在 .NET 中 使用 ANTLR4构建语法分析器的方法

前言

本文将介绍如何在 .NET 中使用 ANTLR4 构建语法分析器。由于篇幅限制，本文不会深入讲解 ANTLR4 的语法规则，相关内容可参考 ANTLR4 的官方文档或其他资料。本文将涵盖以下内容：ANTLR4 的开发环境搭建、语法规则编写、语法分析器生成以及语法分析器的使用。

本文中的例子相对简单，且未经过详细测试，旨在演示 ANTLR4 的基本用法。

实际开发的过程中，建议先去官方的这个 repo 查看是否已经有现成的 grammar 文件可以使用：https://github.com/antlr/grammars-v4

文中的代码示例已上传到 GitHub：
https://github.com/eventhorizon-cli/Antlr4Demo

ANTLR4 简介

ANTLR（Another Tool for Language Recognition）是一个强大的语法分析器生成器，属于编译技术中的前端工具。它可以用来构建语法分析器，并借此开发编译器、解释器和翻译器等。

ANTLR4 是 ANTLR 的最新版本，它支持多种编程语言的语法分析器生成，包括 Java、C#、Python、JavaScript 等。ANTLR4 的语法规则使用一种类似于正则表达式的语法来定义，可以很方便地描述复杂的语法结构。

ANTLR4 的工作流程如下：

• 编写语法规则：通常使用 ANTLR4 的语法规则文件（.g4 文件）来定义语法规则。
• 生成语法分析器：使用 ANTLR4 工具来生成目标语言的语法分析器。
• 使用语法分析器进行语法分析：编写代码来使用生成的语法分析器进行语法分析。分析的结果通常是一个抽象语法树（AST）。
• 访问 AST：可以使用访问者模式（Visitor Pattern）或者监听器模式（Listener Pattern）来访问 AST，进行后续的处理，例如解释执行、编译等。

语法分析基本概念

语法分析的过程分为两个阶段：词法分析（Lexical Analysis）和语法分析（Syntax Analysis）。

• 词法分析：将字符聚集为单词或者符号（token），例如将 1 + 2 分解为 1、+、2 三个 token。

• 语法分析：输入的 token 被组织成一个树形结构，称为抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST），它表示了输入的语法结构。树的每个节点表示一个语法单元，这个单元的构成规则就叫做语法规则。每个节点还可以有子节点。

例如，表达式 1 + 2 * 3 的抽象语法树如下：

如何使用 ANTLR4

1. 安装 Antlr4.Runtime.Standard 包

我们以加减乘除四则运算为例来介绍如何使用 ANTLR4 来构建语法分析器。

新建一个C#项目，在项目中添加 Antlr4.Runtime.Standard 包。

2. 编写 ANTLR4 的语法规则文件

接着我们需要编写一个 ANTLR4 的语法规则文件，文件的后缀名为 .g4，例如 Arithmetic.g4，文件的内容如下：

g4 文件的内容分为两部分：词法规则(Lexer Rules) 和 语法规则(Parser Rules)。

词法规则是用来定义词法单元的，例如数字、运算符、括号等。词法规则通常以大写字母开头。

语法规则是用来定义语法结构的，例如表达式、语句等。语法规则通常以小写字母开头。

在上面的例子中，我们定义了一个简单的四则运算语法规则，支持加减乘除和括号运算。我们还定义了一个整数类型的词法规则 INT，表示一个或多个数字。

expr 规则表示一个表达式，用 | 分隔的部分表示或的关系，例如 expr op=('*'|'/') expr | expr op=('+'|'-') expr 表示一个表达式可以是乘法或除法，也可以是加法或减法。

而加减乘除的优先级通过定义的顺序来决定，乘除法的规则在加减法之前，所以乘除法的优先级高于加减法。

在语法规则中，我们还可以使用 # 来为规则命名，例如 # MulDiv，表示这个规则的名字是 MulDiv。这个名字在访问 AST 时会用到。

规则支持递归定义，例如 expr: expr op=('*'|'/') expr 。

这边因为举的例子比较简单，可以直接在一个 g4 文件中同时定义语法规则和词法规则。对于复杂的语法规则，可以将语法规则和词法规则分开定义。

在 Rider 或 VS Code 中安装 ANTLR4 的插件，可以检查语法规则的正确性。

在 Rider 中安装 ANTLR4 的插件后，可以在 g4 文件选中 expr 规则，右键选择 Test Rule expr 来测试语法规则是否正确。

左侧的输入框中输入要测试的表达式，右侧的输出框中会以树形结构的方式显示语法分析的结果。

3. 生成语法分析器

ANTLR4 是基于 Java 开发的，所以我们需要安装 Java 运行环境才能使用 ANTLR4 工具来生成语法分析器。

我们有两种方式来使用 ANTLR4 生成语法分析器，优先推荐使用 Antlr4BuildTasks 项目来自动生成语法分析器。

直接使用 ANTLR4 官方提供的工具来生成语法分析器。

首先，我们需要下载 ANTLR4 工具，可以从 ANTLR4 的官方网站下载：https://www.antlr.org/download.html

写本文时，最新的版本是 4.13.2，下载地址为：
https://www.antlr.org/download/antlr-4.13.2-complete.jar

本文为方便演示，将 antlr-4.13.2-complete.jar 下载到 g4 文件所在的目录下。