Parsers Top Down - Analisadores Descendentes Recursivos
Índice: 1. Introdução 2. Parsers descendentes recursivos 3. Parsers descendentes principais 4. Parsers descendentes sem retrocesso 5. Gramáticas livres de contexto 6. Eliminação de recursão à esquerda 7. Eliminação de não determinismo 8. Fatoração à esquerda 9. Construção de parse tree 10. Exemplo de um analisador descendente recursivo 11. Parsers preditivos 12. Conclusão
Parsers Descendentes Recursivos: Uma Visão Geral
Nesta sessão, vamos nos aprofundar no estudo dos parsers descendentes recursivos e como eles são utilizados na análise sintática de gramáticas livres de contexto. Os parsers descendentes recursivos são uma forma de parser top-down, o que significa que eles constroem a árvore de derivação a partir do símbolo inicial até chegarem aos símbolos terminais. Nesta abordagem, usamos procedimentos recursivos para implementar os não-terminais da gramática, de forma que a estrutura do programa resultante reflita de perto a estrutura da própria gramática.
1. Introdução
Os parsers descendentes recursivos são uma ferramenta fundamental na área de design de compiladores, sendo amplamente utilizados para realizar a análise sintática de gramáticas. Esses parsers são construídos a partir de um conjunto de procedimentos recursivos mutuamente exclusivos, onde cada procedimento implementa um dos não-terminais da gramática. Dessa forma, a estrutura do programa resultante reflete de perto a estrutura da gramática que está sendo reconhecida.
2. Parsers Descendentes Principais
Os parsers descendentes recursivos são uma forma de parsers descendentes principais. Isso significa que os procedimentos recursivos são chamados em uma ordem específica, seguindo a ordem das produções da gramática. Em cada passo, o parser escolhe a produção apropriada com base no símbolo de lookahead atual. Essa abordagem garante que os parsers mantenham uma estrutura de pilha explícita e sigam uma abordagem de análise de cima para baixo.
3. Parsers Descendentes sem Retrocesso
Os parsers descendentes recursivos podem ser implementados de duas maneiras: com retrocesso e sem retrocesso. Os parsers descendentes com retrocesso tentam todas as produções possíveis em cada etapa e retrocedem quando encontram um conflito. Isso pode levar a um desempenho ineficiente em gramáticas complexas. Já os parsers descendentes sem retrocesso evitam o retrocesso, escolhendo a produção correta com base no símbolo de lookahead atual. Essa abordagem garante um desempenho melhor em gramáticas determinísticas.
4. Gramáticas Livres de Contexto
As gramáticas livres de contexto são amplamente utilizadas para descrever a estrutura das linguagens de programação. Elas são constituídas de um conjunto de regras de produção que especificam como os símbolos terminais e não-terminais podem ser combinados para formar sentenças válidas na linguagem. Os parsers descendentes recursivos são capazes de reconhecer e construir a árvore de derivação para essas gramáticas.
5. Eliminação de Recursão à Esquerda
Uma das restrições das gramáticas livres de contexto para parsers descendentes recursivos é que elas não devem conter recursão à esquerda. A recursão à esquerda ocorre quando um não-terminal é expandindo em si mesmo sem a geração de símbolos terminais entre as expansões. Para eliminar a recursão à esquerda, é necessário reescrever as regras de produção de forma a evitar esse tipo de recursão.
6. Eliminação de Não Determinismo
Outra restrição das gramáticas livres de contexto para parsers descendentes recursivos é que elas devem ser não determinísticas. Isso significa que, para um determinado não terminal e um símbolo de lookahead, só deve haver uma única produção possível. Caso contrário, o parser entraria em um estado de não determinismo, onde não saberia qual produção escolher. A eliminação do não determinismo é um passo crucial na construção de parsers descendentes recursivos.
7. Fatoração à Esquerda
A fatoração à esquerda é uma técnica utilizada para eliminar o não determinismo em gramáticas. Ela consiste em identificar regras de produção com prefixos comuns e fatorá-las em uma produção adicional. Dessa forma, garantimos que, para um determinado símbolo de lookahead, haja apenas uma única produção válida. A fatoração à esquerda é uma etapa importante na construção de parsers descendentes recursivos sem retrocesso.
