谈谈Parser

一直很了解人们对于parser的误解，可是一直都提不起兴趣来阐述对它的观点。然而我觉得是有必要解释一下这个问题的时候了。我感觉得到大部分人对于parser的误解之深，再不澄清一下，恐怕这些谬误就要写进歪曲的历史教科书，到时候就没有人知道真相了。

什么是Parser

首先来科普一下。所谓parser，一般是指把某种格式的文本（字符串）转换成某种数据结构的过程。最常见的parser，是把程序文本转换成编译器内部的一种叫做“抽象语法树”（AST）的数据结构。也有简单一些的parser，用于处理CSV，JSON，XML之类的格式。

举个例子，一个处理算数表达式的parser，可以把“1+2”这样的，含有1，+，2三个字符的字符串，转换成一个对象（object）。这个对象就像new BinaryExpression(ADD, new Number(1), new Number(2))这样的Java构造函数调用生成出来的那样。

之所以需要做这种从字符串到数据结构的转换，是因为编译器是无法直接操作“1+2”这样的字符串的。实际上，代码的本质根本就不是字符串，它本来就是一个具有复杂拓扑的数据结构，就像电路一样。“1+2”这个字符串只是对这种数据结构的一种“编码”，就像ZIP或者JPEG只是对它们压缩的数据的编码一样。

这种编码可以方便你把代码存到磁盘上，方便你用文本编辑器来修改它们，然而你必须知道，文本并不是代码本身。所以从磁盘读取了文本之后，你必须先“解码”，才能方便地操作代码的数据结构。比如，如果上面的Java代码生成的AST节点叫node，你就可以用node.operator来访问ADD，用node.left来访问1，node.right来访问2。这是很方便的。

对于程序语言，这种解码的动作就叫做parsing，用于解码的那段代码就叫做parser。

Parser在编译器中的地位

那么貌似这样说来，parser是编译器里面很关键的一个部分了？显然，parser是必不可少的，然而它并不像很多人想象的那么重要。Parser的重要性和技术难度，被很多人严重的夸大了。一些人提到“编译器”，就跟你提LEX，YACC，ANTLR等用于构造parser的工具，仿佛编译器跟parser是等价的似的。还有些人，只要听说别人写了个parser，就觉得这人编程水平很高，开始膜拜了。这些其实都显示出人的肤浅。

我喜欢把parser称为“万里长征的第0步”，因为等你parse完毕得到了AST，真正精华的编译技术才算开始。一个先进的编译器包含许多的步骤：语义分析，类型检查/推导，代码优化，机器代码生成，…… 这每个步骤都是在对某种中间数据结构（比如AST）进行分析或者转化，它们完全不需要知道代码的字符串形式。也就是说，一旦代码通过了parser，在后面的编译过程里，你就可以完全忘记parser的存在。所以parser对于编译器的地位，其实就像ZIP之于JVM，就像JPEG之于PhotoShop。Parser虽然必不可少，然而它比起编译器里面最重要的过程，是处于一种辅助性，工具性，次要的地位。

鉴于这个原因，好一点的大学里的程序语言（PL）课程，都完全没有关于parser的内容。学生们往往直接用Scheme这样代码数据同形的语言，或者直接使用AST数据结构来构造程序。在Kent Dybvig这样编译器大师的课程上，学生直接跳过parser的构造，开始学习最精华的语义转换和优化技术。实际上，Kent Dybvig根本不认为parser算是编译器的一部分。因为AST数据结构其实才是程序本身，而程序的文本只是这种数据结构的一种编码形式。

Parser技术发展的误区

既然parser在编译器中处于次要的地位，可是为什么还有人花那么大功夫研究各种炫酷的parser技术呢。LL，LR，GLR，LEX, YACC，Bison，parser combinator，ANTLR，PEG，…… 制造parser的工具似乎层出不穷，每出现一个新的工具都号称可以处理更加复杂的语法。

很多人盲目地设计复杂的语法，然后用越来越复杂的parser技术去parse它们，这就是parser技术仍然在发展的原因。其实，向往复杂的语法，是程序语言领域流传非常广，危害非常大的错误倾向。在人类历史的长河中，留下了许多难以磨灭的历史性糟粕，它们固化了人类对于语言设计的理念。很多人设计语言似乎不是为了拿来好用的，而是为了让用它的人迷惑或者害怕。

有些人假定了数学是美好的语言，所以他们盲目的希望程序语言看起来更加像数学。于是他们模仿数学，制造了各种奇怪的操作符，制定它们的优先级，这样你就可以写出2 << 7 - 2 * 3这样的代码，而不需要给子表达式加上括号。还有很多人喜欢让语法变得“简练”，就为了少打几个括号，分号，花括号，…… 可是由此带来的结果是复杂，不一致，有多义性，难扩展的语法，以及障眼难读，模棱两可的代码。

