xx...*/
void First(int U)
{
 int i,j;
 for(i = 0; i < PNum; i++)
 {
  if(P[i].lCursor == U)
  {
   struct pRNode* pt;
   pt = P[i].rHead;
   j = 0;
   while(j < P[i].rLength)
   {
    if(100 > pt->rCursor)
    {
     /*注:此處因程式設計出錯,使空產生式時
     rlength同樣是1,故此處同樣可處理空產生式*/
     AddFirst(U, pt->rCursor);
     break;
    }
    else
    {
     if(NULL == first[pt->rCursor - 100])
     {
      First(pt->rCursor);
     }
     AddFirst(U, pt->rCursor);
     if(!HaveEmpty(pt->rCursor))
     {
      break;
     }
     else
     {
      pt = pt->next;
     }
    }
    j++;
   }
   if(j >= P[i].rLength) /*當產生式右部都能推出空時*/
    AddFirst(U, -1);
  }
 }
}
/*加入first集*/
void AddFirst(int U, int nCh) /*當數值小於100時nCh為Vt*/
/*當處理非終結符時,AddFirst不新增空項(-1)*/
{
 struct collectNode *pt, *qt;
 int ch; /*用於處理Vn*/
 pt = NULL;
 qt = NULL;
 if(nCh < 100)
 {
  pt = first[U - 100];
  while(NULL != pt)
  {
   if(pt->nVt == nCh)
    break;
   else
   {
    qt = pt;
    pt = pt->next;
   }
  }
  if(NULL == pt)
  {
   pt = (struct collectNode *)malloc(sizeof(struct collectNode));
   pt->nVt = nCh;
   pt->next = NULL;
   if(NULL == first[U - 100])
   {
    first[U - 100] = pt;
   }
   else
   {
    qt->next = pt; /*qt指向first集的最後一個元素*/
   }
   pt = pt->next;
  }
 }
 else
 {
  pt = first[nCh - 100];
  while(NULL != pt)
  {
   ch = pt->nVt;
   if(-1 != ch)
   {
    AddFirst(U, ch);
   }
   pt = pt->next;
  }
 }
}
/*判斷first集中是否有空(-1)*/
bool HaveEmpty(int nVn)
{
 if(nVn < 100) /*為終結符時(含-1)，在follow集中用到*/
  return false;
 struct collectNode *pt;
 pt = first[nVn - 100];
 while(NULL != pt)
 {
  if(-1 == pt->nVt)
   return true;
  pt = pt->next;
 }
 return false;
}
/*計算follow集,例：U->xVy,U->xV.(注：初始符必含#——"-1")*/
void Follow(int V)
{
 int i;
 struct pRNode *pt ;
 if(100 == V) /*當為初始符時*/
  AddFollow(V, -1, 0 );
 for(i = 0; i < PNum; i++)
 {
  pt = P[i].rHead;
  while(NULL != pt && pt->rCursor != V) /*注此不能處理：U->xVyVz的情況*/
   pt = pt->next;
  if(NULL != pt)
  {
   pt = pt->next; /*V右側的符號*/
   if(NULL == pt) /*當V後為空時V->xV，將左符的follow集併入V的follow集中*/
   {
    if(NULL == follow[P[i].lCursor - 100] && P[i].lCursor != V)
    {
     Follow(P[i].lCursor);
    }
    AddFollow(V, P[i].lCursor, 0);
   }
   else /*不為空時V->xVy,(注意：y->)，呼叫AddFollow加入Vt或y的first集*/
   {
    while(NULL != pt && HaveEmpty(pt->rCursor))
    {
AddFollow(V, pt->rCursor, 1); /*y的字首中有空時，加如first集*/
     pt = pt->next;
    }
    if(NULL == pt) /*當後面的字元可以推出空時*/
    {
     if(NULL == follow[P[i].lCursor - 100] && P[i].lCursor != V)
     {
      Follow(P[i].lCursor);
     }
     AddFollow(V, P[i].lCursor, 0);
    }
    else /*發現不為空的字元時*/
    {
     AddFollow(V, pt->rCursor, 1);
    }
   }
  }
 }
}
/*當數值小於100時nCh為Vt*/
/*#用-1表示,kind用於區分是併入符號的first集，還是follow集
kind = 0表加入follow集，kind = 1加入first集*/
void AddFollow(int V, int nCh, int kind)
{
 struct collectNode *pt, *qt;
 int ch; /*用於處理Vn*/
 pt = NULL;
 qt = NULL;
 if(nCh < 100) /*為終結符時*/
 {
  pt = follow[V - 100];