8. Construção de Parse Tree
Uma das principais vantagens dos parsers descendentes recursivos é que eles constroem uma árvore de derivação completa para a entrada. Essa árvore, conhecida como parse tree, representa a estrutura hierárquica da entrada e pode ser usada para realizar análises semânticas e geração de código. A construção da parse tree é realizada durante a execução dos procedimentos recursivos, gerando nós para cada não terminal e terminal encontrado na gramática.
9. Exemplo de um Analisador Descendente Recursivo
Para ilustrar a construção de um analisador descendente recursivo, consideraremos a seguinte gramática:
E -> I E'
E' -> + I E' | ε
I -> a | b | c
Essa gramática descreve uma simples linguagem que aceita expressões matemáticas envolvendo adição (+) e valores literais (a, b, c). Vamos implementar os procedimentos recursivos para cada não terminal e observar como eles reconhecem a seguinte sequência de entrada "a + b + c".
Passo 1: Procedimento para E
O primeiro passo é implementar o procedimento para o não terminal E. Esse procedimento é responsável por derivar o não terminal E em I E', onde I é um literal e E' é a recursão para a expressão seguinte. Vamos implementar esse procedimento:
def E():
if lookahead == 'a' or lookahead == 'b' or lookahead == 'c':
match(lookahead)
E_()
Observe que estamos verificando se o lookahead corresponde a um dos literais esperados na gramática. Se corresponder, chamamos a função de correspondência (match) para avançar o lookahead e, em seguida, chamamos o procedimento recursivo E_ para continuar a análise.
Passo 2: Procedimento para E'
Em seguida, implementamos o procedimento para o não terminal E'. Esse procedimento é responsável por realizar a derivada do não terminal E' em + I E' ou ε. Vamos implementar esse procedimento:
def E_():
if lookahead == '+':
match('+')
if lookahead == 'a' or lookahead == 'b' or lookahead == 'c':
match(lookahead)
E_()
else:
return
Observe que estamos verificando se o lookahead corresponde ao símbolo '+' esperado para a expansão E' -> + I E'. Se corresponder, chamamos a função de correspondência (match) para avançar o lookahead e, em seguida, verificamos se há outro literal para a expansão de I. Se houver, chamamos a função E_ novamente para lidar com a próxima expressão da sequência. Caso contrário, retornamos, indicando que a derivação de E' está completa.
Passo 3: Implementação da função de correspondência
A função de correspondência (match) é responsável por verificar se o lookahead corresponde ao símbolo esperado e, se sim, avançar o lookahead. Vamos implementar essa função:
def match(expected):
global lookahead
if lookahead == expected:
lookahead = get_next_symbol()
else:
raise SyntaxError("Erro de sintaxe: esperado " + expected)
Observe que estamos comparando o lookahead com o símbolo esperado. Se corresponder, atualizamos o lookahead chamando a função get_next_symbol() para obter o próximo símbolo na sequência de entrada. Caso contrário, emitimos um erro de sintaxe indicando qual símbolo era esperado.
Passo 4: Função principal
Por fim, implementamos a função principal que orquestra a análise sintática. Vamos chamá-la de parse():
def parse():
global lookahead
lookahead = get_next_symbol()
E()
if lookahead == '$':
print("Análise sintática bem-sucedida")
else:
raise SyntaxError("Erro de sintaxe: entrada inválida")
Observe que a função principal começa chamando a função get_next_symbol() para obter o primeiro símbolo da sequência de entrada. Em seguida, chamamos o procedimento E para iniciar a análise. Finalmente, verificamos se o lookahead corresponde ao símbolo de fim de sequência ('$'), indicando que a análise foi concluída com sucesso. Caso contrário, emitimos um erro de sintaxe indicando que a entrada era inválida.
Conclusão
Os parsers descendentes recursivos são uma ferramenta poderosa para realizar a análise sintática de gramáticas livres de contexto. Eles permitem reconhecer sentenças válidas na linguagem e construir uma árvore de derivação que representa a estrutura hierárquica da entrada. No entanto, é importante observar que os parsers descendentes recursivos possuem algumas limitações e não são adequados para todas as gramáticas. Em gramáticas complexas, pode ser necessário recorrer a outras técnicas, como parsers preditivos, para garantir um desempenho eficiente.
