编译原理实验（二）—— 预测分析算法的设计与实现（C语言实现）

大家好，下面介绍的是我当时上编译原理所做的实验，主要内容就是根据已有的文法，构造文法的first集和follow集，然后再根据构造好的first集和follow集构造预测分析表，最后，设置一个栈，然后利用栈和预测分析表来对输入串进行分析，判断输入串是否是该文法的一个合适的语法范畴。用的是最基本的C语言写的，如有不足，欢迎大家批评指正！

一、实验目的

通过预测分析算法的设计与实现，加深对自上而下语法分析方法的理解，尤其是对自上而下分析条件的理解。

二、实验内容

输入文法及待分析的输入串，输出其预测分析过程及结果。

三、实验设计

1）首先根据课本上的知识构造该文法的first集和follow集，对文法先进行简单的处理，便于后续操作
2）根据first集和follow集构造预测分析表
3）设置一个栈，然后利用栈和预测分析表来对输入串进行分析，判断输入串是否是该文法的一个合适的语法范畴

四、代码实现及运行效果

运行效果，由于结果太长，我就把结果截取成了若干图片以便展示

代码由三个文件构成，如下图所示,其中，Hong.h中主要是对一下常用的变量进行宏定义，fun.h中是对各种方法的实现，main.c则是对fun.h中实现的方法的简单的调用，一些需要注意的地方都在代码中以注释的形式展现，话不多说，上代码！

Hong.h

#include 
#include 

#define STACK_INIT_SIZE 100 //存储空间初始分配量
#define STACKINCREMENT 10   //存储空间分配增量

typedef char SElemType;

typedef struct //定义栈的结构体
{
    SElemType *base;
    SElemType *top;
    int stacksize;
} SqStack;

int len_gram = 0;    //产生式的句数
int len_ter = 0;     //终结符数组的长度
int len_non_ter = 0; //非终结符数组的长度
int len_first = 0;   //first集合的个数
int len_follow = 0;  //follow集合的个数

int flag_first = 1;  //作为first集不再扩大的标志
int flag_follow = 1; //作为follow集不再扩大的标志

char gramOldSet[200][200]; //原始文法的产生式

/* 变量定义*/
char terSymbol[200];      //终结符
char non_ter[200];        //非终结符
char allSymbol[400];      //所有符号
char firstSet[100][100];  //各产生式右部的first集合
char followSet[100][100]; //各产生式左部的follow集合
int M[200][200];          //分析表,里面存的都是在相应数组中的地址

fun.h

#include "Hong.h"
//初始化
int InitStack(SqStack *S)
{
    S->base = (SElemType *)malloc(STACK_INIT_SIZE * sizeof(SElemType));
    if (!S->base)
    {
        printf("无法创建堆栈!\n");
        exit(0);
    }
    S->top = S->base;
    S->stacksize = STACKINCREMENT;
    return 1;
}

//获取栈顶元素
char GetTop(SqStack *S)
{
    if (S->top == S->base)
        return ' ';
    return *(S->top - 1);
}

//将元素压入堆栈
int Push(SqStack *S, SElemType e)
{
    if (S->top - S->base >= STACK_INIT_SIZE)
    {
        S->base = (SElemType *)realloc(S->base, (S->stacksize + STACKINCREMENT) * sizeof(SElemType));
        if (!S->base)
        {
            printf("无法扩展堆栈\n");
            exit(0);
        }

        S->top = S->base + S->stacksize;
        S->stacksize += STACKINCREMENT;
    }
    *S->top++ = e;
    return 1;
}

//将栈顶元素弹出
char Pop(SqStack *S)
{
    if (S->top == S->base)
        return ' ';
    return *--S->top;
}

//区分是终结符还是非终结符
int check(char c)
{
    if (c >= 'A' && c <= 'Z')
        return 1; //表示是非终结符
    else if (c == '@' || c == '|' || c == ' ' || c == '\n' || c == '\r')
        return 0; //表示一些无关的元素
    else
        return 2; //表示是终结符
}

//判断数组中是否含有字符c
int have_char(char str[], char c, int len)
{
    for (int i = 0; i < len; i++)
    {
        if (c == str[i])
            return 1;
    }
    return 0;
}

