在自顶向下的语法分析中,我们会遇到回溯的问题以及无限循环的问题。

无限循环

递归下降解析器的无限循环问题主要来自于左递归文法

直接左递归文法

以下文法,就是一个直接左递归文法:

$$E \Rightarrow E+T | E-T | T $$

$$T \Rightarrow T*F | T/F | F$$

$$F \Rightarrow (E) | id$$

当我们尝试使用$E -> E + T$进行最左推导时,会出现:不断的使用推导结果最左边的这个E,去应用产生式$E \Rightarrow E + T$,最终导致无限循环。

我们将含有$A \Rightarrow A \alpha$形式的产生式的文法称为是直接左递归的文法。

消除直接左递归

首先我们要理解直接左递归文法推导出来的到底是什么东西。

对于这样的一个产生式:

$$ A \Rightarrow A \alpha | \beta \ (\alpha \ne \varepsilon) $$且$beta$不以$A$开头。

我们每次都选择左边这个产生式进行推导,那么我们将会得到这样的一个结果:

$$ A \Rightarrow A \alpha \cdots \alpha $$

最终我们再使用$A -> \beta $来替换上述产生式右部的$A$,得到:

$$ A \Rightarrow \beta \alpha \cdots \alpha $$

所以,本质上是产生了一个一$\beta$开头的,拥有任意个$\alpha$的字符串。

用正则表达式描述即为:

$$ r = \beta \alpha^* $$

在理解上面这个本质之后,我们就可以知道,我们要消除左递归,其实就是想要写出另一组产生式,能够等价的,不含直接左递归的产生式,能够表示上面这个正则表达式的意思即可。

由于最终推导出来的字符串以$\beta$开头,因此我们引入一个$A’$,用来代表$\alpha^*$.

因此我们得到了

$$A \Rightarrow \beta A’$$

接着,$A’$的任务就是生成若干个$\alpha$,因此我们将$A’$定义如下:

$$A’ \Rightarrow \alpha A’ \ | \varepsilon $$

观察可以看到,我们新列出来的这组产生式,完成的功能与原来的是相同的。事实上,这个消除的过程就是把左递归换成了右递归,使得递归下降解析器能正常工作。

天下没有免费的午餐,消除左递归需要付出的代价就是,引入了新的非终结符和新的$\varepsilon \_ $产生式。

对于更一般的情况,则有:

$$ A \Rightarrow Aa_1 \ | \ Aa_2\ \cdots \ | \ Aa_n \ | \ b_1 \ | \ b_2…… \ | \ b_m $$

其中,$a_i \ne \varepsilon, \ \beta_j$不以$A$开头。

转换为:

$$ A \Rightarrow b_1A’ \ | \ b_2A’ \ \cdots \ | \ b_mA’ $$
$$A’ \Rightarrow a_1A’ \ | \ a_2A’ \ \cdots \ | \ a_nA’ \ | \ \varepsilon$$

间接左递归文法

存在经过多步推导得到的左递归产生式的文法称为间接左递归文法。

比如,下面这个文法就是一个间接左递归文法:

$$ S \Rightarrow Aa \ | \ b $$

$$ A \Rightarrow Ac \ | \ Sd \ | \ \varepsilon $$

显然,我们能看出具有以下的间接左递归:

$$S \Rightarrow Aa \Rightarrow Sda$$

对于间接左递归文法,我们可以通过带入的方式,不断的穷举、替换,把它转换成直接左递归文法,然后用消除直接左递归的方法来做。

比如对于上面这个例子,我们可以将$S$的定义带入第二条产生式,得到:

$$ A \Rightarrow Ac \ | \ Aad \ | \ bd \ | \ \varepsilon $$

这样就转换为了直接左递归,然后再使用消除直接左递归的方法来解决了。

通用的方法

对于不含循环推导和空产生式的文法G,有以下方法来消除左递归:

回溯问题

对于回溯问题,则是由于公共左因子的存在,解析器暂时还没有获得足够的信息,无法做出确定的决策,不知道到底应该转移到哪个状态。因此,我们只需要提取公共左因子,将其作为一个新的非终结符,这样就能推迟解析器作出决策的时机,从而解决回溯问题。

如果一次提取不能解决问题,则进行多次提取即可。

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