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46 changes: 23 additions & 23 deletions 3.5.md
Expand Up @@ -6,15 +6,15 @@
> 协议:[CC BY-NC-SA 4.0](http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)
运行在任何现代计算机上的软件都以多种编程语言写成。其中有物理语言,例如用于特定计算机的机器语言。这些语言涉及到基于独立储存位和原始机器指令的数据表示和控制。机器语言的程序员涉及到使用提供的硬件,为资源有限的计算构建系统和功能的高效实现。高阶语言构建在机器语言智商,隐藏了数据表示为位集,以及程序表示为原始指令序列的细节。这些语言拥有组合和抽象的手段,例如过程定义,它们适用于组织大规模的软件系统。
运行在任何现代计算机上的软件都以多种编程语言写成。其中有物理语言,例如用于特定计算机的机器语言。这些语言涉及到基于独立储存位和原始机器指令的数据表示和控制。机器语言的程序员涉及到使用提供的硬件,为资源有限的计算构建系统和功能的高效实现。高阶语言构建在机器语言之上,隐藏了表示为位集的数据,以及表示为原始指令序列的程序的细节。这些语言拥有例如过程定义的组合和抽象的手段,它们适用于组织大规模的软件系统。

元语言抽象 -- 建立了新的语言 -- 并在所有工程设计分支中起到重要作用。它对于计算机编程尤其重要,因为我们不仅仅可以在编程中构想出新的语言,我们也能够通过构建解释器来实现它们。编程语言的解释器是一个函数,它在语言的表达式上调用,执行求解表达式所需的操作。

我们现在已经开始了技术之旅,通过这种技术,编程语言可以建立在其它语言之上。我们首先会为计算器定义解释器,它是一种受限的语言,和 Python 调用表达式具有相同的语法。我们之后会从零开始开发 Scheme 和 Logo 语言的解释器,它们都是 Lisp 的方言,Lisp 是现在仍旧广泛使用的第二老的语言。我们所创建的解释器,在某种意义上,会允许我们使用 Logo 编写完全通用的程序。为了这样做,它会实现我们已经在这门课中开发的求值的环境模型
我们现在已经开始了技术之旅,通过这种技术,编程语言可以建立在其它语言之上。我们首先会为计算器定义解释器,它是一种受限的语言,和 Python 调用表达式具有相同的语法。我们之后会从零开始开发 Scheme 和 Logo 语言的解释器,它们都是 Lisp 的方言,Lisp 是现在仍旧广泛使用的第二老的语言。我们所创建的解释器,在某种意义上,会让我们使用 Logo 编写完全通用的程序。为了这样做,它会实现我们已经在这门课中开发的求值环境模型

## 3.5.1 计算器

我们的第一种新语言叫做计算器,一种用于加减乘除的算术运算的表达式语言。计算器拥有 Python 调用表达式的语法,但是他的运算符对于所接受的参数数量等价灵活。例如,计算器运算符`mul``add`可接受任何数量的参数:
我们的第一种新语言叫做计算器,一种用于加减乘除的算术运算的表达式语言。计算器拥有 Python 调用表达式的语法,但是它的运算符对于所接受的参数数量更加灵活。例如,计算器运算符`mul``add`可接受任何数量的参数:

```py
calc> add(1, 2, 3, 4)
Expand Down Expand Up @@ -43,9 +43,9 @@ calc> -(100, *(7, +(8, /(-12, -3))))
16.0
```

我们会使用 Python 实现计算器解释器。也就是说,我们会编写 Python 程序来接受字符串作为输入,并返回求值结果。如果输入时复合要求的计算器表达式,结果为字符串,反之会产生合适的异常。计算器语言解释器的核心是叫做`calc_eval`的递归函数,它会求解树形表达式对象。
我们会使用 Python 实现计算器解释器。也就是说,我们会编写 Python 程序来接受字符串作为输入,并返回求值结果。如果输入是符合要求的计算器表达式,结果为字符串,反之会产生合适的异常。计算器语言解释器的核心是叫做`calc_eval`的递归函数,它会求解树形表达式对象。

**表达式树。**到目前为止,我们在描述求值过程中所引用的表达式树,还是概念上的实体。我们从没有显式将表达式树表示为程序中的数据。为了编程解释器,我们必须将表达式当做数据操作。在这一章中,组多我们之前介绍过的概念都会最终以代码实现
**表达式树。**到目前为止,我们在描述求值过程中所引用的表达式树,还是概念上的实体。我们从没有显式将表达式树表示为程序中的数据。为了编写解释器,我们必须将表达式当做数据操作。在这一章中,许多我们之前介绍过的概念都会最终以代码实现

