實(shí)驗(yàn)1-3《編譯原理》詞法分析程序設(shè)計方案?一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.深入理解詞法分析在編譯程序中的地位和作用。2.熟練掌握詞法分析程序的設(shè)計方法，能夠運(yùn)用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和有限自動機(jī)等工具實(shí)現(xiàn)詞法分析功能。3.通過編寫詞法分析程序，提高程序設(shè)計和調(diào)試能力，加深對編譯原理中詞法分析階段相關(guān)知識的理解和運(yùn)用。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一個詞法分析程序，該程序能夠?qū)o定的源程序進(jìn)行掃描，識別出各種單詞，并將其分類輸出。具體來說，需要實(shí)現(xiàn)以下功能：1.能夠識別源程序中的關(guān)鍵字、標(biāo)識符、常量、運(yùn)算符和界符等單詞。2.對識別出的單詞進(jìn)行分類，并輸出每個單詞的類別和值。3.能夠處理源程序中的注釋，忽略注釋內(nèi)容。

三、實(shí)驗(yàn)環(huán)境1.編程語言：C語言2.開發(fā)工具：VisualStudio2019（或其他C語言集成開發(fā)環(huán)境）

四、詞法分析概述詞法分析是編譯的第一個階段，其主要任務(wù)是從左到右逐個字符地對源程序進(jìn)行掃描，依據(jù)詞法規(guī)則將其識別為一個個單詞。詞法分析程序的輸出通常是一個單詞序列，每個單詞由單詞類別和單詞自身的值組成。

單詞分類1.關(guān)鍵字：如C語言中的`if`、`else`、`while`、`for`、`int`、`float`等，它們具有固定的語義，是語言的一部分。2.標(biāo)識符：用于表示程序中的變量、函數(shù)、類型等，由字母、數(shù)字和下劃線組成，且首字符必須為字母或下劃線。3.常量：包括整型常量、實(shí)型常量、字符常量和字符串常量等。4.運(yùn)算符：如`+`、``、`*`、`/`、`=`、`>`、`<`等，用于進(jìn)行各種運(yùn)算。5.界符：如逗號`，`、分號`;`、括號`(`、`)`、`[`、`]`等，用于界定程序的結(jié)構(gòu)。

詞法分析方法常見的詞法分析方法有有限自動機(jī)（FiniteAutomata,FA）。有限自動機(jī)分為確定有限自動機(jī)（DeterministicFiniteAutomata,DFA）和非確定有限自動機(jī)（NondeterministicFiniteAutomata,NFA）。DFA是一種狀態(tài)機(jī)，它在任何時刻都處于一個確定的狀態(tài)，對于每個輸入符號，都有唯一的轉(zhuǎn)移。NFA則可以在某些情況下有多個轉(zhuǎn)移選擇。在詞法分析中，通常先將詞法規(guī)則轉(zhuǎn)換為NFA，然后通過一定的算法將NFA轉(zhuǎn)換為DFA，最后基于DFA實(shí)現(xiàn)詞法分析程序。

五、設(shè)計方案狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖設(shè)計根據(jù)詞法規(guī)則，設(shè)計狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（StateTransitionDiagram,STD）。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖是描述有限自動機(jī)的一種圖形表示，它由狀態(tài)和有向邊組成。每個狀態(tài)表示詞法分析過程中的一個階段，有向邊表示從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，邊上標(biāo)記的是輸入字符。

例如，對于標(biāo)識符的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：初始狀態(tài)為`S0`，表示開始識別標(biāo)識符。當(dāng)輸入字母或下劃線時，進(jìn)入狀態(tài)`S1`，繼續(xù)識別后續(xù)字符。在狀態(tài)`S1`下，若輸入字母、數(shù)字或下劃線，則繼續(xù)停留在`S1`；若輸入其他字符，則識別結(jié)束，標(biāo)識符類別為`ID`，值為當(dāng)前識別的字符串。

對于關(guān)鍵字的識別，可以在識別出標(biāo)識符后，通過查找關(guān)鍵字表來確定其是否為關(guān)鍵字。如果是關(guān)鍵字，則將類別標(biāo)記為相應(yīng)的關(guān)鍵字類別；否則為標(biāo)識符類別。

