AST的树模式匹配。 C ++中有什么干净的方法吗？

Question

上下文：我需要为抽象语法树编写一些树匹配规则。

我想要一种简洁的方式，例如，如果为数组访问提供了数字-文字索引（而不是符号），则进行匹配。

假设我有一个抽象类（即具有纯虚函数）lvalue。 lvalue 仅是 2 个具体类的子类，variable 和 array_element。

为了以不同的方式处理这两种情况，我可以应用访问者模式（但我认为这里有点矫枉过正）或使用丑陋的 dynamic_cast 混乱。 （我已经使用访问者模式来遍历我的 AST 和 CFG）

void main() {
    lvalue *lv = new variable("foo");
    // ... somehow do a tree-pattern matching on lv
}

要检查 lv 是否是带有文字（即常量）索引的数组访问，我当然可以编写以下内容：

if (array_element *ae = dynamic_cast<array_element*>(lv)) {
   if (dynamic_cast<constant*>(ae->index)) {
      cout << "Yes, lv is an array-access and indexed by a literal" << endl;
   }
}

...但这该死的丑陋且无法维护。下面是朝着正确方向迈出的一步（如果它有效的话）：

void func(variable *n) {
    cout << "got a variable" << endl;
}

void func(array_element *n) {
    cout << "got a array" << endl;
}

有什么办法可以避免dynamic_cast的混乱吗？ 请指教:)

Answer 1

Yuriy Solodkyy 目前正在开发一个名为Mach7 的 C++11 库，它提供了一个类似 switch 的语句来执行此操作。他的slides 和type switching 和pattern matching 上的论文（与Gabriel Dos Reis 和Bjarne Stroustrup 合着）详细介绍了性能和实施。

它让您可以简单地切换类型，这提供了访问者模式的替代方案。

Match(lv)
{
    Case(array_element)
        cout << "array_element" << endl;
    ...
}

令人印象深刻的是，它还可以让您进行更复杂的模式匹配，类似于 ML 或 Haskell：

Match(lv)
{
  Case(C<array_element>(C<constant>(index)))
      cout << "Yes, lv is an array-access and indexed by a literal" << endl;
  ...
}

另请参阅 Thomas Petit 的 answer 到 Skeen 的相关 question 关于在 C++ 中进行 ML 样式的模式匹配。

Answer 2

这可能取决于您的实际上下文...我确信您的真实代码正在做一些比

更有趣的事情

cout << "Yes, lv is an array-access and indexed by a literal" << endl;

但我认为最简单的建议是使用普通的多态性。也就是说，在访问者模式试图模拟双重调度的情况下，你真正需要的（我认为）是单一调度。明显的开始是这样的：

struct lvalue {
    virtual void policy() = 0;
};

struct variable : public lvalue {
    virtual void policy() { /* whatever */ }
};

struct array_element : public lvalue {
    virtual void policy() {
        cout << "Yes, lv is an array-access and indexed by a literal" << endl;
    }
};

但我确定这是您已经想出来的：P 您也可以考虑添加一个间接级别：

// interface for a "policy" class.  this could look however you want it to.
struct lvalue_policy {
    virtual void operator()() = 0;
};

struct lvalue {
    virtual lvalue_policy policy() = 0;
};

// variables
struct variable_policy : public lvalue_policy {
    virtual void operator()() { /* whatever */ }
};

struct variable : public lvalue {
    virtual variable_policy policy() { return variable_policy; }
};

// array elements
struct array_element_policy : public lvalue_policy {
    virtual void operator()() {
        cout << "Yes, lv is an array-access and indexed by a literal" << endl;
    }
};

struct array_element : public lvalue {
    virtual array_element_policy policy() { return array_element_policy; }
};

...但我不确定这是否真的能比更简单的直接方法给你带来任何好处。我认为他们两个都有的问题是policy() 的返回类型不灵活——它们都归结为void 的返回。同样，这可能适合您的情况，但我的偏见总是尽可能倾向于编译时多态性，因为它为您提供了更大的类型灵活性。所以如果我是你，我会尝试的解决方案更像这样：

template class lvalue<typename T, typename policyT> {
    policyT m_policy; // assume this has an operator() that returns T
public:
    T policy() { return m_policy(); }
};

Answer 3

C++ 不是一种用这种表面语法模式进行模式匹配的好语言；充其量你必须编写复杂的访问者，并通过各种了解 AST 结构的检查。

您可以考虑使用专为 AST 转换而设计的工具，例如源到源 Program Transformation" 工具。其中大部分将让您编写某种用于启用重写的表面语法模式，规则形式为“如果您看到 this syntax，将其替换为 that syntax”。

现在，大多数此类工具都要求您以某种方式定义要对工具进行操作的语言，因此它知道该语法是什么。你没有说你想操纵哪种语言；您的 SO C++ 标签似乎在那里，因为您想在 C++ 中执行此操作。这部分我帮不了你 :-{ 如果你想操纵 C++，我不会感到惊讶，因为这就是你正在编码的内容，但这只是一个猜测。但是如果你要使用程序转换工具，你需要一个健壮的语言定义，而这些很难获得。很难获得用于此目的的 C++ 的良好定义，尤其是在 C++11 现已推出的情况下。

我们的DMS Software Reengineering Toolkit 及其C++ Front End 可以为C++ 做到这一点。 DMS 提供对 AST 的解析、对 AST 的过程访问（就像您在 C++ 程序中所做的那样，但更重要的是，这种源模式概念。

对于您的特定任务，您可以使用以下 DMS 模式。

 domain Cpp~gcc4;

 pattern numeric_literal_index(v: identifier, n: numeric_literal):lhs
    " \v[\n] ";

语言和方言由 domain 声明指定。本例语言为C++（这里明显拼写为Cpp），方言为gcc4（DMS可以处理多种C++方言）。

模式被命名（因为我们经常有很多模式和规则）*numeric_literal_index*。该模式由标识符（这是一个 C++ 语法标记）和 numeric_literal（同样，但这是一个允许任何无数 C++ 数字文字类型的语法非终结符）参数化，因为我们想要匹配 1、3L 等。 该模式被限制为匹配一个 lhs （一个 C++ 语法非终结符），尽管在实践中，由于它的语法，它不会匹配任何其他东西。实际的模式包含在 metaquotes "..." 中，它将 C++ 特定语法与模式语言语法的环绕海洋隔离开来。

使用此模式，可以进行 DMS 调用以将此模式与树节点匹配。匹配将返回指向标识符 AST 节点和 numeric_literal 树节点的指针。

当然，人们可以编写更复杂的模式，甚至可以使用它重写规则。一个道德：使用正确的工具来完成工作。

Answer 4

我什至不确定它在 C 或 C++ 中是否可行，因为模式匹配涉及模式变量，并且没有简单的方法可以在 C 或 C++ 中使用它们（除非您在 C++ 中为具有模式，在这种情况下，您有一些环境表示，并且您需要一个标准的统一例程来进行匹配）。

如果您需要 C++ 代码中的模式，我建议您制作一个 C++ 代码生成器，将您的模式 [以您的领域特定语言表达] 转换为 C++ 代码。

我已经在GCC MELT 中为 C（使用模式变量将模式从 MELT 转换为 C）做了等效的工作，这是一种扩展 GCC 编译器的领域特定语言（带有匹配和模式）。