计算器中的基本表达式只是一个数值,类型为`int``float`。所有复合表达式都是调用表达式。调用表达式表示为拥有两个属性实例的`Exp`类。计算器的`operator`总是字符串:算数运算符的名称或符号。`operands`要么是基本表达式,要么是`Exp`的实例本身。

Expand Down Expand Up @@ -75,13 +75,13 @@ Exp('add', [1, Exp('mul', [2, 3, 4])])
'add(1, mul(2, 3, 4))'
```

最后的例子演示了`Exp`类如何通过包含`Exp`的实例作为`operands`元素,来表示表达式树中的层次结构。
最后的例子演示了`Exp`类如何通过包含作为`operands`元素的`Exp`的实例,来表示表达式树中的层次结构。

**求值。**`calc_eval`函数接受表达式作为参数,并返回它的值。它根据表达式的形式为表达式分类,并且指导它的求值。对于计算器,表达式的两种句法形式是数值或调用表达式,后者是`Exp`的实例。使之是自求值的,它们可以直接从`calc_eval`中返回。调用表达式需要使用函数。
**求值。**`calc_eval`函数接受表达式作为参数,并返回它的值。它根据表达式的形式为表达式分类,并且指导它的求值。对于计算器来说,表达式的两种句法形式是数值或调用表达式,后者是`Exp`的实例。数值是自求值的,它们可以直接从`calc_eval`中返回。调用表达式需要使用函数。

调用表达式首先通过将`calc_eval`函数递归映射到操作数的列表,计算出参数列表来求值。之后,在第二个函数`calc_apply`中,运算符会作用于这些参数上。

计算器语言足够简单,我们可以轻易地在单一函数中表达每个运算符应用的逻辑。在`calc_apply`中,每种条件子句对应一个运算符。
计算器语言足够简单,我们可以轻易地在单一函数中表达每个运算符的使用逻辑。在`calc_apply`中,每种条件子句对应一个运算符。

```py
>>> from operator import mul
Expand All @@ -105,7 +105,7 @@ Exp('add', [1, Exp('mul', [2, 3, 4])])
return numer/denom
```

上面,每个语句组计算了不同运算符的结果,或者当参数错误时产生合适的`TypeError``calc_apply`函数可以直接调用,但是必须转入值的列表作为参数,而不是运算符表达式的列表。
上面,每个语句组计算了不同运算符的结果,或者当参数错误时产生合适的`TypeError``calc_apply`函数可以直接调用,但是必须传入值的列表作为参数,而不是运算符表达式的列表。

```py
>>> calc_apply('+', [1, 2, 3])
Expand All @@ -128,11 +128,11 @@ Exp('add', [1, Exp('mul', [2, 3, 4])])
26
```

`calc_eval`的结构是个类型(表达式的形式)分发的例子。第一种表达式是数值,不需要任何的额外求值步骤。通常,基本表达式不需要任何额外的求值步骤,叫做自求值。计算器语言中唯一的自求值表达式就是数值,但是在通用语言中可能也包括字符串、布尔值,以及其它。
`calc_eval`的结构是个类型(表达式的形式)分发的例子。第一种表达式是数值,不需要任何的额外求值步骤。通常,基本表达式不需要任何额外的求值步骤,这叫做自求值。计算器语言中唯一的自求值表达式就是数值,但是在通用语言中可能也包括字符串、布尔值,以及其它。

**“读取-求值-打印”循环。**和解释器交互的典型方式是通过“读取-求值-打印”循环(REPL),它是一种交互模式,读取表达式、对其求值,之后为用户打印出结果。Python 交互式会话就是这种循环的例子。
**“读取-求值-打印”循环。**和解释器交互的典型方式是“读取-求值-打印”循环(REPL),它是一种交互模式,读取表达式、对其求值,之后为用户打印出结果。Python 交互式会话就是这种循环的例子。

REPL 的实现与所使用的解释器无关。下面的`read_eval_print_loop`函数使用内建的`input`函数,从用户接受一行文本作为输入。它使用语言特定的`calc_parse`函数构建表达式树。`calc_parse`定义在随后的解析一节中。最后,它打印出对由`calc_parse`返回的表达式树调用`calc_eval`的结果。
REPL 的实现与所使用的解释器无关。下面的`read_eval_print_loop`函数使用内建的`input`函数,从用户接受一行文本作为输入。它使用语言特定的`calc_parse`函数构建表达式树。`calc_parse`在随后的解析一节中定义。最后,它打印出对由`calc_parse`返回的表达式树调用`calc_eval`的结果。

