ANTLR4 入门

桩白墨
Java
2023-06-09
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简介

ANTLR（ANother Tool for Language Recognition）是一个强大的解析器生成器，它根据语法定义生成解析器，解析器可以构建和遍历解析树。

所有编程语言的语法，都可以用ANTLR来定义。ANTLR提供了大量的官方 grammar 示例。

核心概念

理解三个核心概念：Lexer、Parser、AST。

词法分析器（Lexer）：将字符序列转换为单词(Token)
语法分析器（Parser）：将单词(Token)转换为 AST
抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）：源代码解析之后形成的树状结构，一般可以用来进行代码语法的检查，代码风格的检查，代码的格式化，代码的高亮，代码的错误提示以及代码的自动补全等等

例如，对于以下的代码：

while (b != 0) {
    if (a > b) {
        a = a - b;
    } else {
        b = b - a;
    }
} 
return a;

可以转换为如下的 AST 抽象表达：

使用方法

从实战角度出发，我们直接使用 IDEA，在项目代码中进行操作。跟着我一步步来。

Step1 用 IDEA 创建一个空的 SpringBoot 项目

过程不赘述。

Step2 Maven 配置

引入依赖

<!-- antl4 -->
<dependency>
    <groupId>org.antlr</groupId>
    <artifactId>antlr4-runtime</artifactId>
    <version>4.9.3</version>
</dependency>

加入 ANTLR maven 插件

<plugin>
    <groupId>org.antlr</groupId>
    <artifactId>antlr4-maven-plugin</artifactId>
    <version>4.9.3</version>
    <executions>
        <execution>
            <id>antlr</id>
            <goals>
                <goal>antlr4</goal>
            </goals>
        </execution>
    </executions>
    <configuration>
        <arguments>
            <argument>-no-listener</argument>
            <argument>-visitor</argument>
        </arguments>
        <treatWarningsAsErrors>true</treatWarningsAsErrors>
    </configuration>
</plugin>

Step3 定义语法和词法

需要创建一个.g4文件，用于定义词法分析器（lexer）和语法解析器(Parser)。具体语法参见官方文档。

这个文件要放置到 src/main/antlr4 目录下（这是 maven 插件用的默认位置），然后根据需要的包名创建内层文件夹。

下面是一个简单的例子：Hello.g4。

// file Hello.g4
// Define a grammar called Hello
grammar Hello; // 1. grammer name
r  : 'hello' ID ;         // 2. match keyword hello followed by an identifier
ID : [a-z]+ ;             // match lower-case identifiers
WS : [ \t\r\n]+ -> skip ; // 3. skip spaces, tabs, newlines

定义了 grammar 的名字，名字需要与文件名对应
r 定义的语法，会使用到下方定义的正则表达式词法
定义了空白字符，后面的 skip 是一个特殊的标记，标记空白字符会被忽略

Step4 生成解析器

执行 maven 的 antlr4 命令，生成解析器代码。生成的结果如图（如果没有识别为源码，需要手动将 antlr4 标记为源码目录）：

HelloBaseVisitor.java; // 实现 Visitor 的一个基类我们业务可以继承这个类来访问 AST 实现自己需要的
HelloLexer.java; // 词法解析器
HelloParser.java; // 语法解析器
HelloVisitor.java // Visitor 用于访问 AST （抽象语法树）

Step5 写一个测试类

public class HelloTest {
    public static void main(String[] args) {
        HelloLexer lexer = new HelloLexer(CharStreams.fromString("hello part"));
        CommonTokenStream tokens = new CommonTokenStream(lexer);
        HelloParser parser = new HelloParser(tokens);
        ParseTree tree = parser.r();
        System.out.println(tree.toStringTree(parser));
    }
}

运行后得到输出：

(r hello part)

Step 6 实现 Visitor

ANTLR提供了 Listener 和 Visitor 两种方法来访问 ParseTree。最大的区别是Listener会自动访问 AST 的所有节点，而 Visitor 如果要访问当前节点的子树，则需要手工实现。

Visitor 较为简单方便，继承 HelloBaseVisitor 类即可。

创建一个 Visitor：

public class HelloVisitorImpl extends HelloBaseVisitor<String> {
    @Override
    public String visitR(HelloParser.RContext ctx) {
        return ctx.ID().getText();
    }
}

改写 HelloTest 的代码，加上 Visitor 调用逻辑：

public class HelloTest {
    public static void main(String[] args) {
        HelloLexer lexer = new HelloLexer(CharStreams.fromString("hello part"));
        CommonTokenStream tokens = new CommonTokenStream(lexer);
        HelloParser parser = new HelloParser(tokens);
        ParseTree tree = parser.r();

        HelloVisitorImpl visitor = new HelloVisitorImpl();
        String ans = visitor.visit(tree);
        System.out.println(ans);
    }
}

输出的结果是

part

实践｜做一个计算器

我们来实现一个简单的计算器。

Step1 定义语法和词法

创建 Calculator.g4，内容如下：

// 定义了 grammar 的名字，名字需要与文件名对应
grammar Calculator;

