Development/KDevelop-PG-Qt Introduction

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Development/KDevelop-PG-Qt Introduction


KDevelop-PG-Qt is the parser-generator from KDevplatform. It is used for some KDevelop-languagesupport-plugins (Ruby, PHP, Java...).

It uses Qt classes internally. There's also the original KDevelop-PG parser, which used types from the STL, but has since been superseeded by KDevelop-PG-Qt. Most of the features are the same, though it could be that the ...-Qt parser generator is more up to date and feature rich than the plain STL style generator. The ...-Qt version should be used to write parsers for KDevelop language plugins.

In-Depth information

This document is not supposed to be a full-fledged and in-depth resource for all parts of KDevelop-PG. Instead it is intended to be a short introduction and, more importantly, a reference for developers.

To get and in-depth introduction, read Jakob Petsovits' excellent Bachelor thesis. You find it in the Weblinks section at the bottom of this page.

The Application

Usage

You can find KDevelop-PG-Qt in SVN . Also included in the source are three example packages.

svn co svn://anonsvn.kde.org/home/kde/trunk/playground/devtools/

The program itself requests a .g file, a so called grammar, as input:

./kdev-pg-qt --output=''prefix'' syntax.g

The value of the --ouput switch decides the prefix of the output files and additionally the namespace for the generated code.

Output Format

While evaluating the grammar and generating its parser files, the application will output information about so called conflicts to STDOUT. As said above, the following files will actually be prefixed.

ast.h

AST stands for Abstract Syntax Tree. It defines the data structure in which the parse tree is saved. Each node is a struct with the postfix Ast, which contains members that point to any possible sub elements.

parser.h and parser.cpp

One important part of parser.h is the definition of the parser tokens, the TokenType enum. The TokenStream of your lexer should to use this. You have to write your own lexer or let one generate by Flex. See also the part about Tokenizers/Lexers below.

Having the token stream available, you create your root item and call the parser on the parse method for the top-level AST item, e.g. DocumentAst* => parseDocument(&root). On success, root will contain the AST.

The parser will have one parse method for each possible node of the AST. This is nice for e.g. an expression parser or parsers that should only parse a sub-element of a full document.

visitor.h and visitor.cpp

The Visitor class provides an abstract interface to walk the AST. Most of the time you don't need to use this directly, the DefaultVisitor takes some work off your shoulders.

defaultvisitor.h and defaultvisitor.cpp

The DefaultVisitor is an implementation of the abstract Visitor interface and automatically visits each node in the AST. Hence, this is probably the best candidate for a base class for your personal visitors. Most language plugins use these in their Builder classes to create the DUChain.

Command-Line-Options

  • --namespace=namespace - sets the C++ namespace for the generated sources independently from the file prefix. When this option is set, you can also use / in the --ouput option
  • --no-ast - don't create the ast.h file, more to that below
  • --debug-visitor - generates a debug visitor that prints the AST
  • --serialize-visitor - generates code for serialization via a QIODevice
  • --symbols - all possible nodes from the AST (not the leafs) will be written into the file kdev-pg-symbol.
  • --rules - all grammar rules with informationen about their syntactic correlations will be written into a file called kdev-pg-rules. useful for debugging and solving conflicts
  • --help - a so far not really helpful help text ;-)

Tokenizers/Lexers

As mentioned, KDevelop-PG-Qt requires an existing Tokenizer. You can either write one per hand, as was done for C++ and PHP, or you can use tools like Flex. With the existing examples, it shouldn't be too hard to write such a lexer. Between most languages, especially those "inheriting" C, there are many common syntactic elements. Especially comments and literals can be handled just the same way over and over again. Adding a simple token is trivial:

"special-command"    return Parser::Token_SPECIAL_COMMAND;

That's pretty much it, take a look at eg. java.ll for an excellent example.

The tokenizer's job, in princeple, boils down to:

  • converting keywords and chars with special meanings to tokens
  • converting literals and identifier to tokens
  • clean out anything that doesn't change the semantics, e.g. comments or whitespace (the latter of course not in Python)
  • while doing the above, handling character encoding (we recommend using UTF8 as much as possible)

The rest, e.g. actually building the tree and evaluating the semantics, is part of the parser and the AST visitors.

