手把手教你使用ANTLR和Go实现一门DSL语言（第四部分）：组装语义模型并测试DSL

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本文永久链接 – https://tonybai.com/2022/05/28/an-example-of-implement-dsl-using-antlr-and-go-part4

在上一篇文章中，我们为DSL建立了完整的语义模型，我们距离DSL的语法示例真正run起来还差最后一步，那就是基于语法树提取信息(逆波兰式)、组装语义模型，在加载语义模型并实例化各个规则处理器(processor)后，我们就可以处理数据了！下面是我们部署在海洋浮标上的指标采集程序的全景图：

an-example-of-implement-dsl-using-antlr-and-go-part4-2.png

在这一篇中，我们就来按照上图，通过语法树提取逆波兰式并组装语义模型，让我们的语法示例能真正按预期run起来！

一. 从语法树提取逆波兰式并组装语义模型

通过上面语义模型的讲解，我们知道了语法树与语义模型之间的联系包括逆波兰式、windowsRange、result和enumableFunc。其主要联系是那个逆波兰式，而像windowsRange、result和enumableFunc这些信息都相对容易提取。

an-example-of-implement-dsl-using-antlr-and-go-part4-3.png

接下来，我们先来看看如何从DSL的语法树构提取到逆波兰式，完成逆波兰式的提取，我们的语义模型组装工作就算完成大半了。好，下面我们就将目光聚焦在DSL语法树上。

为了聚焦原理的讲解，我们在本篇仅实现支持语法示例文件中包含单rule的语法树的逆波兰式等信息的提取。而语法示例文件中有多个rule的情况就当做思考题留给大家了。

在本系列第二部分验证文法中，我们知道了ANTLR Listener对DSL语法树的遍历默认都是前序遍历。在这样的遍历过程中，我们要提取variable、literal、一元操作符以及二元操作符，并将它们的运算次序以逆波兰式的形式组织起来。我们采用的提取转换算法如下：

我们借由两个Stack来完成此次转换，s1用于存储已有序的逆波兰式；s2是一个临时栈，用于临时存放一元和二元操作符；
我们在所有节点的ExitXXX回调中执行提取操作；
当节点为variable或literal时，直接将节点text转换为对应的类型值(比如int、float64或string)后，打包为Value，压入s1栈；
当节点为一元操作符节点时，计算节点深度(level)，与其代表的一个semantic.UnaryOperator一同压入s2栈；
当节点为二元操作符节点时，包括arithmeticOp、comparisionOp以及logicalOp，则用当前节点的深度(level)与s2栈顶元素进行比较，如果比s2栈顶内的节点的深度(level)小，就将s2栈顶的节点弹出，并压入s1栈；循环此步骤，直到s2栈空或当前节点深度大于s2栈顶元素深度，则将该节点打包为semantic.BinaryOperator并压入s2栈；
在顶层conditionExpr节点(parent node为ruleLine)的exit回调中，将s2栈中元素全部弹出并依次压入s1栈；此时s1栈中从栈底到栈顶就是一个逆波兰式。

下面是具体的代码实现，我们建立一个ReversePolishExprListener结构用于从语法树中提取用于构建语义模型的信息：

// tdat/reverse_polish_expr_listener.go

type ReversePolishExprListener struct {
    *parser.BaseTdatListener

    ruleID string

    // for constructing Reverse Polish expression
    //
    // infixExpr:($speed<5)and($temperature<2)or(roundDown($sanility)<600) =>
    //
    // reversePolishExpr:
    // $speed,5,<,$temperature,2,<,and,$sanility,roundDown,600,<,or
    //
    reversePolishExpr []semantic.Value
    s1                semantic.Stack[*Item] // temp stack for constructing reversePolishExpr, for final result
    s2                semantic.Stack[*Item] // temp stack for constructing reversePolishExpr, for operator temporarily