//从文件中读取产生式，并将产生式分解，区分终结符和非终结符
int Yu(char s[])
{
    FILE *fp;
    fp = fopen(s, "r");
    char temp_gram[200];
    int index_temp_gram = 3;
    int index_gram = 0;
    if (fp != NULL)
    {
        printf("文件中的产生式为\n");
        while (fgets(temp_gram, 200, fp) != NULL)
        {
            printf("%s", temp_gram);
            char gram_right = temp_gram[0]; //保存产生式左部的字符，用作扩展
            index_temp_gram = 3;
            index_gram = 0;
            gramOldSet[len_gram][0] = gram_right;
            gramOldSet[len_gram][1] = '-';
            gramOldSet[len_gram][2] = '>';
            index_gram = 3;
            while (temp_gram[index_temp_gram] != '\0')
            {
                if (temp_gram[index_temp_gram] == '\n' || temp_gram[index_temp_gram] == '\r')
                {
                    gramOldSet[len_gram][index_gram] = '\0'; //每个产生式都已'\0'结尾，方便后面的遍历
                    len_gram++;
                    break;
                }
                else if (temp_gram[index_temp_gram] == '|') //如果遇到或，说明该拆分了
                {
                    index_temp_gram++;
                    gramOldSet[len_gram][index_gram] = '\0';
                    len_gram++;
                    gramOldSet[len_gram][0] = gram_right;
                    gramOldSet[len_gram][1] = '-';
                    gramOldSet[len_gram][2] = '>';
                    index_gram = 3;
                }

                gramOldSet[len_gram][index_gram] = temp_gram[index_temp_gram];
                index_gram++;
                index_temp_gram++;
            }
        }
        gramOldSet[len_gram][index_gram] = '\0'; //遍历到最后，最后一个产生式还没有加上'\0'
        len_gram++;
    }
    else
    {
        printf("文件无法打开！");
    }
    //显示处理过的产生式
    printf("\n处理过的产生式为\n");
    for (int i = 0; i < len_gram; i++)
    {
        printf("%s\n", gramOldSet[i]);
    }
    //区分终结符和非终结符
    for (int i = 0; i < len_gram; i++)
    {
        for (int j = 3; gramOldSet[i][j] != '\0'; j++)
        {
            char temp = gramOldSet[i][j];
            int value_return = check(temp);
            if (value_return == 1)
            {
                if (!have_char(non_ter, temp, len_non_ter))
                {
                    non_ter[len_non_ter] = temp;
                    len_non_ter++;
                }
            }
            else if (value_return == 2)
            {
                if (!have_char(terSymbol, temp, len_ter))
                {
                    terSymbol[len_ter] = temp;
                    len_ter++;
                }
            }
            else
            {
                continue;
            }
        }
    }
    //显示终结符和非终结符
    printf("终结符都有:\n");
    for (int i = 0; i < len_ter; i++)
    {
        printf("%c ", terSymbol[i]);
    }
    printf("\n");
    printf("非终结符都有:\n");
    for (int i = 0; i < len_non_ter; i++)
    {
        printf("%c ", non_ter[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

//初始化first集
void init_first()
{
    int temp = 0;
    while (temp < len_non_ter)
    {
        firstSet[len_first][0] = non_ter[temp];
        firstSet[len_first][1] = '\0'; //结尾加上'\0'，方便后面的遍历
        temp++;
        len_first++;
    }
    temp = 0;
    while (temp < len_ter)
    {
        firstSet[len_first][0] = terSymbol[temp];
        firstSet[len_first][1] = terSymbol[temp];
        firstSet[len_first][2] = '\0';
        temp++;
        len_first++;
    }
}

//初始化follow集
void init_follow()
{
    int temp = 0;
    while (temp < len_non_ter)
    {
        followSet[len_follow][0] = non_ter[temp];
        followSet[len_follow][1] = '\0';
        temp++;
        len_follow++;
    }
}

//显示first集和follow集
void show()
{
    printf("first集都有\n");
    for (int i = 0; i < len_first; i++)
    {
        printf("first(%c)= ", firstSet[i][0]);
        int j = 1;
        while (firstSet[i][j] != '\0')
        {
            printf("%c", firstSet[i][j]);
            printf("  ");
            j++;
        }
        printf("\n\n");
    }

    printf("follow集都有\n");
    for (int i = 0; i < len_follow; i++)
    {
        printf("follow(%c)= ", followSet[i][0]);
        int j = 1;
        while (followSet[i][j] != '\0')
        {
            printf("%c", followSet[i][j]);
            printf("  ");
            j++;
        }
        printf("\n\n");
    }
}

//定位first集和follow集的位置
int find_position(char c, char str[][100], int length)
{
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        if (str[i][0] == c)
            return i;
    }
    return -1; //说明没有找到
}