  while(NULL != pt)
  {
   if(pt->nVt == nCh)
    break;
   else
   {
    qt = pt;
    pt = pt->next;
   }
  }
  if(NULL == pt)
  {
   pt = (struct collectNode *)malloc(sizeof(struct collectNode));
   pt->nVt = nCh;
   pt->next = NULL;
   if(NULL == follow[V - 100])
   {
    follow[V - 100] = pt;
   }
   else
   {
    qt->next = pt; /*qt指向follow集的最後一個元素*/
   }
   pt = pt->next;
  }
 }
 else /*為非終結符時，要區分是加first還是follow*/
 {
  if(0 == kind)
  {
   pt = follow[nCh - 100];
   while(NULL != pt)
   {
    ch = pt->nVt;
    AddFollow(V, ch, 0);
    pt = pt->next;
   }
  }
  else
  {
   pt = first[nCh - 100];
   while(NULL != pt)
   {
    ch = pt->nVt;
    if(-1 != ch)
    {
     AddFollow(V, ch, 1);
    }
    pt = pt->next;
   }
  }
 }
}
/*輸出first或follow集*/
void ShowCollect(struct collectNode **collect)
{
 int i;
 struct collectNode *pt;
 i = 0;
 while(NULL != collect[i])
 {
  pt = collect[i];
  printf("\n%c:\t", Vn[i]);
  while(NULL != pt)
  {
   if(-1 != pt->nVt)
   {
    printf(" %c", Vt[pt->nVt]);
   }
   else
    printf(" #");
   pt = pt->next;
  }
  i++;
 }
 printf("\n");
}
/*計算first和follow*/
void FirstFollow()
{
 int i;
 i = 0;
 while('\0' != Vn[i])
 {
  if(NULL == first[i])
   First(100 + i);
  i++;
 }
 i = 0;
 while('\0' != Vn[i])
 {
  if(NULL == follow[i])
   Follow(100 + i);
  i++;
 }
}
/*=================構造預測分析表,例：U::xyz=============*/
void CreateAT()
{
 int i;
 struct pRNode *pt;
 struct collectNode *ct;
 for(i = 0; i < PNum; i++)
 {
  pt = P[i].rHead;
  while(NULL != pt && HaveEmpty(pt->rCursor))
  {
   /*處理非終結符，當為終結符時，定含空為假跳出*/
   ct = first[pt->rCursor - 100];
   while(NULL != ct)
   {
    if(-1 != ct->nVt)
     analyseTable[P[i].lCursor - 100][ct->nVt] = i;
    ct = ct->next;
   }
   pt = pt->next;
  }
  if(NULL == pt)
  {
   /*NULL == pt，說明xyz->,用到follow中的符號*/
   ct = follow[P[i].lCursor - 100];
   while(NULL != ct)
   {
    if(-1 != ct->nVt)
     analyseTable[P[i].lCursor - 100][ct->nVt] = i;
    else /*當含有#號時*/
     analyseTable[P[i].lCursor - 100][vtNum] = i;
    ct = ct->next;
   }
  }
  else
  {
   if(100 <= pt->rCursor) /*不含空的非終結符*/
   {
    ct = first[pt->rCursor - 100];
    while(NULL != ct)
    {
     analyseTable[P[i].lCursor - 100][ct->nVt] = i;
     ct = ct->next;
    }
   }
   else /*終結符或者空*/
   {
    if(-1 == pt->rCursor) /*-1為空產生式時*/
    {
     ct = follow[P[i].lCursor - 100];
     while(NULL != ct)
     {
      if(-1 != ct->nVt)
       analyseTable[P[i].lCursor - 100][ct->nVt] = i;
      else /*當含有#號時*/
       analyseTable[P[i].lCursor - 100][vtNum] = i;
      ct = ct->next;
     }
    }
    else /*為終結符*/
    {
     analyseTable[P[i].lCursor - 100][pt->rCursor] = i;
    }
   }
  }
 }
}
/*輸出分析表*/
void ShowAT()
{
 int i,j;
 printf("構造預測分析表如下：\n");
 printf("\t|\t");
 for(i = 0; i < vtNum; i++)
 {
  printf("%c\t", Vt[i]);
 }
 printf("#\t\n");
 printf("- - -\t|- - -\t");
 for(i = 0; i <= vtNum; i++)
  printf("- - -\t");
 printf("\n");
 for(i = 0; i < vnNum; i++)
