Rust 语言实现简易 Lisp 解释器：词法分析 + 语法解析
Lisp 是一种历史悠久的编程语言，以其独特的语法和强大的符号处理能力而闻名。在 Rust 语言中实现一个简易的 Lisp 解释器，不仅可以加深我们对 Rust 语言的理解，还可以锻炼我们的编程技巧。本文将围绕词法分析和语法解析这两个核心部分，详细介绍如何使用 Rust 语言实现一个简易的 Lisp 解释器。
词法分析
词法分析是编译器或解释器的第一步，它将源代码分解成一系列的标记（tokens）。在 Lisp 中，标记通常包括数字、符号、括号等。
标记枚举
我们需要定义一个枚举类型来表示不同的标记：
rust
enum Token {
Number(f64),
Symbol(String),
LeftParen,
RightParen,
}
词法分析器实现
接下来，我们实现一个简单的词法分析器。它将读取源代码字符串，并逐个生成标记：
rust
fn tokenize(input: &str) -> Vec {
let mut tokens = Vec::new();
let mut chars = input.chars().peekable();
while let Some(&c) = chars.peek() {
match c {
'0'..='9' | '.' => {
let mut num = String::new();
while let Some(&c) = chars.peek() {
if c.is_digit(10) || c == '.' {
num.push(c);
chars.next();
} else {
break;
}
}
tokens.push(Token::Number(num.parse().unwrap()));
}
'(' | ')' => {
tokens.push(match c {
'(' => Token::LeftParen,
')' => Token::RightParen,
_ => unreachable!(),
});
chars.next();
}
'+' | '-' | '' | '/' | ' ' => {
chars.next();
}
_ => {
let mut sym = String::new();
while let Some(&c) = chars.peek() {
if c.is_alphanumeric() || c == '_' {
sym.push(c);
chars.next();
} else {
break;
}
}
tokens.push(Token::Symbol(sym));
}
}
}
tokens
}
语法解析
语法解析是将标记序列转换成抽象语法树（AST）的过程。在 Lisp 中，AST 通常由列表和原子组成。
抽象语法树
我们定义一个结构体来表示 AST：
rust
enum Ast {
List(Vec),
Atom(Box),
}
语法解析器实现
接下来，我们实现一个简单的语法解析器。它将接收一个标记序列，并生成对应的 AST：
rust
fn parse(tokens: &[Token]) -> Ast {
let mut tokens = tokens.iter().peekable();
parse_expr(&mut tokens)
}
fn parse_expr(tokens: &mut std::iter::Peekable<#std::slice::Iter>) -> Ast {
let mut expr = Vec::new();
while let Some(&token) = tokens.peek() {
match token {
Token::LeftParen => {
tokens.next();
expr.push(parse_expr(tokens));
}
Token::RightParen => {
tokens.next();
return Ast::List(expr);
}
_ => {
expr.push(parse_atom(tokens));
}
}
}
Ast::List(expr)
}
fn parse_atom(tokens: &mut std::iter::Peekable<#std::slice::Iter>) -> Ast {
match tokens.next().unwrap() {
Token::Number(num) => Ast::Atom(Box::new(Ast::List(vec![Ast::Atom(Box::new(Ast::Number(num))), Ast::Atom(Box::new(Ast::Symbol(String::from("quote"))))]))),
Token::Symbol(sym) => Ast::Atom(Box::new(Ast::Symbol(sym.to_string()))),
_ => unreachable!(),
}
}
解释器实现
我们需要实现一个解释器来执行 AST。这里我们只实现一个简单的解释器，它只能处理 `quote` 函数。
rust
fn eval(ast: &Ast) -> Ast {
match ast {
Ast::List(expr) => {
if let Ast::Symbol(ref sym) = expr[0] {
if sym == "quote" {
Ast::List(expr.to_vec())
} else {
unimplemented!()
}
} else {
unimplemented!()
}
}
Ast::Atom(ref atom) => {
match atom {
Ast::Symbol(ref sym) => Ast::Symbol(sym.to_string()),
Ast::Number(ref num) => Ast::Number(num),
_ => unimplemented!(),
}
}
}
}
总结
本文介绍了如何使用 Rust 语言实现一个简易的 Lisp 解释器，包括词法分析、语法解析和解释器实现。通过这个例子，我们可以更好地理解 Rust 语言的特性和编程技巧。这个解释器非常简单，只能处理 `quote` 函数，但它为我们提供了一个实现更复杂解释器的起点。
在实际应用中，我们可以扩展这个解释器，支持更多的函数和操作符，使其成为一个功能更强大的 Lisp 解释器。我们还可以使用宏来简化 AST 的生成过程，进一步提高代码的可读性和可维护性。
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