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Destaque
- Introdução aos Parsers Descendentes Recursivos
- Parsers Descendentes Principais e sem Retrocesso
- Gramáticas Livres de Contexto e suas Restrições
- Eliminação de Recursão à Esquerda e Não Determinismo
- Técnica de Fatoração à Esquerda para Eliminação de Não Determinismo
- Construção da Parse Tree durante a Análise Sintática
- Exemplo de Implementação de um Analisador Descendente Recursivo
- Conclusão
Introdução
Os parsers descendentes recursivos são uma técnica fundamental no campo do design de compiladores, que são utilizados para realizar a análise sintática de linguagens de programação. Eles são conhecidos como parsers top-down, pois constroem a árvore de derivação a partir do símbolo inicial até os símbolos terminais. Neste artigo, vamos explorar em detalhes os parsers descendentes recursivos e como eles são implementados.
Parsers Descendentes Recursivos: Uma Visão Geral
Os parsers descendentes recursivos são uma forma de parsers top-down que utilizam a técnica de recursão para implementar a análise sintática de uma gramática. Eles são compostos por um conjunto de procedimentos recursivos ou equivalentes não recursivos, onde cada procedimento implementa um não-terminal da gramática. A estrutura do programa resultante reflete de perto a estrutura da gramática que está sendo reconhecida.
Parsers Descendentes Principais e sem Retrocesso
Existem duas variações dos parsers descendentes recursivos: os parsers descendentes principais e os parsers descendentes sem retrocesso. Os parsers descendentes principais seguem uma abordagem top-down, em que cada procedimento recursivo corresponde a uma produção da gramática. Eles percorrem a gramática de cima para baixo, derivando os não-terminais em sequência até alcançar os terminais.
Por outro lado, os parsers descendentes sem retrocesso evitam o retrocesso ou backtracking. Eles escolhem a produção correta com base no contexto atual e no símbolo de lookahead. Essa abordagem melhora o desempenho, pois reduz o número de tentativas e erros durante a análise da gramática. No entanto, ela requer que a gramática seja determinística, ou seja, cada não-terminal e símbolo de lookahead deve ter uma única produção correspondente.
Gramáticas Livres de Contexto e suas Restrições
Os parsers descendentes recursivos são usados para analisar gramáticas livres de contexto. Essas gramáticas são amplamente utilizadas para descrever a estrutura das linguagens de programação. Elas consistem em um conjunto de regras de produção que definem como os símbolos podem ser combinados para formar sentenças válidas. Os parsers descendentes recursivos funcionam iterativamente, aplicando as regras de produção da gramática até derivar os símbolos terminais.
No entanto, existem algumas restrições que devem ser consideradas ao usar os parsers descendentes recursivos. Por exemplo, as gramáticas não devem conter recursão à esquerda, pois isso causaria um loop infinito na análise sintática. Além disso, as gramáticas devem ser livre de ambiguidade e não determinismo, para que o parser possa escolher a produção correta em cada etapa da derivação.
Eliminação de Recursão à Esquerda e Não Determinismo
A recursão à esquerda ocorre quando um não-terminal se expande em si mesmo sem a geração de símbolos terminais intermediários. A recursão à esquerda é um problema nos parsers descendentes recursivos, pois causa um loop infinito na análise sintática. Portanto, é necessário eliminar a recursão à esquerda na gramática antes de implementar o parser.
Outra restrição importante é o não determinismo. Uma gramática é considerada não determinística se houver mais de uma produção possível para um determinado não-terminal e símbolo de lookahead. Isso pode levar a ambiguidades na análise sintática e dificultar a escolha da produção correta. Para resolver esse problema, é necessário aplicar técnicas de eliminação de não determinismo, como a fatoração à esquerda e a eliminação de conflitos.
Técnica de Fatoração à Esquerda para Eliminação de Não Determinismo
A fatoração à esquerda é uma técnica utilizada para eliminar o não determinismo em gramáticas livres de contexto. Ela consiste em identificar regras de produção com os mesmos prefixos e fatorar esses prefixos em uma nova regra. Dessa forma, garante-se que, para um determinado não-terminal e símbolo de lookahead, haja apenas uma única produção possível. A fatoração à esquerda é uma etapa fundamental na construção de um parser descendente recursivo sem retrocesso.