/**
 * parser
 * calc 和 expr 就是定义的语法，会使用到下方定义的词法
 * 注意 # 后面的名字，是可以在后续访问和处理的时候使用的。
 * 一个语法有多种规则的时候可以使用 | 来进行配置。
 */

 calc
     : (expr)* EOF                                    # calculationBlock
     ;
// 四则运算分为了两个非常相似的语句，这样做的原因是为了实现优先级，乘除是优先级高于加减的。
 expr
    : BR_OPEN expr BR_CLOSE                           # expressionWithBr
    | sign=(PLUS|MINUS)? num=(NUMBER|PERCENT_NUMBER)  # expressionNumeric
    | expr op=(TIMES | DIVIDE) expr                   # expressionTimesOrDivide
    | expr op=(PLUS | MINUS) expr                     # expressionPlusOrMinus
   ;

/**
 * lexer
 */

BR_OPEN:   '(';
BR_CLOSE:  ')';
PLUS:      '+';
MINUS:     '-';
TIMES:     '*';
DIVIDE:    '/';
PERCENT:   '%';
POINT:     '.';

// 定义百分数
PERCENT_NUMBER
    : NUMBER ((' ')? PERCENT)
    ;

NUMBER
    : DIGIT+ ( POINT DIGIT+ )?
    ;

DIGIT
   : [0-9]+
   ;
   
// 定义了空白字符，后面的 skip 是一个特殊的标记，标记空白字符会被忽略
SPACE
   : ' ' -> skip
   ;

Step2 实现 Visitor

生成解析器代码之后，我们来实现 Visitor，支持 BigDecimal。BigDecimalCalculationVisitor，内容如下：

public class BigDecimalCalculationVisitor extends CalculatorBaseVisitor<BigDecimal> {

    /**
     * 100
     */
    private static final BigDecimal HUNDRED = BigDecimal.valueOf(100);

    /**
     * DECIMAL128のMathContext (桁数34、RoundingMode.HALF_EVEN)
     */
    private static final MathContext MATH_CONTEXT = MathContext.DECIMAL128;

    @Override
    public BigDecimal visitCalculationBlock(CalculatorParser.CalculationBlockContext ctx) {
        BigDecimal calcResult = null;
        for (CalculatorParser.ExprContext expr : ctx.expr()) {
            calcResult = visit(expr);
        }
        return calcResult;
    }

    @Override
    public BigDecimal visitExpressionTimesOrDivide(CalculatorParser.ExpressionTimesOrDivideContext ctx) {
        BigDecimal left = visit(ctx.expr(0));
        BigDecimal right = visit(ctx.expr(1));
        switch (ctx.op.getType()) {
            case CalculatorLexer.TIMES: return left.multiply(right, MATH_CONTEXT);
            case CalculatorLexer.DIVIDE: return left.divide(right, MATH_CONTEXT);
            default: throw new RuntimeException("unsupported operator type");
        }
    }

    @Override
    public BigDecimal visitExpressionPlusOrMinus(CalculatorParser.ExpressionPlusOrMinusContext ctx) {
        BigDecimal left = visit(ctx.expr(0));
        BigDecimal right = visit(ctx.expr(1));
        switch (ctx.op.getType()) {
            case CalculatorLexer.PLUS: return left.add(right, MATH_CONTEXT);
            case CalculatorLexer.MINUS: return left.subtract(right, MATH_CONTEXT);
            default: throw new RuntimeException("unsupported operator type");
        }
    }

    @Override
    public BigDecimal visitExpressionWithBr(CalculatorParser.ExpressionWithBrContext ctx) {
        return visit(ctx.expr());
    }

    @Override
    public BigDecimal visitExpressionNumeric(CalculatorParser.ExpressionNumericContext ctx) {
        BigDecimal numeric = numberOrPercent(ctx.num);
        if (Objects.nonNull(ctx.sign) && ctx.sign.getType() == CalculatorLexer.MINUS) {
            return numeric.negate();
        }
        return numeric;
    }

    private BigDecimal numberOrPercent(Token num) {
        String numberStr = num.getText();
        switch (num.getType()) {
            case CalculatorLexer.NUMBER: return decimal(numberStr);
            case CalculatorLexer.PERCENT_NUMBER: return decimal(numberStr.substring(0, numberStr.length() - 1).trim()).divide(HUNDRED, MATH_CONTEXT);
            default: throw new RuntimeException("unsupported number type");
        }
    }

    private BigDecimal decimal(String decimalStr) {
        return new BigDecimal(decimalStr);
    }

}

Step3 业务类中调用解析器

public class Calculator {
    public BigDecimal execute(String expression) {
        CharStream cs = CharStreams.fromString(expression);
        CalculatorLexer lexer = new CalculatorLexer(cs);
        CommonTokenStream tokens = new CommonTokenStream(lexer);
        CalculatorParser parser = new CalculatorParser(tokens);
        CalculatorParser.CalcContext context = parser.calc();
        BigDecimalCalculationVisitor visitor = new BigDecimalCalculationVisitor();
        return visitor.visit(context);
    }
}

Step4 测试用例

class CalculatorTest {

    private final Calculator calculator = new Calculator();

    @DisplayName("Test Calculator")
    @ParameterizedTest
    @CsvSource({
            "1 + 2, 3",
            "3 - 2, 1",
            "2 * 3, 6",
            "6 / 3, 2",
            "6 / (1 + 2) , 2",
            "50%, 0.5",
            "100 * 30%, 30.0"
    })
    void testCalculation(String expression, String expected) {
        assertEquals(expected, calculator.execute(expression).toPlainString());
    }
}

参考资料

掘金：语法解析器ANTLR4从入门到实践