更有甚者，对数学的愚蠢做法执迷不悟的人，设计了像Haskell和Coq那样的语言。在Haskell里面，你可以在代码里定义新的操作符，指定它的“结合律”（associativity）和“优先级”（precedence）。这样的语法设计，要求parser必须能够在parse过程中途读入并且加入新的parse规则。Coq试图更加“强大”一些，它让你可以定义“mixfix操作符”，也就是说你的操作符可以连接超过两个表达式。这样你就可以定义像if...then...else...这样的“操作符”。

制造这样复杂难懂的语法，其实没有什么真正的好处。不但给程序员的学习造成了不必要的困难，让代码难以理解，而且也给parser的作者带来了严重的挑战。可是有些人就是喜欢制造问题，就像一句玩笑话说的：有困难要上，没有困难，制造困难也要上！

如果你的语言语法很简单（像Scheme那样），你是不需要任何高深的parser理论的。说白了，你只需要知道如何parse匹配的括号。最多一个小时，几百行Java代码，我就能写出一个Scheme的parser。

可是很多人总是嫌问题不够有难度，于是他们不停地制造更加复杂的语法，甚至会故意让自己的语言看起来跟其它的不一样，以示“创新”。当然了，这样的语言就得用更加复杂的parser技术，这正好让那些喜欢折腾复杂parser技术的人洋洋得意。

编译原理课程的误导

程序员们对于parser的误解，很大程度上来自于大学编译原理课程照本宣科的教育。很多老师自己都不理解编译器的精髓，所以就只有按部就班的讲一些“死知识”，灌输“业界做法”。一般大学里上编译原理课，都是捧着一本大部头的“龙书”或者“虎书”，花掉一个学期1/3甚至2/3的时间来学写parser。由于parser占据了大量时间，以至于很多真正精华的内容都被一笔带过：语义分析，代码优化，类型推导，静态检查，机器代码生成，…… 以至于很多人上完了编译原理课程，记忆中只留下写parser的痛苦回忆。

“龙书”之类的教材在很多人心目中地位是如此之高，被誉为“经典”，然而其实除了开头很大篇幅来讲parser理论，这本书其它部分的水准其实相当低。大部分学生的反应其实是“看不懂”，然而由于一直以来没有更好的选择，它经典的地位真是难以动摇。“龙书”后来的新版我浏览过一下，新加入了类型检查/推导的部分，可是我看得出来，其实作者们自己对于类型理论都是一知半解，所以也就没法写清楚，让人可以看懂了。

龙书作者的水平，跟Dan Friedman，Kent Dybvig这样真正的大师比起来，其实差的老远。如果你想真的深入理解编译理论，最好是从PL课程的读物，比如EOPL开始。我可以说PL这个领域，真的是高于编译器领域的。请不要指望编译器的作者能够轻易设计出好的语言，因为他们可能根本不理解很多语言设计的东西，他们只是会按部就班地实现某些别人设计的语言。可是反过来，理解了PL的理论，编译器的东西只不过是把一种语言转换成另外一种语言（机器语言）而已。工程的细枝末节很麻烦，可是当你掌握了精髓的原理，那些都容易摸索出来。

我写parser的心得和秘诀

虽然我已经告诉你，给过度复杂的语言写parser其实是很苦逼，没有意思的工作，然而有些历史性的错误已经造成了深远的影响，所以很多时候虽然心知肚明，你也不得不妥协一下。由于像C++，Java，JavaScript，Python之类语言的流行，有时候你是被迫要给它们写parser。在这一节，我告诉你一些秘诀，也许可以帮助你更加容易的写出这些语言的parser。

很多人都觉得写parser很难，一方面是由于语言设计的错误思想导致了复杂的语法，另外一方面是由于人们对于parser构造过程的思维误区。很多人不理解parser的本质和真正的用途，所以他们总是试图让parser干一些它们本来不应该干的事情，或者对parser有一些不切实际的标准。当然，他们就会觉得parser非常难写，非常容易出错。

尽量拿别人写的parser来用。维护一个parser是相当繁琐耗时，回报很低的事情。一旦语言有所改动，你的parser就得跟着改。所以如果你能找到免费的parser，那就最好不要自己写。现在的趋势是越来越多的语言在标准库里提供可以parse它自己的parser，比如Python和Ruby。这样你就可以用那语言写一小段代码调用标准的parser，然后把它转换成一种常用的数据交换格式，比如JSON。然后你就可以用通用的JSON parser解析出你想要的数据结构了。

如果你直接使用别人的parser，最好不要使用它原来的数据结构。因为一旦parser的作者在新版本改变了他的数据结构，你所有的代码都会需要修改。我的秘诀是做一个“AST转换器”，先把别人的AST结构转换成自己的AST结构，然后在自己的AST结构之上写其它的代码，这样如果别人的parser修改了，你可以只改动AST转换器，其它的代码基本不需要修改。

