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# 07 | 编译器前端工具（二）：用Antlr重构脚本语言
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上一讲，我带你用Antlr生成了词法分析器和语法分析器，也带你分析了，跟一门成熟的语言相比，在词法规则和语法规则方面要做的一些工作。
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在词法方面，我们参考Java的词法规则文件，形成了一个CommonLexer.g4词法文件。在这个过程中，我们研究了更完善的字符串字面量的词法规则，还讲到要通过规则声明的前后顺序来解决优先级问题，比如关键字的规则一定要在标识符的前面。
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目前来讲，我们已经完善了词法规则，所以今天我们来补充和完善一下语法规则，看一看怎样用最高效的速度，完善语法功能。比如一天之内，我们是否能为某个需要编译技术的项目实现一个可行性原型？
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而且，我还会带你熟悉一下常见语法设计的最佳实践。这样当后面的项目需要编译技术做支撑时，你就会很快上手，做出成绩了！
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接下来，我们先把表达式的语法规则梳理一遍，让它达到成熟语言的级别，然后再把语句梳理一遍，包括前面几乎没有讲过的流程控制语句。最后再升级解释器，用Visitor模式实现对AST的访问，这样我们的代码会更清晰，更容易维护了。
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好了，让我们正式进入课程，先将表达式的语法完善一下吧！
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## 完善表达式（Expression）的语法
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在“[06 | 编译器前端工具（一）：用Antlr生成词法、语法分析器](https://time.geekbang.org/column/article/126910)”中，我提到Antlr能自动处理左递归的问题，所以在写表达式时，我们可以大胆地写成左递归的形式，节省时间。
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但这样，我们还是要为每个运算写一个规则，逻辑运算写完了要写加法运算，加法运算写完了写乘法运算，这样才能实现对优先级的支持，还是有些麻烦。
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其实，Antlr能进一步地帮助我们。我们可以把所有的运算都用一个语法规则来涵盖，然后用最简洁的方式支持表达式的优先级和结合性。在我建立的PlayScript.g4语法规则文件中，只用了一小段代码就将所有的表达式规则描述完了：
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```
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expression
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: primary
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| expression bop='.'
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( IDENTIFIER
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| functionCall
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| THIS
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)
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| expression '[' expression ']'
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| functionCall
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| expression postfix=('++' | '--')
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| prefix=('+'|'-'|'++'|'--') expression
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| prefix=('~'|'!') expression
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| expression bop=('*'|'/'|'%') expression
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| expression bop=('+'|'-') expression
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| expression ('<' '<' | '>' '>' '>' | '>' '>') expression
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| expression bop=('<=' | '>=' | '>' | '<') expression
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| expression bop=INSTANCEOF typeType
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| expression bop=('==' | '!=') expression
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| expression bop='&' expression
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| expression bop='^' expression
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| expression bop='|' expression
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| expression bop='&&' expression
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| expression bop='||' expression
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| expression bop='?' expression ':' expression
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| <assoc=right> expression
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bop=('=' | '+=' | '-=' | '*=' | '/=' | '&=' | '|=' | '^=' | '>>=' | '>>>=' | '<<=' | '%=')
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expression
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;
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```
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这个文件几乎包括了我们需要的所有的表达式规则，包括几乎没提到的点符号表达式、递增和递减表达式、数组表达式、位运算表达式规则等，已经很完善了。
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那么它是怎样支持优先级的呢？原来，优先级是通过右侧不同产生式的顺序决定的。在标准的上下文无关文法中，产生式的顺序是无关的，但在具体的算法中，会按照确定的顺序来尝试各个产生式。
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你不可能一会儿按这个顺序，一会儿按那个顺序。然而，同样的文法，按照不同的顺序来推导的时候，得到的AST可能是不同的。我们需要注意，这一点从文法理论的角度，是无法接受的，但从实践的角度，是可以接受的。比如LL文法和LR文法的概念，是指这个文法在LL算法或LR算法下是工作正常的。又比如我们之前做加法运算的那个文法，就是递归项放在右边的那个，在递归下降算法中会引起结合性的错误，但是如果用LR算法，就完全没有这个问题，生成的AST完全正确。
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```
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additiveExpression
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: IntLiteral
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| IntLiteral Plus additiveExpression
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;
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```
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Antlr的这个语法实际上是把产生式的顺序赋予了额外的含义，用来表示优先级，提供给算法。所以，我们可以说这些文法是Antlr文法，因为是与Antlr的算法相匹配的。当然，这只是我起的一个名字，方便你理解，免得你产生困扰。
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我们再来看看Antlr是如何依据这个语法规则实现结合性的。在语法文件中，Antlr对于赋值表达式做了<assoc=right>的属性标注，说明赋值表达式是右结合的。如果不标注，就是左结合的，交给Antlr实现了！
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我们不妨继续猜测一下Antlr内部的实现机制。我们已经分析了保证正确的结合性的算法，比如把递归转化成循环，然后在构造AST时，确定正确的父子节点关系。那么Antlr是不是也采用了这样的思路呢？或者说还有其他方法？你可以去看看Antlr生成的代码验证一下。
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在思考这个问题的同时你会发现，**学习原理是很有用的。**因为当你面对Antlr这样工具时，能够猜出它的实现机制。
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通过这个简化的算法，AST被成功简化，不再有加法节点、乘法节点等各种不同的节点，而是统一为表达式节点。你可能会问了：“如果都是同样的表达式节点，怎么在解析器里把它们区分开呢？怎么知道哪个节点是做加法运算或乘法运算呢？”
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很简单，我们可以查找一下当前节点有没有某个运算符的Token。比如，如果出现了或者运算的Token（“||”），就是做逻辑或运算，而且语法里面的bop=、postfix=、prefix=这些属性，作为某些运算符Token的别名，也会成为表达式节点的属性。通过查询这些属性的值，你可以很快确定当前运算的类型。