//判断数组是否为空
int Is_empty(char str[])
{
    if (str[1] == '\0')
        return 1;
    return 0;
}

//将字符加入数组中，具有判重的功能
void add_element(char str[], char c)
{
    int i = 0;
    while (str[i] != '\0')
    {
        if (str[i] == c)
            return;
        i++;
    }
    str[i] = c;
    i++;
    flag_first = 1;  //first还在扩大的标志
    flag_follow = 1; //follow集还在扩大的标志
    str[i] = '\0';
}

//判断是否是终结符或者空字
int is_ter(char c, char str[], int len)
{
    for (int i = 0; i < len; i++)
    {
        if (str[i] == c || c == '@')
            return 1;
    }
    return 0;
}

//将str2数组合并到str1数组中
void merge_Set(char str1[], char str2[])
{
    int i = 1;
    while (str2[i] != '\0')
    {
        char t = str2[i];
        add_element(str1, t); //具有判重功能
        i++;
    }
}

//将str2数组中的空字去掉后加入str1数组
void merge_firstSet_null(char str1[], char str2[])
{
    int i = 1;
    while (str2[i] != '\0')
    {
        char t = str2[i];
        if (t != '@')
        {
            add_element(str1, t);
        }
        i++;
    }
}

//判断是否含有空字
int have_null(char str[])
{
    int i = 0;
    while (str[i] != '\0')
    {
        if (str[i] == '@')
            return 1;
        i++;
    }
    return 0;
}

//构造first集
void creat_first()
{
    init_first();
    while (flag_first) //一直循环到标志符号位0
    {
        flag_first = 0; //每次遍历前都要置0
        for (int i = 0; i < len_gram; i++)
        {
            char right_gram = gramOldSet[i][0];                                     //获取产生式左部的符号
            int index_first_right = find_position(right_gram, firstSet, len_first); //获取产生式左部符号所在的first集的位置
            int j = 3;                                                              //指向产生式右部的第一个字符
            while (gramOldSet[i][j] != '\0')                                        //遍历产生式右部
            {
                char left_gram = gramOldSet[i][j];
                if (is_ter(left_gram, terSymbol, len_ter)) //如果第一个是终结符
                {
                    //加入到first集中，并结束遍历
                    add_element(firstSet[index_first_right], left_gram);
                    break;
                }
                else
                {
                    int index_first_left = find_position(left_gram, firstSet, len_first); //说明是非终结符，获取该非终结符在first集的位置
                    if (Is_empty(firstSet[index_first_left]))                             //如果它的first是空的结束遍历，查看下一个产生式
                    {
                        break;
                    }
                    else //如果它的first集不是空的
                    {
                        if (have_null(firstSet[index_first_left])) //判断它的first集中是否含有空字
                        {
                            //如果含有空字，将他的first集出去空字加入，并且不跳出循环，继续遍历下一个字符
                            merge_firstSet_null(firstSet[index_first_right], firstSet[index_first_left]);
                        }
                        else //如果不含空字，将它的first集加入到产生式左部的first集中，并退出
                        {
                            merge_Set(firstSet[index_first_right], firstSet[index_first_left]);
                            break;
                        }
                    }
                }
                j++;
            }
            if (gramOldSet[i][j] == '\0') //说明前面while循环没有break，产生式右部都是非终结符，并且他们的first集中都含有空字
            {
                add_element(firstSet[index_first_right], '@');
            }
        }
    }
}

//获取产生式的长度
int length_gram(char str[])
{
    int i = 0;
    while (str[i] != '\0')
    {
        i++;
    }
    return i;
}

//构造follow集
void creat_follow()
{
    init_follow();                                                                       //初始化follow集
    add_element(followSet[find_position(gramOldSet[0][0], followSet, len_follow)], '#'); //将#加入开始符号的follow集中

    while (flag_follow) //一直循环到follow集不再扩大为止
    {
        flag_follow = 0; //每次遍历前都要置零
        for (int i = 0; i < len_gram; i++)
        {
            char right_gram = gramOldSet[i][0];                                           //获取产生式左部的字符 A
            int index_firstSet = find_position(right_gram, firstSet, len_first);          //获取A所在first集数组中的位置
            int index_followSet_right = find_position(right_gram, followSet, len_follow); //获取A所在follow集数组中的位置
            int length = length_gram(gramOldSet[i]);                                      //获取该产生式的长度

            for (int point_aim = 3; point_aim < length; point_aim++) //从产生式右部的第一个字符开始
            {
                char head = gramOldSet[i][point_aim];                             //接下来就是求它head的follow集
                int index_followSet = find_position(head, followSet, len_follow); //获取head所在follow集数组中的位置

                if (index_followSet != -1) //说明在follow集中找到了，也就是说head是一个非终结符
                {
                    if (point_aim == length - 1)
                    { //如果head是最后一个元素，将A的follow集加入head的follow集中
                        merge_Set(followSet[index_followSet], followSet[index_followSet_right]);
                    }
                    else //如果head不是最后一个元素
                    {
                        int next = point_aim + 1; //获取head后面的元素next
                        int temp_flag = 0;