```py
>>> def read_eval_print_loop():
Expand Down Expand Up @@ -169,7 +169,7 @@ calc> add(2, div(4, 8))
return
```

这个循环实现报告错误而不退出循环。发生错误时不退出程序,而是在错误消息之后重新开始循环可以让用户回顾他们的表达式。通过导入`readline`模块,用户甚至可以使用上箭头或`Control-P`来回忆他们之前的输入。最终的结果剔红了错误信息报告的界面
这个循环实现报告错误而不退出循环。发生错误时不退出程序,而是在错误消息之后重新开始循环可以让用户回顾他们的表达式。通过导入`readline`模块,用户甚至可以使用上箭头或`Control-P`来回忆他们之前的输入。最终的结果提供了错误信息报告的界面

```py
calc> add
Expand All @@ -181,11 +181,11 @@ ZeroDivisionError: division by zero
calc> ^DCalculation completed.
```

在我们将解释器推广到除了计算器之外的语言时,我们会看到,`read_eval_print_loop`由解析函数、求值函数,和由`try`语句处理的异常类型参数化。除了这些修改之外,任何 REPL 都可以使用相同的结构来实现。
在我们将解释器推广到计算器之外的语言时,我们会看到,`read_eval_print_loop`由解析函数、求值函数,和由`try`语句处理的异常类型参数化。除了这些修改之外,任何 REPL 都可以使用相同的结构来实现。

## 3.5.2 解析

解析是从原始文本输入生成表达式树的过程。这是求值函数的任务,用来解释这些表达式树,但是解析器必须提供复合格式的表达式树给求值器。解析器实际上由两个组件组成,此法分析器和语法分析器。首先,词法分析器将输入字符串拆成标记(token),它们是语言的最小语法单元,就像名称和符号。其次,语法分析器从这个标记序列中构建表达式树。
解析是从原始文本输入生成表达式树的过程。解释这些表达式树是求值函数的任务,但是解析器必须提供符合格式的表达式树给求值器。解析器实际上由两个组件组成,词法分析器和语法分析器。首先,词法分析器将输入字符串拆成标记(token),它们是语言的最小语法单元,就像名称和符号那样。其次,语法分析器从这个标记序列中构建表达式树。

```py
>>> def calc_parse(line):
Expand All @@ -197,9 +197,9 @@ calc> ^DCalculation completed.
return expression_tree
```

标记序列由叫做`tokenize`的词法分析器产生,并被叫做`analyze`语法分析器使用。这里,我们定义了`calc_parse`它只接受复合格式的计算器表达式。一些语言的解析器为接受以换行符、分号或空格分隔的多种表达式而设计。我们在引入 Logo 语言之前会推迟实现这种复杂性。
标记序列由叫做`tokenize`的词法分析器产生,并被叫做`analyze`语法分析器使用。这里,我们定义了`calc_parse`它只接受符合格式的计算器表达式。一些语言的解析器为接受以换行符、分号或空格分隔的多种表达式而设计。我们在引入 Logo 语言之前会推迟实现这种复杂性。

**词法分析。**用于将字符串解释为标记序列的组件叫做分词器(tokenizer ),或者词法分析器。在我们的视线中,分词器是个叫做`tokenize`的函数。计算器语言由包含数值、运算符名称和运算符类型的符号(比如`+`)组成。这些符号总是由两种分隔符划分:逗号和圆括号。每个符号本身都是标记,就像每个逗号和圆括号那样。标记可以通过像输入字符串添加空格,之后在每个空格处分割字符串来分开。
**词法分析。**用于将字符串解释为标记序列的组件叫做分词器(tokenizer ),或者词法分析器。在我们的视线中,分词器是个叫做`tokenize`的函数。计算器语言由包含数值、运算符名称和运算符类型的符号(比如`+`)组成。这些符号总是由两种分隔符划分:逗号和圆括号。每个符号本身都是标记,就像每个逗号和圆括号那样。标记可以通过向输入字符串添加空格,之后在每个空格处分割字符串来分开。

