基于C语言的LogoCompiler的设计和原理

LogoCompiler的设计和原理

一、前言

本⽂档并不是项⽬⽂档的⼀部分，我的两位（或者⼀位）队友负责⽂档的撰写，这部分⼯作依然由他们 负责，但我觉得有⼀些内容值得⼀提，⽂档中却没有讲清楚，因此本⽂可以作为补充材料。

虽然LogoComplier是⼀⻔讲述⾯向过程编程的课程的⼤作业，但是在本项⽬中，⾯向对象编程 （OOP）的技巧和思想⼀以贯之。事实证明，OOP的引⼊使LogoComplier变得更为强⼤、灵活、明 了。⽽且OOP在本项⽬中并不是对功能函数的简单包装，⽽是使⽤了继承、多态，例如Op类是所有操 作的基类，它派⽣出MoveOp、TurnOp、DefOp等，⼦类重写虚函数exec()，以表现不同的⾏为。

LogoComplier应该被视为⼀种logo语⾔的编译器，因此它的使⽤⽅法与⼤多数编译器类似： ./logoCompiler testcase1.logo

正常情况下，会在输⼊⽂件相同⽂件夹内⽣成⼀个testcase1.bmp⽂件。

二、设计思路

LogoComplier的主要构成包括三部分：词法分析器（Lexer），解释器（Interpreter），执⾏器 （Executor）。

2.1 Lexer

Lexer的功能是词法分析，是使⽤我们平常构建编译器时⽤的lex和yacc中的lex实现的。我发现 LogoComplier的语法实在太过简单，以⾄于不需要⽤yacc。Lexer把输⼊⽂件中的内容分为⼀个⼀个符 号（Symbol），压⼊队列lexQueue，并将其传给Interpreter，开始第⼆阶段的分析。

2.2 Interpreter

Interpreter会做⼀些简单的语法检查，然后通过分析lexQueue，调⽤Executor的接⼝，将Symbol序列 转变为可执⾏的Op序列。之后调⽤Executor的run()⽅法，开始第三阶段的执⾏。

2.3 Executor

Executor负责实际的运算和绘画⼯作。通过Interpreter在第⼆阶段的处理，输⼊的符号序列已经变为了 ⼀连串的Op序列，Executor调⽤每个Op的exec()⽅法。⼀些的Op的集合组成⼀个Function，Executor 内维护⼀个Function的列表和⼀个调⽤堆栈callStack。callStack由若⼲个栈帧StackFrame组成，⼀个 StackFrame中存有当前执⾏的Function指针、返回地址、局部变量。

Function就相当于我们平时运⾏程序时的代码段，callStack就是运⾏堆栈。

三、⼀些feature和实现⽅式

3.1 函数调用

LogoCompiler运⾏时的最外层函数是“0global”，之所以起这个名字，是因为它不是⽤户可使⽤的合法 标识符名，“0global”就相当于C语⾔中的main函数。 由于StackFrame和callStack的存在，实际上函数可以⽀持递归，但是由于语法中没有if⽀持，⽆法设置 递归基，因此递归不可⽤。

3.2 变量作⽤域

作⽤域是以Function区分的。Function内的变量会遮蔽外部的变量。

StackFrame中维护了⼀个Variable的数组，是在当前作⽤域中定义的局部变量。当要引⽤⼀个变量的时 候，会优先在当前作⽤域中寻找，若找不到，会在外层作⽤域中继续寻找，若都找不到，则会报错。

3.3 VariableWrapper类

例如MOVE操作可以接受⼀个常数也可以接受⼀个变量，如MOVE 100和MOVE X。为了统⼀两者，我引 ⼊了VariableWrapper类，它可以将Variable和INTCONST字⾯量统⼀起来，并提供getValue()⽅法，在 执⾏时再计算实际的值。这也算是⼀种lazy policy，它还可以配合变量作⽤域，优先查找当前作⽤域中 的同名变量。

3.4 Op类

⼏乎每个Op类都是Executor的友元，可以直接修改其内部变量。

• 每个Op⼦类都重写了exec()函数。

3.5 错误提示

我尽量使LogoCompiler⽀持可读的错误提示。⼀些例⼦如下:

Cannot open the file
Error at line 1: \
Error: The file is empty
Error at line 6: Unexpected symbol: hackhacks
Runtime Error at line 10: END LOOP not found
Error: End of file in function definition, did you miss "END FUNC" for
line()?
Runtime Error at line 11: arguments do not match
Runtime warning: Color value out of range, value larger than 255 will be set
to 255, value smaller than 0 will be set 0
Error at line 19: Unexpected symbol: END
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3.6 逆向⽣成logo⽂件

在 testcases/extended/logoGen ⽂件夹中，有⼀个辅助⼯具 logoGenerator.py ，它可以把任意⼀ 张图⽚，转变为合法的logo⽂件。把该logo⽂件作为输⼊，LogoCompiler可以⽣成完全相同的图⽚。 logo⽂件可能很⼤，但是LogoCompiler可以⾼效地执⾏它。

具体⽤法：

python3 logoGenerator.py Lenna.png > Lenna.logo
./logoCompiler Lenna.logo

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四、输出展示