用别人的parser也会有一些小麻烦。比如Python之类语言自带的parser，丢掉了很多我需要的信息，比如函数名的位置，等等。我需要进行一些hack，找回我需要的数据。相对来说，这样小的修补还是比从头写一个parser要划得来。但是如果你实在找不到一个好的parser，那就只好自己写一个。
很多人写parser，很在乎所谓的“one-pass parser”。他们试图扫描一遍代码文本就构造出最终的AST结构。可是其实如果你放松这个条件，允许用多pass的parser，就会容易很多。你可以在第一遍用很容易的办法构造一个粗略的树结构，然后再写一个递归树遍历过程，把某些在第一遍的时候没法确定的结构进行小规模的转换，最后得到正确的AST。

想要一遍就parse出最终的AST，可以说是一种过早优化（premature optimization）。有些人盲目地认为只扫描一遍代码，会比扫描两遍要快一些。然而由于你必须在这一遍扫描里进行多度复杂的操作，最终的性能也许还不如很快的扫完第一遍，然后再很快的遍历转换由此生成的树结构。
另外一些人试图在parse的过程中做一些本来不属于它做的事情，比如进行一些基本的语义检查。有些人会让parser检查“使用未定义的变量”等语义错误，一旦发现就在当时报错，终止。这种做法其实混淆了parser的作用，造成了不必要的复杂性。

就像我说的，parser其实只是一个解码器。parser要做的事情，应该是从无结构的字符串里面，解码产生有结构的数据结构。而像“使用未定义的变量”这样的语义检查，应该是在生成了AST之后，使用单独的树遍历来进行的。人们常常混淆“解码”，“语法”和“语义”三者的不同，导致他们写出过度复杂，效率低下，难以维护的parser。
另一种常见的误区是盲目的相信YACC，ANTLR之类所谓“parser generator”。实际上parser generator的概念看起来虽然美好，可是实际用起来几乎全都是噩梦。事实上最好的parser，比如EDG C++ parser，几乎全都是直接用普通的程序语言手写而成的，而不是自动生成的。

这是因为parser generator都要求你使用某种特殊的描述语言来表示出语法，然后自动把它们转换成parser的程序代码。在这个转换过程中，这种特殊的描述语言和生成的parser代码之间，并没有很强的语义连接关系。如果生成的parser有bug，你很难从生成的parser代码回溯到语法描述，找到错误的位置和原因。你没法对语法描述进行debug，因为它只是一个文本文件，根本不能运行。

所以如果你真的要写parser，我建议你直接用某种程序语言手写代码，使用普通的递归下降（recursive descent）写法，或者parser combinator的写法。只有手写的parser才可以方便的debug，而且可以输出清晰，人类可理解的出错信息。
有些人喜欢死扣BNF范式，盲目的相信“LL”，“LR”等语法的区别，所以他们经常落入误区，说“哎呀，这个语法不是LL的”，于是采用一些像YACC那样的LR parser generator，结果落入非常大的麻烦。其实，虽然有些语法看起来不是LL的，它们的parser却仍然可以用普通的recursive descent的方式来写。

这里的秘诀在于，语言规范里给出的BNF范式，其实并不是唯一的可以写出parser的做法。BNF只是一个基本的参照物，它让你可以对语法有个清晰的概念，可是实际的parser却不一定非得按照BNF的格式来写。有时候你可以把语法的格式稍微改一改，变通一下，却照样可以正确地parse原来的语言。其实由于很多语言的语法都类似于C，所以很多时候你写parser只需要看一些样例程序，然后根据自己的经验来写，而不需要依据BNF。

Recursive descent和parser combinator写出来的parser其实可以非常强大，甚至可以超越所谓“上下文无关文法”，因为在递归函数里面你可以做几乎任意的事情，所以你甚至可以把上下文传递到递归函数里，然后根据上下文来决定对当前的节点做什么事情。而且由于代码可以得到很多的上下文信息，如果输入的代码有语法错误，你可以根据这些信息生成非常人性化的出错信息。

总结

所以你看到了，parser并不是编译器，它甚至不属于编译里很重要的东西。程序语言和编译器里面有比parser重要很多，有趣很多的东西。Parser的研究，其实是在解决一些根本不存在，或者人为制造的问题。复杂的语法导致了复杂的parser技术，它们仍然在给计算机世界带来不必要的困扰和麻烦。对parser写法的很多误解，过度工程和过早优化，造成了很多人错误的高估写parser的难度。

能写parser并不是什么了不起的事情，其实它是非常苦逼，真正的程序语言和编译器专家根本不屑于做的事情。所以如果你会写parser，请不要以为是什么了不起的事情，如果你看到有人写了某种语言的parser，也不要表现出让人哭笑不得的膜拜之情。