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到目前为止，我们彻底完成了表达式的语法工作，可以放心大胆地在脚本语言里使用各种表达式，把精力放在完善各类语句的语法工作上了。
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## 完善各类语句（Statement）的语法
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我先带你分析一下PlayScript.g4文件中语句的规则：
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```
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statement
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: blockLabel=block
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| IF parExpression statement (ELSE statement)?
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| FOR '(' forControl ')' statement
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| WHILE parExpression statement
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| DO statement WHILE parExpression ';'
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| SWITCH parExpression '{' switchBlockStatementGroup* switchLabel* '}'
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| RETURN expression? ';'
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| BREAK IDENTIFIER? ';'
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| SEMI
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| statementExpression=expression ';'
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;
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```
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同表达式一样，一个statement规则就可以涵盖各类常用语句，包括if语句、for循环语句、while循环语句、switch语句、return语句等等。表达式后面加一个分号，也是一种语句，叫做表达式语句。
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从语法分析的难度来看，上面这些语句的语法比表达式的语法简单的多，左递归、优先级和结合性的问题这里都没有出现。这也算先难后易，苦尽甘来了吧。实际上，我们后面要设计的很多语法，都没有想象中那么复杂。
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既然我们尝到了一些甜头，不如趁热打铁，深入研究一下if语句和for语句？看看怎么写这些语句的规则？多做这样的训练，再看到这些语句，你的脑海里就能马上反映出它的语法规则。
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#### 1.研究一下if语句
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在C和Java等语言中，if语句通常写成下面的样子：
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```
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if (condition)
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做一件事情;
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else
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做另一件事情;
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```
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但更多情况下，if和else后面是花括号起止的一个语句块，比如：
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```
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if (condition){
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做一些事情；
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}
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else{
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做另一些事情；
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}
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```
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它的语法规则是这样的：
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```
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statement :
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...
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| IF parExpression statement (ELSE statement)?
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|
...
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;
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parExpression : '(' expression ')';
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```
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我们用了IF和ELSE这两个关键字，也复用了已经定义好的语句规则和表达式规则。你看，语句规则和表达式规则一旦设计完毕，就可以被其他语法规则复用，多么省心！
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但是if语句也有让人不省心的地方，比如会涉及到二义性文法问题。所以，接下来我们就借if语句，分析一下二义性文法这个现象。
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#### 2.解决二义性文法
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学计算机语言的时候，提到if语句，会特别提一下嵌套if语句和悬挂else的情况，比如下面这段代码：
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```
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if (a > b)
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if (c > d)
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做一些事情；
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|
else
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做另外一些事情；
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```
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在上面的代码中，我故意取消了代码的缩进。那么，你能不能看出else是跟哪个if配对的呢？
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一旦你语法规则写得不够好，就很可能形成二义性，也就是用同一个语法规则可以推导出两个不同的句子，或者说生成两个不同的AST。这种文法叫做二义性文法，比如下面这种写法：
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```
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stmt -> if expr stmt
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| if expr stmt else stmt
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| other
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```
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按照这个语法规则，先采用第一条产生式推导或先采用第二条产生式推导，会得到不同的AST。左边的这棵AST中，else跟第二个if配对；右边的这棵AST中，else跟第一个if配对。
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大多数高级语言在解析这个示例代码时都会产生第一个AST，即else跟最邻近的if配对，也就是下面这段带缩进的代码表达的意思：
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```
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if (a > b)
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if (c > d)
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做一些事情；
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|
else
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|
做另外一些事情；
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|
```
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那么，有没有办法把语法写成没有二义性的呢？当然有了。
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```
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stmt -> fullyMatchedStmt | partlyMatchedStmt