How to write Grammar-Files

Chomsky Type-2 Grammars

KDevelop-PG-Qt uses so called Type-2-grammars use a concept of non-terminals (nodes) and terminals(tokens). While writing the grammar for the basic structure of your language, you should try to mimic the semantics of the language. But, most of the time, you'll need little helpers: A C++-document for example consists of lots of declarations and definitions. Lets take a look at a class definition: It consists of a CLASS-token, a identifier, the {-token, a member-declarations-list, the }-token and finally the ';-token. The member-declarations-listis one such helper. Noone would use such a word, but it helps in describing the syntax in the grammar.

Basic Syntax

Nun kann man einmal versuchen solche Beschreibungen in der KDevelop-PG-Qt-Syntax zu fassen:

  class_declaration
| struct_declaration
| function_declaration
| union_declaration
| namespace_declaration
| typedef_declaration
| extern_declaration

-> declaration ;; Das |-Zeichen steht für ein oder. Jede Regel endet mit zwei Semikola. Diese Unter-Deklarationen müssen nun wiederum definiert werden. Dabei werden Nicht-Terminale klein und Tokens groß geschrieben.

  CLASS IDENTIFIER SEMICOLON
| CLASS IDENTIFIER LBRACE class_declaration* RBRACE SEMICOLON

-> class_declaration ;; Ein neues Zeichen ist aufgetaucht: Der Stern bedeutet wie in regulären Ausdrücken, dass etwas 0-unendlich mal auftreten darf. Das Zeichen 0 steht für eine leere Token-Folge. Klammerung ist beliebig möglich.

Store it in the Parsetree

Mit dieser einfachen Regel-Deklaration wird zwar die Token-Folge geparst, jedoch wird kein Parsetree gespeichert. Dies lässt sich leicht ändern:

  class_declaration=class_declaration
| struct_declaration=struct_declaration
| function_declaration=function_declaration
| union_declaration=union_declaration
| namespace_declaration=namespace_declaration
| typedef_declaration=typedef_declaration
| extern_declaration=extern_declaration

-> declaration ;; In der Klasse DeclarationAst werden nun Zeiger auf Class_declarationAst, Struct_declarationAst etc. angelegt. Beim Parsen werden diese Zeiger belegt. (in diesem Fall natürlich immer nur einer, die anderen werden auf NULL gesetzt) Möchte man Wiederholungen speichern, so wird auch noch eine Listenstruktur zur Verfügung gestellt, hierfür muss dem Variablennamen eine Raute (#) vorangestellt werden:

  CLASS IDENTIFIER SEMICOLON
| CLASS IDENTIFIER LBRACE (#class_declaration=class_declaration)* RBRACE SEMICOLON

-> class_declaration ;; Variablen können mehrfach benutzt werden:

  #one=one (#one=one)*

-> one_or_more ;; Unabhängig davon, wo die Variable #one benutzt wird: Ein Element wird an die selbe Liste angehängt.

Angabe der Tokens

An einer Stelle müssen alle Tokens aufgezählt werden. Aus ihnen wird ein enum in parser.h erstellt. Der zusätzlich anzugebende Name wird zur Anzeige von Fehlermeldungen u.ä. verwendet: %token T1 ("T1-Name"), T2 ("T2-Name"), COMMA (";"), SEMICOLON (";") ;;

Special Characters...

...to use inside of Rules

Einige weitere Zeichen erleichtern die Arbeit:

  (#one=one)+

-> one_or_more ;; ...entspricht genau obigem Beispiel.
Ebenfalls häufig verwendet ist das '@':

  #item=item @ COMMA

-> comma_separated_list ;; ...sorgt genau dafür, dass zwischen den Items ein Komma stehen muss.
Dieses Syntax-Element ist zur Zeit leider auskommentiert:

  ?(item=item)

-> optional_item ;; ...entspricht genau:

  (0 | item=item)

-> optional_item ;;
Verwendet man an Stelle des Gleichheitszeichens den Doppelpunkt (:), so wird lediglich während des Parsens eine lokale Variable für den Unterbaum eingerichtet wird.

