抽象语法树

Ai4Energy大约 8 分钟

抽象语法树

从源代码（符号）一解析就得到了模型，程序语言内部实际上是用抽象语法树来表示的。编译，就是处理这个抽象语法树模型，优化，并进行代码生成。

抽象语法简介

当编译器处理源代码时，它会通过词法分析和语法分析将源代码转换为抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）。抽象语法树是一种以树形结构表示代码语法结构的模型。

抽象语法树是源代码的抽象表示形式，它忽略了源代码中的不必要细节，只保留了语法结构和关键信息。它捕捉了源代码的层次结构、表达式的优先级和关联关系等。

在抽象语法树中，每个节点代表代码的一个语法结构，如表达式、语句、函数声明等。节点之间通过父子关系和兄弟关系相连接，形成一棵树的结构。每个节点都包含有关该语法结构的信息，如运算符、操作数、变量名等。

编译器在处理抽象语法树时，可以进行各种优化和转换操作。例如，可以通过静态分析来检测潜在的错误和优化机会，进行常量折叠、循环展开、无效代码删除等优化，以提高程序的性能和效率。此外，编译器还可以根据抽象语法树生成目标代码，将高级语言代码转换为可执行的机器码或字节码。

抽象语法树在编译器和解释器中扮演着重要的角色，它提供了一种便于处理和分析代码的结构化表示形式。通过使用抽象语法树，编译器可以更容易地进行代码分析、优化和生成，从而实现对程序的有效处理。

一个简单的c的抽象语法树例子

下面是一个极简单的C语言代码示例及其对应的抽象语法树：

C语言代码示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5;
    int b = 10;
    int sum = a + b;
    
    printf("The sum is: %d\n", sum);
    
    return 0;
}

对应的抽象语法树示意图：

         Program
           |
         Compound
      /     |     \
   Decl    Decl   Decl
    |       |      |
   int     int    int
    |       |      |
   a=5     b=10   sum
            |      |
          Add     |
        /     \   |
      a=5     b=10|
                  |
                 printf
                   |
             StringLiteral
                   |
           "The sum is: %d\n"
                   |
                  sum

在这个示例中，抽象语法树以树的形式展示了代码的语法结构。树的根节点是Program，表示整个程序。Program节点下面是一个Compound节点，表示一个复合语句（代码块）。

在Compound节点下，有三个Decl节点，分别表示三个变量的声明。每个Decl节点下面是一个int节点，表示变量的类型，以及一个赋值表达式节点，表示变量的初始化。

在代码中，有一个加法运算表达式a + b，它被表示为一个Add节点，左侧是一个a=5的赋值表达式节点，右侧是一个b=10的赋值表达式节点。

最后，代码中的printf语句被表示为一个printf节点，它包含一个字符串字面量"The sum is: %d\n"和一个变量引用sum。

一个简单的fortran的抽象语法树的例子

下面是一个简单的Fortran代码示例及其对应的抽象语法树：

Fortran代码示例：

PROGRAM HelloWorld
  IMPLICIT NONE
  
  INTEGER :: a, b, sum
  
  a = 5
  b = 10
  sum = a + b
  
  WRITE(*,*) 'The sum is:', sum
  
END PROGRAM HelloWorld

对应的抽象语法树示意图：

         Program
           |
      ProgramName
           |
       HelloWorld
           |
         Block
           |
      Declarations
       /    |    \
     Decl  Decl  Decl
      |     |     |
   INTEGER INTEGER INTEGER
      |     |     |
      a     b    sum
           |     |
         Assign  |
          /     \ |
         a       b|
                  |
                Assign
                  |
                 sum
                  |
                Add
              /     \
             a       b
                  |
                 Write
              /        \
             *          ,
           /  \       /   \
          *    a      *    sum
         / \        / \
        *   5      sum
       /
      10

在这个示例中，抽象语法树以树的形式展示了Fortran代码的语法结构。树的根节点是Program，表示整个程序。Program节点下面是一个ProgramName节点，表示程序的名称。

在Program节点的下面，有一个Block节点，表示程序的代码块。在代码块中，有一个Declarations节点，表示变量的声明。每个Decl节点下面是一个INTEGER节点，表示变量的类型。