Construção da Parse Tree durante a Análise Sintática
Uma das principais vantagens dos parsers descendentes recursivos é que eles constroem uma árvore de derivação completa para a entrada. Essa árvore, conhecida como parse tree, representa a estrutura hierárquica da entrada e pode ser usada para realizar análises semânticas e geração de código. Durante a execução dos procedimentos recursivos, são gerados nós para cada não-terminal e símbolo terminal encontrado na gramática, formando assim a parse tree.
Exemplo de Implementação de um Analisador Descendente Recursivo
Para ilustrar a implementação de um analisador descendente recursivo, vamos considerar a seguinte gramática:
E -> I E'
E' -> + I E' | ε
I -> a | b | c
Essa gramática descreve uma linguagem simples que aceita expressões matemáticas contendo adição (+) e valores literais (a, b, c). Implementaremos os procedimentos recursivos para cada não-terminal e mostraremos como eles analisam a sequência de entrada "a + b + c".
Passo 1: Procedimento para E
O primeiro passo é implementar o procedimento para o não-terminal E, que será responsável por derivar o não-terminal E em I E', onde I é um literal e E' é a recursão para a expressão seguinte. O procedimento seria implementado da seguinte forma:
def E():
if lookahead == 'a' or lookahead == 'b' or lookahead == 'c':
match(lookahead)
E_()
Nesse procedimento, verificamos se o símbolo de lookahead corresponde a um dos literais esperados na gramática. Se corresponder, chamamos a função match para avançar o símbolo de lookahead e, em seguida, chamamos o procedimento recursivo E_ para continuar a análise.
Passo 2: Procedimento para E'
Em seguida, implementamos o procedimento para o não-terminal E', que será responsável por derivar o não-terminal E' nas produções + I E' e ε. O procedimento seria implementado da seguinte forma:
def E_():
if lookahead == '+':
match('+')
if lookahead == 'a' or lookahead == 'b' or lookahead == 'c':
match(lookahead)
E_()
else:
return
Nesse procedimento, verificamos se o símbolo de lookahead corresponde ao símbolo + esperado para a produção + I E'. Se corresponder, chamamos a função match para avançar o símbolo de lookahead e, em seguida, verificamos se há outro literal para a produção I. Se houver, chamamos o procedimento E_ novamente para lidar com a próxima expressão da sequência. Caso contrário, retornamos, indicando que a derivação de E' está completa.
Passo 3: Implementação da Função de Correspondência
A função de correspondência (match) é responsável por verificar se o símbolo de lookahead corresponde ao símbolo esperado e, se sim, avançar o símbolo de lookahead. A implementação seria a seguinte:
def match(expected):
global lookahead
if lookahead == expected:
lookahead = get_next_symbol()
else:
raise SyntaxError("Erro de sintaxe: esperado " + expected)
Nessa função, comparamos o símbolo de lookahead com o símbolo esperado. Se corresponderem, atualizamos o símbolo de lookahead chamando a função get_next_symbol para obter o próximo símbolo da sequência de entrada. Caso contrário, emitimos um erro de sintaxe indicando qual símbolo era esperado.
Passo 4: Função Principal
Por fim, implementamos a função principal que coordena a análise sintática, chamada parse():
def parse():
global lookahead
lookahead = get_next_symbol()
E()
if lookahead == '$':
print("Análise sintática concluída com sucesso")
else:
raise SyntaxError("Erro de sintaxe: entrada inválida")
Nessa função, começamos chamando a função get_next_symbol para obter o primeiro símbolo da sequência de entrada. Em seguida, chamamos o procedimento E para iniciar a análise da gramática. Finalmente, verificamos se o símbolo de lookahead corresponde ao símbolo de fim de sequência ('$'), indicando que a análise foi concluída com sucesso. Caso contrário, emitimos um erro de sintaxe indicando que a entrada era inválida.
Conclusão
Os parsers descendentes recursivos são uma técnica poderosa para realizar a análise sintática de linguagens de programação. Com a utilização de procedimentos recursivos, podemos derivar a estrutura hierárquica de uma gramática livre de contexto e construir a parse tree correspondente. No entanto, é importante lembrar que os parsers descendentes recursivos possuem algumas limitações, como a restrição de não conterem recursão à esquerda e de serem não determinísticos. Portanto, é necessário aplicar técnicas adequadas, como a eliminação de recursão à esquerda e a eliminação de não determinismo, antes de implementar um parser descendente recursivo.