一起来写个简单的解释器（8）

本文是Ruslan Spivak的《一起来写个简单的解释器》系列的第8篇（第7篇）。
如果你对kotlin感兴趣，可以参考我的spi-kotlin。

今天我们要学习两种一元操作符：一元加(+)和一元减(-)。

今天的很多内容都是以上一篇文章为基础的。如果上一章的有些内容你已经记不清了，可以先回去复习一下。记住：重复是学习之母。

闲话少说，今天你会学到：

• 扩展语法，增加对一元加和一元减的支持
• 增加新的 UnaryOp AST节点类
• 扩展分析器，支持 UnaryOp 类型的AST节点
• 扩展翻译器，增加新的visit_UnaryOp方法来处理一元操作符

开始吧？

到目前为止我们处理的都是二元操作符(+, -, *, /)，也就是操作两个操作数的操作符。那么一元操作符是什么呢？一元操作符 是只操作一个操作数的操作符。一元加和一元减操作符的运算规则如下：

• 一元减操作符的结果是它的操作数的相反数
• 一元加操作符的结果是它的操作数自身
• 一元操作符的优先级高于二元操作符 (加减乘除）

在表达式“+ - 3”中，第一个操作符“+”表示一元加操作，第二个操作符“-”表示一元减操作。表达式“+ - 3”等价于“+(-(3))”，也就是-3。你也可以把表达式里的-3看做一个负数，不过在这篇文章里我们把它当做一个一元减操作符和一个正数3：

再来看另一个表达式，“5 - - 2”：

在表达式“5 - - 2”里，第一个“-”表示二元减操作符，第二个“-”表示一元减操作符。

下面是更多的例子：

现在，我们要升级语法规则，来支持一元加和一元减操作符。首先先修改 factor 规则，在其中添加一元操作符。把一元操作符加在 factor 规则里是因为它的优先级要高于二元操作符（加减乘除）。

现在 factor 的规则从这个样子：

变成了这个样子：

可以看到，factor 规则引用了自己，这样 factor 就能扩展出像“- - - + - 3”这样的表达式了。

下面是现在的完整语法规则：

下一步是增加表示一元操作符的AST节点类型：

class UnaryOp(AST):
    def __init__(self, op, expr):
        self.token = self.op = op
        self.expr = expr

构造器接收两个参数：op 表示一元操作符的token（加或减），expr 表示一个AST节点。

升级后的语法规则中， factor 规则发生了变化，所以我们的分析器中的相应方法 factor 也需要进行修改，增加代码来处理“(PLUS | MINUS) factor”这条子规则。

def factor(self):
    """factor : (PLUS | MINUS) factor | INTEGER | LPAREN expr RPAREN"""
    token = self.current_token
    if token.type == PLUS:
        self.eat(PLUS)
        node = UnaryOp(token, self.factor())
        return node
    elif token.type == MINUS:
        self.eat(MINUS)
        node = UnaryOp(token, self.factor())
        return node
    elif token.type == INTEGER:
        self.eat(INTEGER)
        return Num(token)
    elif token.type == LPAREN:
        self.eat(LPAREN)
        node = self.expr()
        self.eat(RPAREN)
        return node

接下来扩展 Interpreter 类，增加 visit_UnaryOp 方法来翻译一元节点：

def visit_UnaryOp(self, node):
    op = node.op.type
    if op == PLUS:
        return +self.visit(node.expr)
    elif op == MINUS:
        return -self.visit(node.expr)

继续前进！

我们先手工构建表达式“5 - - - 2”的AST，把它传给解释器，来验证一下我们的 visit_UnaryOp 方法。你可以在Python shell里这样测试：

>>> from spi import BinOp, UnaryOp, Num, MINUS, INTEGER, Token
>>> five_tok = Token(INTEGER, 5)
>>> two_tok = Token(INTEGER, 2)
>>> minus_tok = Token(MINUS, '-')
>>> expr_node = BinOp(
...     Num(five_tok),
...     minus_tok,
...     UnaryOp(minus_token, UnaryOp(minus_token, Num(two_tok)))
... )
>>> from spi import Interpreter
>>> inter = Interpreter(None)
>>> inter.visit(expr_node)
3

上面生成的AST树长这样：

直接从GitHub下载完整的解释器代码，试试更新后的解释器能不能正确求解包含一元运算符的数学表达式。

下面是一些测试用例：

$ python spi.py
spi> - 3
-3
spi> + 3
3
spi> 5 - - - + - 3
8
spi> 5 - - - + - (3 + 4) - +2
10

我也更新了genastdot.py工具，现在它能处理一元操作符了。下面是一些生成含有一元操作符的表达式的AST图的例子：

$ python genastdot.py "- 3" > ast.dot && dot -Tpng -o ast.png ast.dot

$ python genastdot.py "+ 3" > ast.dot && dot -Tpng -o ast.png ast.dot

$ python genastdot.py "5 - - - + - 3" > ast.dot && dot -Tpng -o ast.png ast.dot

$ python genastdot.py "5 - - - + - (3 + 4) - +2" \
  > ast.dot && dot -Tpng -o ast.png ast.dot

给你留个小练习：

• 安装Free Pascal，编译并运行testunary.pas，检查结果是否与spi生成的结果一致。

下面是我推荐的一些书籍列表，它们对你学习解释器和编译器有帮助：

1. Language Implementation Patterns: Create Your Own Domain-Specific and General Programming Languages (Pragmatic Programmers)
2. Writing Compilers and Interpreters: A Software Engineering Approach
3. Modern Compiler Implementation in Java
4. Modern Compiler Design
5. Compilers: Principles, Techniques, and Tools (2nd Edition)

顺便，我正在写一本叫做“Let’s Build A Web Server: First Steps”的书，主要内容是关于怎么从零开始编写一个简单的web服务器。想要先睹为快的话可以点击这里，这里，和这里。想知道这本书的最近更新和出版日期的话，可以到邮件列表里询问。 ⤧  Next post 给静态博客添加页面切换效果 ⤧  Previous post 一起来写个简单的解释器（7）