C++如何实现一个简单的AST_使用C++构建抽象语法树并进行代码解析_技术教程

C++如何实现一个简单的AST_使用C++构建抽象语法树并进行代码解析

发布时间：2025-11-30

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答案：文章介绍了在C++中构建简单抽象语法树（AST）的过程，涵盖节点基类定义、具体节点类型实现、变量环境管理、词法分析器与递归下降解析器的设计，并通过示例展示表达式解析与求值流程。

在C++中实现一个简单的抽象语法树（AST）是理解编译器或解释器工作原理的关键一步。AST 是源代码结构的树形表示，它忽略掉源码中的语法细节（如括号、分号），专注于程序的逻辑结构。下面我们将一步步构建一个极简的 AST，并结合词法分析和语法分析来解析简单表达式。

1. 定义AST节点基类

所有AST节点都应继承自一个公共基类。我们使用多态来处理不同类型的节点，比如数字、变量、二元操作等。

#include 
#include 
#include 
#include 
// 所有AST节点的基类
struct ExprAST {
virtual ~ExprAST() = default;
virtual double evaluate() const = 0; // 解释执行接口
};

2. 实现具体节点类型

根据常见表达式元素，定义几种基本节点：

数字节点：表示常量值
二元操作节点：如加减乘除
变量节点：表示标识符
赋值节点：将值绑定到变量

// 数字常量节点
struct NumberExprAST : ExprAST {
    double val;
    explicit NumberExprAST(double v) : val(v) {}
    double evaluate() const override { return val; }
};
// 变量节点
struct VariableExprAST : ExprAST {
std::string name;
explicit VariableExprAST(const std::string &n) : name(n) {}
double evaluate() const override;
};
// 二元操作节点（+、-、*、/）
struct BinaryExprAST : ExprAST {
char op;
std::unique_ptr lhs, rhs;
BinaryExprAST(char o, std::unique_ptrzuojiankuohaophpcnExprASTyoujiankuohaophpcn l, std::unique_ptrzuojiankuohaophpcnExprASTyoujiankuohaophpcn r)
    : op(o), lhs(std::move(l)), rhs(std::move(r)) {}

double evaluate() const override;
};
// 赋值节点
struct AssignmentExprAST : ExprAST {
std::string varName;
std::unique_ptr expr;
AssignmentExprAST(const std::string &name, std::unique_ptrzuojiankuohaophpcnExprASTyoujiankuohaophpcn e)
    : varName(name), expr(std::move(e)) {}

double evaluate() const override;
};
这些节点通过重写 evaluate 方法实现求值逻辑。变量和赋值需要访问一个全局变量环境。
3. 添加变量环境支持
我们需要一个地方存储变量值。使用一个简单的 map 即可。
static std::map variableValues;
double VariableExprAST::evaluate() const {
auto it = variableValues.find(name);
if (it != variableValues.end()) return it->second;
return 0.0; // 未定义变量默认为0
}
double AssignmentExprAST::evaluate() const {
double val = expr->evaluate();
variableValues[varName] = val;
return val;
}4. 简单的词法分析器（Tokenizer）
将输入字符串拆分为 token 流。这里只处理数字、字母、操作符和空格。
class Lexer {
    std::string input;
    size_t pos = 0;
public:
explicit Lexer(const std::string &src) : input(src) {}
int getNextToken() {
    while (pos zuojiankuohaophpcn input.size() && isspace(input[pos]))
        pos++;

    if (pos >= input.size()) return 0; // EOF

    if (isdigit(input[pos]) || input[pos] == '.') {
        std::string numStr;
        while (pos zuojiankuohaophpcn input.size() && (isdigit(input[pos]) || input[pos] == '.'))
            numStr += input[pos++];
        lastNum = stod(numStr);
        return 'n'; // number token
    }

    if (isalpha(input[pos])) {
        std::string name;
        while (pos zuojiankuohaophpcn input.size() && isalnum(input[pos]))
            name += input[pos++];
        lastIdentifier = name;
        return 'v'; // variable or identifier
    }

    if (input[pos] == '=') {
        pos++;
        return '='; // assignment
    }

    return input[pos++]; // operator or punctuation
}

double lastNum;
std::string lastIdentifier;
};
5. 递归下降解析器
实现一个简单的递归下降解析器来构建AST。我们支持如下文法：