在代码中，有三个赋值语句，分别是a = 5、b = 10和sum = a + b。每个赋值语句被表示为一个Assign节点，左侧是一个变量节点，右侧是一个表达式节点。在Assign节点中，使用了Add节点表示加法运算，左侧是变量节点a，右侧是变量节点b。

最后，代码中的WRITE语句被表示为一个Write节点，它包含一个格式控制描述符（*表示默认格式）和多个表达式节点。在这个示例中，Write节点的两个表达式分别是字符串字面量'The sum is:'和变量节点sum。

交互式Fortran与LFortran

有一个现代fortran的工具lfortran。可以使用lfotran查看fortran的抽象语法树。

LFortran是一个用于编译Fortran语言的开源项目，它提供了生成抽象语法树（AST）的功能。

要使用LFortran来查看Fortran代码的抽象语法树，您需要在本地安装LFortran并使用其命令行工具。以下是一个简单的步骤示例：

在您的计算机上安装Python和pip。
打开终端（命令提示符）。
使用pip安装LFortran：

pip install lfortran

创建一个Fortran源文件（例如example.f90）并将您的代码复制到其中。
在终端中运行以下命令来生成Fortran代码的抽象语法树：

lfortran ast example.f90

LFortran将会解析并显示Fortran代码的抽象语法树。

请注意，LFortran是一个开源项目，其功能和用法可能会有所变化。建议您参考LFortran的官方文档和资源以获得更详细和最新的信息。

以下是一个Fortran代码示例及其对应的抽象语法树（类似LFortran生成的输出）：

Fortran代码示例（example.f90）：

PROGRAM HelloWorld
  IMPLICIT NONE
  
  INTEGER :: a, b, sum
  
  a = 5
  b = 10
  sum = a + b
  
  WRITE(*,*) 'The sum is:', sum
  
END PROGRAM HelloWorld

LFortran生成的抽象语法树输出示例：

Program
  - name: HelloWorld
  - block:
      Declarations
        - a: Integer
        - b: Integer
        - sum: Integer
      Statements
        - Assignment
          - target: a
          - value: 5
        - Assignment
          - target: b
          - value: 10
        - Assignment
          - target: sum
          - value: BinaryOp
              - left: a
              - right: b
              - operator: '+'
        - Write
          - unit: *
          - format: *
          - items:
              - 'The sum is:'
              - sum

在这个示例中，抽象语法树以一种类似于树状的文本形式呈现。它展示了代码的结构和组织方式。每个节点都具有相应的属性，如变量名、类型、表达式等。

请注意，实际的LFortran输出可能会根据其版本和配置而有所不同。以上示例仅用于说明抽象语法树的结构和概念，并非实际的LFortran输出。如需获取真实的LFortran输出，请按照前面提到的步骤在本地运行LFortran命令。

来个Julia的例子

Julia编程语言本身提供了内置的Meta.parse函数，可用于解析Julia代码并生成抽象语法树（AST）。

以下是一个示例Julia代码及其对应的抽象语法树（使用Meta.parse生成）：

Julia代码示例：

function calculate_sum(a, b)
    sum = a + b
    println("The sum is: ", sum)
end

calculate_sum(5, 10)

使用Meta.parse生成的抽象语法树：

quote
    function calculate_sum(a, b)
        sum = a + b
        println("The sum is: ", sum)
    end
    calculate_sum(5, 10)
end

在这个示例中，抽象语法树以Julia代码的表达形式呈现，使用quote和end包围代码块。quote和end之间是整个代码块的抽象语法树表示。

在代码块中，有一个function节点，表示函数定义。函数定义包含函数名称、参数列表和函数体。函数体内部有一个赋值语句节点sum = a + b和一个println语句节点，分别表示变量赋值和输出语句。

最后，在代码块外部调用了calculate_sum函数并传递了参数5和10，表示函数调用的抽象语法树节点。

请注意，实际生成和解析Julia代码的抽象语法树可能需要使用Julia编程环境或相应的工具库。以上示例仅用于说明抽象语法树的结构和概念，并非实际的Julia抽象语法树。如需获取真实的Julia抽象语法树，请参考Julia官方文档和相关资源。