                        while (next < length)
                        {
                            //获取next在first集的位置
                            int index_firstSet_temp = find_position(gramOldSet[i][next], firstSet, len_first);
                            while (have_null(firstSet[index_firstSet_temp])) //一直到next的first集中没有空字为止
                            {
                                merge_firstSet_null(followSet[index_followSet], firstSet[index_firstSet_temp]); //将next除去空字加入到head的follow集中
                                next++;
                                if (next == length)
                                { //如果遍历到最后一个元素，将next的follow集加入head的follow集中
                                    int index_firstSet_temp = find_position(gramOldSet[i][next - 1], followSet, len_follow);
                                    merge_Set(followSet[index_followSet], followSet[index_firstSet_temp]);
                                    temp_flag = 1; //设置标志位，用于跳出循环
                                    break;
                                }
                                index_firstSet_temp = find_position(gramOldSet[i][next], firstSet, len_first);
                            }
                            if (temp_flag) //如果遍历到最后一个字符了，就跳出循环
                            {
                                break;
                            }
                            merge_firstSet_null(followSet[index_followSet], firstSet[index_firstSet_temp]); //如果在中间跳出上一个循环了，说明该next所指向的字符的first集没有空字，也要加到head的follow集中
                            break;
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
}

//初始化预测分析表
void init_forecastTable()
{
    for (int i = 0; i <= len_non_ter; i++)
    {
        for (int j = 0; j <= len_ter; j++)
        {
            M[i][j] = -1;
        }
    }
}

//显示预测分析表
void show_table()
{
    printf("\n\n预测分析表如下n\n");

    for (int i = 0; i <= len_non_ter; i++)
    {
        for (int j = 0; j <= len_ter; j++)
        {
            if (i == 0)
            {
                if (j == 0)
                {
                    printf("0\t");
                }
                else
                    printf("%c\t", terSymbol[j - 1]);
            }
            else if (j == 0)
            {
                if (i == 0)
                {
                    printf("0\t");
                }
                else
                    printf("%c\t", non_ter[i - 1]);
            }
            else
            {
                printf("%s\t", gramOldSet[M[i][j]]);
            }
        }
        printf("\n");
    }
    printf("\n");
}

//找到字符c在相应数组中的位置
int find_position_char(char c, char str[], int len)
{
    for (int i = 0; i < len; i++)
    {
        if (c == str[i])
        {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

//构造预测分析表
void creat_forecastTable()
{
    //先将#加入终结符数组
    terSymbol[len_ter] = '#';
    len_ter++;
    init_forecastTable();
    //遍历每一个产生式
    for (int i = 0; i < len_gram; i++)
    {
        //获取产生式左部的字符,并获取它的位置，++的原因和构造表有关
        char left_gram = gramOldSet[i][0];
        int index_non = find_position_char(left_gram, non_ter, len_non_ter);
        index_non++;

        //求阿尔法的first集，也就是产生式右部的first集
        char temp_first[100];
        temp_first[0] = '\0';            //表示结束，方便后面的遍历
        int j = 3;                       //指向产生式右部的第一个符号
        while (gramOldSet[i][j] != '\0') //遍历产生式右部
        {
            char left_gram = gramOldSet[i][j];
            if (is_ter(left_gram, terSymbol, len_ter)) //如果第一个是终结符
            {
                //加入到first集中，并结束遍历
                add_element(temp_first, left_gram);
                break;
            }
            else
            {
                int index_first_left = find_position(left_gram, firstSet, len_first); //说明是非终结符，获取该非终结符在first集的位置
                if (Is_empty(firstSet[index_first_left]))                             //如果它的first是空的结束遍历，查看下一个产生式
                {
                    break;
                }
                else //如果它的first集不是空的
                {
                    if (have_null(firstSet[index_first_left])) //判断它的first集中是否含有空字
                    {
                        //如果含有空字，将他的first集出去空字加入，并且不跳出循环，继续遍历下一个字符
                        merge_firstSet_null(temp_first, firstSet[index_first_left]);
                    }
                    else //如果不含空字，将它的first集加入到产生式左部的first集中，并退出
                    {
                        merge_Set(temp_first, firstSet[index_first_left]);
                        break;
                    }
                }
            }
            j++;
        }
        if (gramOldSet[i][j] == '\0') //说明前面while循环没有break，产生式右部都是非终结符，并且他们的first集中都含有空字
        {
            add_element(temp_first, '@');
        }