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fullyMatchedStmt -> if expr fullyMatchedStmt else fullyMatchedStmt
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| other
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partlyMatchedStmt -> if expr stmt
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| if expr fullyMatchedStmt else partlyMatchedStmt
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```
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按照上面的语法规则，只有唯一的推导方式，也只能生成唯一的AST：
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其中，解析第一个if语句时只能应用partlyMatchedStmt规则，解析第二个if语句时，只能适用fullyMatchedStmt规则。
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这时，我们就知道可以通过改写语法规则来解决二义性文法。至于怎么改写规则，确实不像左递归那样有清晰的套路，但是可以多借鉴成熟的经验。
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再说回我们给Antlr定义的语法，这个语法似乎并不复杂，怎么就能确保不出现二义性问题呢？因为Antlr解析语法时用到的是LL算法。
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LL算法是一个深度优先的算法，所以在解析到第一个statement时，就会建立下一级的if节点，在下一级节点里会把else子句解析掉。如果Antlr不用LL算法，就会产生二义性。这再次验证了我们前面说的那个知识点：文法要经常和解析算法配合。
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分析完if语句，并借它说明了二义性文法之后，我们再针对for语句做一个案例研究。
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#### 3.研究一下for语句
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for语句一般写成下面的样子：
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```
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for (int i = 0; i < 10; i++){
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println(i);
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}
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```
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相关的语法规则如下：
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```
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statement :
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|
|
|
...
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|
|
|
|
|
| FOR '(' forControl ')' statement
|
|
|
|
|
|
...
|
|
|
|
|
|
;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
forControl
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|
|
: forInit? ';' expression? ';' forUpdate=expressionList?
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|
;
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|
|
|
|
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forInit
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|
|
: variableDeclarators
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| expressionList
|
|
|
|
|
|
;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
expressionList
|
|
|
|
|
|
: expression (',' expression)*
|
|
|
|
|
|
;
|
|
|
|
|
|
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|
|
```
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从上面的语法规则中看到，for语句归根到底是由语句、表达式和变量声明构成的。代码中的for语句，解析后形成的AST如下：
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熟悉了for语句的语法之后，我想提一下语句块（block）。在if语句和for语句中，会用到它，所以我捎带着把语句块的语法构成写了一下，供你参考：
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```
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block
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: '{' blockStatements '}'
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;
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blockStatements
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|
: blockStatement*
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|
;
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blockStatement
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: variableDeclarators ';' //变量声明
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| statement
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| functionDeclaration //函数声明
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| classDeclaration //类声明
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;
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```
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现在，我们已经拥有了一个相当不错的语法体系，除了要放到后面去讲的函数、类有关的语法之外，我们几乎完成了playscript的所有的语法设计工作。接下来，我们再升级一下脚本解释器，让它能够支持更多的语法，同时通过使用Visitor模式，让代码结构更加完善。
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## 用Vistor模式升级脚本解释器
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我们在纯手工编写的脚本语言解释器里，用了一个evaluate()方法自上而下地遍历了整棵树。随着要处理的语法越来越多，这个方法的代码量会越来越大，不便于维护。而Visitor设计模式针对每一种AST节点，都会有一个单独的方法来负责处理，能够让代码更清晰，也更便于维护。
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Antlr能帮我们生成一个Visitor处理模式的框架，我们在命令行输入：
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```
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antlr -visitor PlayScript.g4
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\-visitor参数告诉Antlr生成下面两个接口和类：
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public interface PlayScriptVisitor<T> extends ParseTreeVisitor<T> {...}
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public class PlayScriptBaseVisitor<T> extends AbstractParseTreeVisitor<T> implements PlayScriptVisitor<T> {...}
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在PlayScriptBaseVisitor中，可以看到很多visitXXX()这样的方法，每一种AST节点都对应一个方法，例如：
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@Override public T visitPrimitiveType(PlayScriptParser.PrimitiveTypeContext ctx) {...}
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其中泛型< T >指的是访问每个节点时返回的数据的类型。在我们手工编写的版本里，当时只处理整数，所以返回值一律用Integer，现在我们实现的版本要高级一点，AST节点可能返回各种类型的数据，比如：
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* 浮点型运算的时候，会返回浮点数；
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* 字符类型运算的时候，会返回字符型数据；
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* 还可能是程序员自己设计的类型，如某个类的实例。
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所以，我们就让Visitor统一返回Object类型好了，能够适用于各种情况。这样，我们的Visitor就是下面的样子（泛型采用了Object）：
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public class MyVisitor extends PlayScriptBaseVisitor<Object>{
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...