對于常量的識別，以整型常量為例：初始狀態(tài)為`S0`，若輸入數(shù)字，則進(jìn)入狀態(tài)`S1`。在狀態(tài)`S1`下，若繼續(xù)輸入數(shù)字，則保持在`S1`；若輸入非數(shù)字字符，則識別結(jié)束，常量類別為`INT_CONST`，值為當(dāng)前識別的數(shù)字字符串。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計1.狀態(tài)結(jié)構(gòu)體```ctypedefstruct{intstate;intnext_state[256];intfinal_state;inttoken_type;}State;````state`：當(dāng)前狀態(tài)編號。`next_state[256]`：存儲針對每個輸入字符的下一個狀態(tài)編號，最多可處理256種不同字符。`final_state`：標(biāo)記該狀態(tài)是否為最終狀態(tài)。`token_type`：如果是最終狀態(tài)，存儲該狀態(tài)對應(yīng)的單詞類別。2.單詞結(jié)構(gòu)體```ctypedefstruct{inttoken_type;chartoken_value[MAX_TOKEN_LEN];}Token;````token_type`：單詞類別。`token_value[MAX_TOKEN_LEN]`：存儲單詞的值，`MAX_TOKEN_LEN`定義了單詞值的最大長度。3.關(guān)鍵字表```ctypedefstruct{charkeyword[MAX_KEYWORD_LEN];intkeyword_type;}Keyword;````keyword[MAX_KEYWORD_LEN]`：存儲關(guān)鍵字字符串。`keyword_type`：關(guān)鍵字對應(yīng)的類別。

算法設(shè)計1.詞法分析主程序初始化詞法分析器，設(shè)置初始狀態(tài)。從源程序文件中逐個讀取字符。根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和讀取的字符，查找狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，確定下一個狀態(tài)。如果下一個狀態(tài)為最終狀態(tài)，則輸出當(dāng)前單詞的類別和值，并更新狀態(tài)為初始狀態(tài)，繼續(xù)讀取下一個字符。如果遇到注釋，則跳過注釋內(nèi)容。當(dāng)源程序讀取完畢，結(jié)束詞法分析。2.狀態(tài)轉(zhuǎn)換表生成算法根據(jù)設(shè)計的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，初始化狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。對于每個狀態(tài)，遍歷所有可能的輸入字符，確定從該狀態(tài)出發(fā)在該字符輸入下的下一個狀態(tài)。標(biāo)記最終狀態(tài)及其對應(yīng)的單詞類別。3.關(guān)鍵字匹配算法在識別出標(biāo)識符后，遍歷關(guān)鍵字表。將標(biāo)識符與關(guān)鍵字表中的每個關(guān)鍵字進(jìn)行比較。如果匹配成功，則將單詞類別更新為相應(yīng)的關(guān)鍵字類別；否則為標(biāo)識符類別。

六、程序?qū)崿F(xiàn)步驟初始化部分1.初始化狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖設(shè)置每個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移關(guān)系和最終狀態(tài)信息。2.初始化關(guān)鍵字表，將C語言中的關(guān)鍵字及其類別存儲到關(guān)鍵字表中。3.打開源程序文件，準(zhǔn)備讀取字符。

詞法分析循環(huán)1.從源程序文件中讀取一個字符。2.根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和讀取的字符，查找狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，獲取下一個狀態(tài)。3.如果下一個狀態(tài)為最終狀態(tài)：判斷當(dāng)前單詞是否為關(guān)鍵字，若是則更新單詞類別。將單詞的類別和值存儲到單詞結(jié)構(gòu)體中。輸出單詞的類別和值。重置當(dāng)前狀態(tài)為初始狀態(tài)。4.如果讀取到的字符是注釋的開始符號（如`/*`）：跳過注釋內(nèi)容，直到遇到注釋結(jié)束符號（如`*/`）。5.如果讀取到文件末尾，結(jié)束詞法分析。

程序結(jié)束關(guān)閉源程序文件，釋放相關(guān)資源。

七、測試用例簡單算術(shù)表達(dá)式```cintmain(){inta=10;intb=20;intc=a+b;return0;}```預(yù)期輸出：|單詞類別|單詞值||::|::||關(guān)鍵字|int||標(biāo)識符|main||界符|(||關(guān)鍵字|int||標(biāo)識符|a||界符|=||常量|10||關(guān)鍵字|int||標(biāo)識符|b||界符|=||常量|20||關(guān)鍵字|int||標(biāo)識符|c||界符|=||標(biāo)識符|a||運(yùn)算符|+||標(biāo)識符|b||界符|)||關(guān)鍵字|return||常量|0||界符|;||界符|)|

包含注釋的程序```c/*Thisisament*/intfunc(inta,intb){intc=a*b;returnc;}```預(yù)期輸出：|單詞類別|單詞值||::|::||關(guān)鍵字|int||標(biāo)識符|func||界符|(||關(guān)鍵字|int||標(biāo)識符|a||界符|,||關(guān)鍵字|int||標(biāo)識符|b||界符|)||界符|{||關(guān)鍵字|int||標(biāo)識符|c||界符|=||標(biāo)識符|a||運(yùn)算符|*||標(biāo)識符|b||界符|;||關(guān)鍵字|return||標(biāo)識符|c||界符|;||界符|}|

八、總結(jié)通過本次實(shí)驗(yàn)，成功設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個詞法分析程序。該程序能夠準(zhǔn)確地識別源程序中的各種單詞，并進(jìn)行分類輸出。在設(shè)計過程中，深入理解了詞法分析的原理和方法，運(yùn)用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和有限自動機(jī)等工具完成了詞