...to add Hand-Written Code

Manchmal muss im Parser manuell geschriebener Code eingebaut werden. Beispiele sind:

  • Eine eigene Fehler-Behandlung
  • Erzeugen der Tokens (wenn man es nicht von außerhalb machen möchte)
  • Setzen bestimmter Variablen in den Nodes und dem Parser-Objekt (beispielsweise ließe sich bei einem C++-Parser zwischenspeichern, ob sich der Parser gerade in einem private, protected oder public Abschnitt befindet. In den Nodes der Elemente ließe sich eine solche Information speichern.
  • Zusätzliche Prüfungen, die sich am schnellsten in C++ durchführen lassen

[: // Code

]

...fügt der Datei parser.cpp den angegebenen Code hinzu. Wird diese Konstrukt innerhalb einer Regel verwendet, so wird der Code an der entsprechenden Stelle des Parsens eingefügt. ?[: // Boolescher Ausdruck

]

...sorgt dafür, dass der Boolesche Ausdruck Voraussetzung für die aktuelle Regel wird. Innerhalb dieser Code-Segmente kann man auf die aktuell bearbeitete Node über die Variable yynode des Typs 'XYZAst**' zugreifen. %parserclass ( [private|protected|public] declaration) [: // Code

]

...fügt der Parser-Klasse in der Datei parser.h im entsprechenden Abschnitt Code hinzu. Wer Elemente hinzufügt, braucht auch Zugriff auf Konstruktor und Destruktor: %parserclass ( [constructor|desctructor] ) [: // Code

]

...fügt den entsprechenden Funktionen den Code hinzu. Um in der Auswertung einer Regel eine lokale Variable zu definieren, gibt es folgede Syntax:

  ...

-> class_member [:

  enum { A_PUBLIC, A_PROTECTED, A_PRIVATE } access;
];;

Hierdurch wird jedoch lediglich eine lokale Variable eingeführt, die innerhalb der Regel verwendet wird. Möchte man dagegen im Parsetree zusätzliche Informationen speichern, so benötigt man diese Syntax: [

  member|temporary variable name: type

] Korrekt wäre folglich:

  ...

-> class_member [

     member variable access : AccessType;

];; Der AccessType muss dann an anderer Stelle definiert werden. Verwendet man statt member das Wort temporary, so erhält man eine äquivalente Formulierung für obigen Code. %ast_extra_members [: // Code

]

...fügt jeder Knoten-Klasse Code hinzu. (ast.h)

Conflicts

Erste Versuche, so einen Parser zu erzeugen, werden wahrscheinlich fehlschlagen. Es wird ein Konflikt angezeigt und das Parsen funktioniert nicht richtig. Ein Beispiel für einen sogenannten FIRST/FIRST-Konflikt:

  CLASS IDENTIFIER SEMICOLON

-> class_declaration ;;

  CLASS IDENTIFIER LBRACE class_content RBRACE SEMICOLON

-> class_definition ;;

  class_declaration
| class_definition

-> class_expression ;; Ausgabe:

** WARNING found FIRST/FIRST conflict in  "class_exp"

Manchmal kann man mit Warnungen leben, deshalb wird Code erzeugt, eine class_expression wird jedoch nicht korrekt ausgewertet werden. Enthält der Code z.B. eine class_definition, so wird der Parser zuerst in die Funktion für die class_declaration hineinspringen, da er das führende Token CLASS identifiziert hat. Das Semikolon wird jedoch nicht gefunden und es kommt zu einer Fehlermeldung.

Backtracking

Wer solche Grammatiken nur von der Theorie her kennt, den wird diese Vorgehensweise vielleicht verwundern. Denn in der BNF wäre so eine Angabe beispielsweise vollkommen in Ordnung. Der Parser könnte zum Beispiel zurück springen und die nächste Alternative ausprobieren. Dies ist jedoch nicht immer erforderlich und für eine gesteigerte Effizienz wird nach Möglichkeit darauf verzichtet. Es gibt jedoch eine Möglichkeit, die ganzen Konflikte zu umgehen, denn KDevelop-PG-Qt unterstützt besagtes Backtracking:

  try/rollback(class_declaration)
     catch(class_definition)

-> class_expression ;; So lassen sich alle Konflikte auflösen, dieses Vorgehensweise geht allerdings auf Kosten der Effizienz. Außerdem sollte die Reihenfolge beachtet werden (zur Effizienzsteigerung und zum korrekten Aufbau des Parsetrees).