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}
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这样，在visitExpression()方法中，我们可以编写各种表达式求值的代码，比如，加法和减法运算的代码如下：
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public Object visitExpression(ExpressionContext ctx) {
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Object rtn = null;
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//二元表达式
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if (ctx.bop != null && ctx.expression().size() >= 2) {
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Object left = visitExpression(ctx.expression(0));
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Object right = visitExpression(ctx.expression(1));
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...
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Type type = cr.node2Type.get(ctx);//数据类型是语义分析的成果
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switch (ctx.bop.getType()) {
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case PlayScriptParser.ADD: //加法运算
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rtn = add(leftObject, rightObject, type);
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break;
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case PlayScriptParser.SUB: //减法运算
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rtn = minus(leftObject, rightObject, type);
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break;
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...
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}
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}
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...
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}
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其中ExpressionContext就是AST中表达式的节点，叫做Context，意思是你能从中取出这个节点所有的上下文信息，包括父节点、子节点等。其中，每个子节点的名称跟语法中的名称是一致的，比如加减法语法规则是下面这样：
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expression bop=('+'|'-') expression
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那么我们可以用ExpressionContext的这些方法访问子节点：
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ctx.expression(); //返回一个列表，里面有两个成员，分别是左右两边的子节点
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ctx.expression(0); //运算符左边的表达式，是另一个ExpressionContext对象
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ctx.expression(1); //云算法右边的表达式
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ctx.bop(); //一个Token对象，其类型是PlayScriptParser.ADD或SUB
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ctx.ADD(); //访问ADD终结符，当做加法运算的时候，该方法返回非空值
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ctx.MINUS()； //访问MINUS终结符
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在做加法运算的时候我们还可以递归的对下级节点求值，就像代码里的visitExpression(ctx.expression(0))。同样，要想运行整个脚本，我们只需要visit根节点就行了。
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所以，我们可以用这样的方式，为每个AST节点实现一个visit方法。从而把整个解释器升级一遍。除了实现表达式求值，我们还可以为今天设计的if语句、for语句来编写求值逻辑。以for语句为例，代码如下：
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// 初始化部分执行一次
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if (forControl.forInit() != null) {
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rtn = visitForInit(forControl.forInit());
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}
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while (true) {
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Boolean condition = true; // 如果没有条件判断部分，意味着一直循环
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if (forControl.expression() != null) {
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condition = (Boolean) visitExpression(forControl.expression());
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}
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if (condition) {
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// 执行for的语句体
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rtn = visitStatement(ctx.statement(0));
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// 执行forUpdate，通常是“i++”这样的语句。这个执行顺序不能出错。
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if (forControl.forUpdate != null) {
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visitExpressionList(forControl.forUpdate);
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}
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} else {
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break;
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}
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}
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你需要注意for语句中各个部分的执行规则，比如：
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* forInit部分只能执行一次；
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* 每次循环都要执行一次forControl，看看是否继续循环；
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* 接着执行for语句中的语句体；
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* 最后执行forUpdate部分，通常是一些“i++”这样的语句。
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支持了这些流程控制语句以后，我们的脚本语言就更丰富了！
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## 课程小结
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今天，我带你用Antlr高效地完成了很多语法分析工作，比如完善表达式体系，完善语句体系。除此之外，我们还升级了脚本解释器，使它能够执行更多的表达式和语句。
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在实际工作中，针对面临的具体问题，我们完全可以像今天这样迅速地建立可以运行的代码，专注于解决领域问题，快速发挥编译技术的威力。
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而且在使用工具时，针对工具的某个特性，比如对优先级和结合性的支持，我们大致能够猜到工具内部的实现机制，因为我们已经了解了相关原理。
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## 一课一思
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我们通过Antlr并借鉴成熟的规则文件，很快就重构了脚本解释器，这样工作效率很高。那么，针对要解决的领域问题，你是不是借鉴过一些成熟实践或者最佳实践来提升效率和质量？在这个过程中又有什么心得呢？欢迎在留言区分享你的心得。
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最后，感谢你的阅读，如果这篇文章让你有所收获，也欢迎你将它分享给更多的朋友。
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我把一门功能比较全的脚本语言的示例放在了playscript-java项目下，以后几讲的内容都会参考这里面的示例代码。
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* playscript-java（项目目录）： [码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/tree/master/playscript-java) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/tree/master/playscript-java)
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* PlayScript.java（入口程序）： [码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/PlayScript.java) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/PlayScript.java)
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* PlayScript.g4（语法规则）： [码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/PlayScript.g4) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/PlayScript.g4)
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* ASTEvaluator.java（解释器）： [码云](https://gitee.com/richard-gong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/ASTEvaluator.java) [GitHub](https://github.com/RichardGong/PlayWithCompiler/blob/master/playscript-java/src/main/play/ASTEvaluator.java)
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