 {
  printf("%c\t|\t", Vn[i]);
  for(j = 0; j <= vtNum; j++)
  {
   if(-1 != analyseTable[i][j])
    printf("R(%d)\t", analyseTable[i][j]);
   else
    printf("error\t");
  }
  printf("\n");
 }
}
/*=================主控程式=====================*/
void Identify(char *st)
{
 int current,step,r; /*r表使用的產生式的序號*/
 printf("\n%s的分析過程：\n", st);
 printf("步驟\t分析符號棧\t當前指示字元\t使用產生式序號\n");

 step = 0;
 current = 0; /*符號串指示器*/
 printf("%d\t",step);
 ShowStack();
 printf("\t\t%c\t\t- -\n", st[current]);
 while('#' != st[current])
 {
  if(100 > analyseStack[topAnalyse]) /*當為終結符時*/
  {
   if(analyseStack[topAnalyse] == IndexCh(st[current]))
   {
    /*匹配出棧，指示器後移*/
    Pop();
    current++;
    step++;
    printf("%d\t", step);
    ShowStack();
    printf("\t\t%c\t\t出棧、後移\n", st[current]);
   }
   else
   {
    printf("%c-%c不匹配！", analyseStack[topAnalyse], st[current]);
    printf("此串不是此文法的句子！\n");
    return;
   }
  }
  else /*當為非終結符時*/
  {
   r = analyseTable[analyseStack[topAnalyse] - 100][IndexCh(st[current])];
   if(-1 != r)
   {
    Push(r); /*產生式右部代替左部，指示器不移動*/
    step++;
    printf("%d\t", step);
    ShowStack();
    printf("\t\t%c\t\t%d\n", st[current], r);
   }
   else
   {
    printf("無可用產生式，此串不是此文法的句子！\n");
    return;
   }
  }
 }
 if('#' == st[current])
 {
  if(0 == topAnalyse && '#' == st[current])
  {
   step++;
   printf("%d\t", step);
   ShowStack();
   printf("\t\t%c\t\t分析成功！\n", st[current]);
   printf("%s是給定文法的句子！\n", st);
  }
  else
  {   while(topAnalyse > 0)
   {    if(100 > analyseStack[topAnalyse]) /*當為終結符時*/
    {     printf("無可用產生式，此串不是此文法的句子！\n");
     return;
    }
    else
    {     r = analyseTable[analyseStack[topAnalyse] - 100][vtNum];
     if(-1 != r)
     {      Push(r); /*產生式右部代替左部，指示器不移動*/
      step++;
      printf("%d\t", step);
      ShowStack();
      if(0 == topAnalyse && '#' == st[current])
      {       printf("\t\t%c\t\t分析成功！\n", st[current]);
       printf("%s是給定文法的句子！\n", st);
      }
      else
       printf("\t\t%c\t\t%d\n", st[current], r);     }
     else
     {      printf("無可用產生式，此串不是此文法的句子！\n");
      return;     }
    }
   }
  }
 }
}
/*初始化棧及符號串*/
void InitStack()
{ int i;
 /*分析棧的初始化*/
 for(i = 0; i < MaxStLength; i++)
  st[i] = '\0';
 analyseStack[0] = -1; /*#(-1)入棧*/
 analyseStack[1] = 100; /*初始符入棧*/
 topAnalyse = 1;
}
/*顯示符號棧中內容*/
void ShowStack()
{ int i;
 for(i = 0; i <= topAnalyse; i++)
 {  if(100 <= analyseStack[i])
   printf("%c", Vn[analyseStack[i] - 100]);
  else
  {   if(-1 != analyseStack[i])
    printf("%c", Vt[analyseStack[i]]);
   else
    printf("#");
  }
 }
}
/*棧頂出棧*/
void Pop()
{ topAnalyse--;
}
/*使用產生式入棧操作*/
void Push(int r)
{ int i;
 struct pRNode *pt;
 Pop();
 pt = P[r].rHead;
 if(-1 == pt->rCursor) /*為空產生式時*/
  return;
 topAnalyse += P[r].rLength;
 for(i = 0; i < P[r].rLength; i++)
 {  /*不為空產生式時*/
  analyseStack[topAnalyse - i] = pt->rCursor;/*逆序入棧*/
  pt = pt->next;
 }/*迴圈未完時pt為空，則說明rLength記錄等出錯*/
}