```py
>>> def tokenize(line):
Expand All @@ -215,11 +215,11 @@ calc> ^DCalculation completed.
['add', '(', '2', ',', 'mul', '(', '4', ',', '6', ')', ')']
```

拥有更加复合语法的语言可能需要更复杂的分词器。特别是,许多分析器会解析每种返回的标记的语法类型。例如,计算机中的标记类型可能是预案算符、名称、数值或分隔符。这个分类可以简化标记序列的解析。
拥有更加复合语法的语言可能需要更复杂的分词器。特别是,许多分析器会解析每种返回标记的语法类型。例如,计算机中的标记类型可能是运算符、名称、数值或分隔符。这个分类可以简化标记序列的解析。

**语法分析。**将标记序列解释为表达式树的组件叫做语法分析器。在我们的视线中,语法分析有叫做`analyze`的递归函数完成。它是递归的,因为分析标记序列经常涉及到分析这些表达式树中的标记的子序列,它本身作为更大的表达式树的子分支(比如操作数)。递归会生成由求值器使用的层次结构。
**语法分析。**将标记序列解释为表达式树的组件叫做语法分析器。在我们的实现中,语法分析由叫做`analyze`的递归函数完成。它是递归的,因为分析标记序列经常涉及到分析这些表达式树中的标记子序列,它本身作为更大的表达式树的子分支(比如操作数)。递归会生成由求值器使用的层次结构。

`analyze`函数接受标记列表,以符合格式的表达式开始。它会分析第一个标记,将表示数值的字符串强制转换为数字的值。之后要考虑计算机中国的两个合法表达式类型。数字标记本身就是完整的基本表达式树。复合表达式以运算符开始,之后是操作数表达式的列表,由圆括号分隔。我们以一个不检查语法错误的实现开始。
`analyze`函数接受标记列表,以符合格式的表达式开始。它会分析第一个标记,将表示数值的字符串强制转换为数字的值。之后要考虑计算机中的两个合法表达式类型。数字标记本身就是完整的基本表达式树。复合表达式以运算符开始,之后是操作数表达式的列表,由圆括号分隔。我们以一个不检查语法错误的实现开始。

```py
>>> def analyze(tokens):
Expand Down Expand Up @@ -255,7 +255,7 @@ calc> ^DCalculation completed.
return token
```

我们的`analyze`实现就完成了。它能够正确将复合格式的计算机表达式解析为表达式树。这些树有`str`函数转换回计算器表达式。
我们的`analyze`实现就完成了。它能够正确将符合格式的计算器表达式解析为表达式树。这些树由`str`函数转换回计算器表达式。

```py
>>> expression = 'add(2, mul(4, 6))'
Expand All @@ -265,7 +265,7 @@ Exp('add', [2, Exp('mul', [4, 6])])
'add(2, mul(4, 6))'
```

`analyse`函数只会返回复合格式的表达式树,并且他必须检测输入中的语法错误。特别是,它必须检测表达式是否完整、正确分隔,以及只是用已知的运算符。下面的修订,确保了语法分析的每一步都找到了预期的标记
`analyse`函数只会返回符合格式的表达式树,并且它必须检测输入中的语法错误。特别是,它必须检测表达式是否完整、正确分隔,以及只含有已知的运算符。下面的修订版本确保了语法分析的每一步都找到了预期的标记

```py
>>> known_operators = ['add', 'sub', 'mul', 'div', '+', '-', '*', '/']
Expand Down Expand Up @@ -300,4 +300,4 @@ Exp('add', [2, Exp('mul', [4, 6])])

大量的语法错误在本质上提升了解释器的可用性。在上面,`SyntaxError `异常包含所发生的问题描述。这些错误字符串也用作这些分析函数的定义文档。

这个定义完成了我们的计算器解释器。你可以获取这个单独的 Python 3 源码 [`calc.py`](http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~cs61a/sp12/book/calc.py)来测试。我们的解释器对错误健壮,用户在`calc>`提示符后面的每个输入都会求值为数值,或者产生合适的错误,描述输入为什么不是符合格式的计算器表达式。
这个定义完成了我们的计算器解释器。你可以获取单独的 Python 3 源码 [`calc.py`](http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~cs61a/sp12/book/calc.py)来测试。我们的解释器对错误健壮,用户在`calc>`提示符后面的每个输入都会求值为数值,或者产生合适的错误,描述输入为什么不是符合格式的计算器表达式。

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