        //求完first阿尔法之后，判断first阿尔法是否含有空字
        int k = 0;
        while (temp_first[k] != '\0')
        {
            if (temp_first[k] != '@') //除了空字，因为后面有专门对含有空字的处理
            {
                int index_ter = find_position_char(temp_first[k], terSymbol, len_ter);
                index_ter++;
                M[index_non][index_ter] = i;
            }
            k++;
        }
        if (have_null(temp_first))
        {
            int index_followSet = find_position(left_gram, followSet, len_follow);
            int t = 1;
            char c = followSet[index_followSet][t];
            while (c != '\0')
            {
                int index_ter = find_position_char(c, terSymbol, len_ter);
                index_ter++;
                M[index_non][index_ter] = i;
                t++;
                c = followSet[index_followSet][t];
            }
        }
    }
}
//总控程序
void control(char str[])
{
    printf("开始总控程序");
    SqStack stack;
    InitStack(&stack);
    //将'#'压入堆栈
    Push(&stack, '#');
    //将开始符号压入堆栈
    Push(&stack, gramOldSet[0][0]);
    int pointer = 0; //指向数组的指针
    int flag = 1;
    int step = 1;
    while (flag)
    {
        printf("\n\n步骤%d\n", step);
        //取栈顶元素
        char top = GetTop(&stack);
        printf("栈顶元素为 %c\n", top);
        //如果栈顶元素不是#，并且为终结符
        if (top != '#' && is_ter(top, terSymbol, len_ter))
        {
            if (top == str[pointer]) //如果和外面相同
            {

                printf("栈顶元素%c和栈外元素%c一样，从堆栈弹出%c,指针指向下一个字符\n", top, str[pointer], top);
                Pop(&stack);
                pointer++;
            }
            else
            //否则出错
            {
                printf("ERROR 1\n");
                break;
            }
        }
        else if (top == '#')
        {
            //结束
            if (top == str[pointer])
            {
                printf("栈顶元素%c 和栈外元素%c一样\n", top, str[pointer]);
                printf("接收完成\n");
                flag = 0;
            }
            else
            {
                //报错
                printf("ERROR 2\n");
                break;
            }
        }
        else
        {
            int index_non = find_position_char(top, non_ter, len_non_ter);
            index_non++;
            int index_ter = find_position_char(str[pointer], terSymbol, len_ter);
            index_ter++;
            int index_gram = M[index_non][index_ter];
            //判断表中是否有表达式
            if (index_gram != -1)
            {
                //如果有，先弹出，再逆序压栈
                printf("M(%c,%c)对应的产生式为%s,将%s压入堆栈\n", top, str[pointer], gramOldSet[index_gram], gramOldSet[index_gram]);
                Pop(&stack);
                printf("将栈顶元素%c弹出\n", top);
                if (gramOldSet[index_gram][3] != '@')
                {
                    int length = length_gram(gramOldSet[index_gram]);
                    for (int i = length - 1; i > 2; i--)
                    {
                        printf("将%c压入堆栈\n", gramOldSet[index_gram][i]);
                        Push(&stack, gramOldSet[index_gram][i]);
                    }
                }
            }
            else
            {
                printf("ERROR 3\n");
                break;
            }
        }
        step++;
    }
    if (!flag)
    {
        printf("success!\n");
    }
}

main.c
大家可以自行新建文本文件，只需要把对应的文件地址改一下即可，具体说明在注释中

#include "fun.h"

int main()
{
    Yu("E:\\test\\shiyan2\\source.txt"); //从文件中读取产生式，并进行预处理
    creat_first();                 //生成first集
    creat_follow();                //生成follow集
    show();                        //显示生成的first集和follow集
    creat_forecastTable();         //生成预测分析表
    show_table();                  //显示预测分析表
    control("(i+i)*i+i#");             //将输入字符串传给总控程序，由总控程序识别
    return 0;
}

source.txt文件中文法

E->TP
P->+TP|@
T->FQ
Q->*FQ|@
F->(E)|i

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