Look ahead

KDevelop-PG-Qt bietet eine Möglichkeit an, andere Stellen des Token-Streams zu berücksichtigen, ohne gleich in eine tiefe Backtracking-Struktur einzutauchen. Hierfür gibt es eine Funktion LA(qint64). LA(1) gibt das aktuelle Token zurück, LA(2) das nächste, LA(0) das vorherige usw. (die seltsame Indizierung wurde von der Bezeichnung verschiedener Parser-Typen übernommen)

  (?[: LA(2) == Token_LBRACE :] class_definition)
| class_declaration

-> class_expression Es wird weiterhin ein Konflikt angezeigt, dieser wurde so jedoch manuell gelöst. Man sollte diese manuelle Auflösung in einem Kommentar erwähnen, bevor man ihn später als Fehlerquelle ansieht.

Elegant Solutions

In sehr vielen Fällen finden sich elegantere Lösungen. So auch in unserem Beispiel:

  LBRACE class_content RBRACE

-> class_definition ;;

  CLASS IDENTIFIER (0 | class_definition) SEMICOLON

-> class_expression ;; Nun gibt es keine Konflikte mehr.

FIRST/FOLLOW-Conflicts

Von FIRST/FOLLOW-Konflikten spricht man dann, wenn es uneindeutig ist, wo ein Symbol endet und wo das Eltern-Symbol forgesetzt wird. Ein stupides Beispiel:

  item*

-> item_list ;;

  item_list item*

-> items ;; Die Uneindeutigkeit ist offensichtlich. try/rollback hilft bei ernstzunehmenden Problemen (der Parser funktioniert nicht), oft lassen sich diese Konflikte allerdings auch ignorieren, jedoch sollte man sich darüber im klaren sein, dass der Parser greedy ist, also die item_list den größtmöglichen Platz einnehmen wird. Führt dies zu einer Unterteilung, die später zu Widersprüchen führt, helfen nur try/rollback, Überprüfungen mit manuellem Code oder eine Umstrukturierung.

Changing the Greedy Behaviour

Manchmal ist die Greedy-Verhaltensweise unerwünscht. Bei Widerholungen ist die Unterbrechung mit manuell geschriebenem Code möglich. Dieses Beispiel einer Deklaration eines Array mit fester Größe zeigt, wie eine Wiederholung beschränkt werden kann:

  typed_identifier=typed_identifier LBRACKET UNSIGNED_INTEGER
  [: count = static_cast<MyTokenStream*>(token)->strForCurrentToken().toUInt(); :]
  RBRACKET EQUAL LBRACE
  (#expression=expression [: if(--count == 0) break; :] @ COMMA) ?[: count == 0 :]
  RBRACE SEMICOLON

-> initialized_fixed_array [ temporary variable count: uint; ];; Über den Code return false ist ein vorzeitiger Abbruch der momentanen Regelauswertung möglich. Über return true eine vorzeitige Rückkehr.

try/recover

  try/recover(expression)

-> symbol ;; Dies entspricht in etwa:

  [: ParserState *state = copyCurrentState(); :]
  try/rollback(expression)
  catch( [: restoreState(state); :] )

-> symbol ;; Das heißt, man muss die Element-Funktionen copyCurrentState und restoreState sowie einen Typen ParserState definieren. Die Deklaration der beiden Funktionen erfolgt automatisch bei der Verwendung von try/recover. Dieses Verfahren ist anscheinend sinnvoll, wenn der Parsing-Prozess unter Zuhilfenahme von zusätzlichen Zuständen durchgeführt wird. Der Java-Parser benutzt das Feature sehr ausgiebig. Ich bin jedoch in diesem Verfahren nicht firm und durchschaue nicht ganz das Ziel bei dieser Vorgehensweise. Für zusätzliche Erklärung (oder Korrekturen) wäre ich sehr dankbar.

Weblinks

  • [1] - Die KDevelop-PG-Qt-Syntax (Bison/Yacc-Datei, also als Grammatik)
  • [2] - WebSVN
  • [3] - Jakob Petsovits' bachelor thesis about using KDevelop-PG for Java Java-Parsers - It is a good in-depth introduction to everything you might want to know for writing your own grammar. Keep in mind that it is partly outdated. In doubt, refer to this page for updated syntax. Also some of the shortcomings of KDevelop-PG layed out in the thesis have been fixed in the meantime.

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