表达式 → 赋值表达式
赋值表达式 → 标识符 '=' 表达式 | 加减表达式
加减表达式 → 乘除表达式的序列（用 + 或 - 连接）
乘除表达式 → 原子表达式的序列（用 * 或 / 连接）
原子表达式 → 数字 | 变量 | (表达式)

class Parser {
    Lexer lexer;
    int currentToken;
void advance() { currentToken = lexer.getNextToken(); }

std::unique_ptrzuojiankuohaophpcnExprASTyoujiankuohaophpcn parsePrimary();
std::unique_ptrzuojiankuohaophpcnExprASTyoujiankuohaophpcn parseExpression();
std::unique_ptrzuojiankuohaophpcnExprASTyoujiankuohaophpcn parseBinOpRHS(int precedence, std::unique_ptrzuojiankuohaophpcnExprASTyoujiankuohaophpcn lhs);
std::unique_ptrzuojiankuohaophpcnExprASTyoujiankuohaophpcn parseAssignment();
public:
explicit Parser(const std::string &src) : lexer(src) {
advance(); // 初始化第一个token
}
std::unique_ptrzuojiankuohaophpcnExprASTyoujiankuohaophpcn parse();
};
std::unique_ptr Parser::parse() {
if (currentToken == 0) return nullptr;
return parseAssignment();
}
std::unique_ptr Parser::parseAssignment() {
if (currentToken == 'v') {
std::string idName = lexer.lastIdentifier;
advance();
if (currentToken == '=') {
advance();
auto expr = parseExpression();
if (!expr) return nullptr;
return std::make_unique(idName, std::move(expr));
}
// 不是赋值，则回退为普通变量使用
return std::make_unique(idName);
}
return parseExpression();
}
// 支持优先级的二元表达式解析
std::unique_ptr Parser::parseExpression() {
auto lhs = parsePrimary();
if (!lhs) return nullptr;
return parseBinOpRHS(0, std::move(lhs));
}
int getOperatorPrecedence(char op) {
switch (op) {
case '+':
case '-': return 1;
case '*':
case '/': return 2;
default: return -1;
}
}
std::unique_ptr Parser::parseBinOpRHS(int precedence, std::unique_ptr lhs) {
while (true) {
int prec = getOperatorPrecedence(currentToken);
if (prec 
    char op = currentToken;
    advance();

    auto rhs = parsePrimary();
    if (!rhs) return nullptr;

    int nextPrec = getOperatorPrecedence(currentToken);
    if (nextPrec > prec) {
        rhs = parseBinOpRHS(prec + 1, std::move(rhs));
        if (!rhs) return nullptr;
    }

    lhs = std::make_uniquezuojiankuohaophpcnBinaryExprASTyoujiankuohaophpcn(op, std::move(lhs), std::move(rhs));
}
}
std::unique_ptr Parser::parsePrimary() {
switch (currentToken) {
case 'n': {
auto result = std::make_unique(lexer.lastNum);
advance();
return result;
}
case 'v': {
auto result = std::make_unique(lexer.lastIdentifier);
advance();
return result;
}
case '(': {
advance(); // consume '('
auto expr = parseExpression();
if (currentToken != ')') {
std::cerr 
// 二元操作求值实现
double BinaryExprAST::evaluate() const {
double L = lhs->evaluate();
double R = rhs->evaluate();
switch (op) {
case '+': return L + R;
case '-': return L - R;
case '': return L  R;
case '/': return L / R;
default: return 0.0;
}
}
6. 使用示例
现在我们可以测试整个流程：
int main() {
    std::string input;
    std::cout << "Enter expression (e.g., a=3+4*2): ";
    std::getline(std::cin, input);
Parser parser(input);
auto ast = parser.parse();

if (ast) {
    double result = ast-youjiankuohaophpcnevaluate();
    std::cout zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "Result: " zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn result zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "\n";
    std::cout zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "Variables:\n";
    for (const auto& [name, val] : variableValues) {
        std::cout zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "  " zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn name zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn " = " zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn val zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "\n";
    }
} else {
    std::cerr zuojiankuohaophpcnzuojiankuohaophpcn "Parse error.\n";
}

return 0;
}运行示例：
输入：a=3+4*2
输出：Result: 11
      Variables: a = 11
这个例子展示了如何从零开始构建一个可运行的 AST 系统。虽然功能简单，但它具备了真实编译器前端的核心组件：词法分析、语法分析、AST 构建与解释执行。
基本上就这些。你可以在此基础上扩展函数定义、控制流语句（if、while）、作用域管理等功能，逐步演化成一个完整的解释型语言前端。

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发布时间：2025-11-30

点击量：

1. 定义AST节点基类

2. 实现具体节点类型

3. 添加变量环境支持

4. 简单的词法分析器（Tokenizer）

5. 递归下降解析器

6. 使用示例

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