    // for windowsRange
    low  int
    high int

    // for enumerableFunc
    ef string

    // for result
    result []string
}

对于variable、literal都是直接压到s1栈中，对于一元操作符，直接压入s2栈中；对于二元操作符，我们以比较操作符(comparisonOp)为例，看看其处理逻辑：

func (l *ReversePolishExprListener) ExitComparisonOp(c *parser.ComparisonOpContext) {
    l.handleBinOperator(c.BaseParserRuleContext)
}

func (l *ReversePolishExprListener) handleBinOperator(c *antlr.BaseParserRuleContext) {
    v := c.GetText()
    lvl := getLevel(c)

    for {
        lastOp := l.s2.Top()
        if lastOp == nil {
            l.s2.Push(&Item{
                level: lvl,
                val: &semantic.BinaryOperator{
                    Val: v,
                },
            })
            return
        }

        if lvl > lastOp.level {
            l.s2.Push(&Item{
                level: lvl,
                val: &semantic.BinaryOperator{
                    Val: v,
                },
            })
            return
        }
        l.s1.Push(l.s2.Pop())
    }
}

算术操作符、逻辑操作符等二元操作符都像比较操作符一样，直接调用handleBinOperator。handleBinOperator的逻辑就像我们前面描述的算法步骤那样，先比较s2栈顶的节点的level，如果该节点的深度比s2栈顶内的节点的深度(level)小，就将s2栈顶的节点弹出，并压入s1栈；循环此步骤，直到s2栈空或当前节点深度大于s2栈顶节点深度，则将该节点打包为semantic.BinaryOperator并压入s2栈。

我们在最顶层的conditionExpr中基于s1栈得到我们期望的逆波兰表达式：

func (l *ReversePolishExprListener) ExitConditionExpr(c *parser.ConditionExprContext) {
    // get the rule index of parent context
    if i, ok := c.GetParent().(antlr.RuleContext); ok {
        if i.GetRuleIndex() != parser.TdatParserRULE_ruleLine {
            // 非最顶层的conditionExpr节点
            return
        }
    }

    // pop all left in the stack
    for l.s2.Len() != 0 {
        l.s1.Push(l.s2.Pop())
    }

    // fill in the reversePolishExpr
    var vs []semantic.Value
    for l.s1.Len() != 0 {
        vs = append(vs, l.s1.Pop().val)
    }

    for i := len(vs) - 1; i >= 0; i-- {
        l.reversePolishExpr = append(l.reversePolishExpr, vs[i])
    }
}

其他诸如result、windowsRange等构建语义模型所需的信息的提取比较简单，大家可以直接参考ReversePolishExprListener相应的方法的源码。

二. 实例化Processor并运行语法示例

是时候将这门语言的前端(语法树)和后端(语义模型)串起来了！为此，我们定义了一个类型Processor用于组装前端与后端：

type Processor struct {
    name  string // for ruleid
    model *semantic.Model
}

同时每个Processor实例对应一个语法rule，如果有多个rule，可以实例化不同的Processor，之后我们就可以使用Processor实例的Exec方法来处理数据了：

func (p *Processor) Exec(in []map[string]interface{}) (map[string]interface{}, error) {
    return p.model.Exec(in)
}

我们看一下main函数：

// tdat/main.go

func main() {
    println("input file:", os.Args[1])
    input, err := antlr.NewFileStream(os.Args[1])
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    lexer := parser.NewTdatLexer(input)
    stream := antlr.NewCommonTokenStream(lexer, 0)
    p := parser.NewTdatParser(stream)
    tree := p.Prog()

    l := NewReversePolishExprListener()
    antlr.ParseTreeWalkerDefault.Walk(l, tree)

    processor := &Processor{
        name:  l.ruleID,
        model: semantic.NewModel(l.reversePolishExpr, semantic.NewWindowsRange(l.low, l.high), l.ef, l.result),
    }

    // r0006: Each { |1,3| ($speed < 50) and (($temperature + 1) < 4) or ((roundDown($salinity) <= 600.0) or (roundUp($ph) > 8.0)) } => ();

    in := []map[string]interface{}{
        {
            "speed":       30,
            "temperature": 6,
            "salinity":    500.0,
            "ph":          7.0,
        },
        {
            "speed":       31,
            "temperature": 7,
            "salinity":    501.0,
            "ph":          7.1,
        },
        {
            "speed":       30,
            "temperature": 6,
            "salinity":    498.0,
            "ph":          6.9,
        },
    }

    out, err := processor.Exec(in)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Printf("%v\n", out)

}

main函数的步骤大致是：构建语法树(p.Prog)，提取语义模型所需信息(ParseTreeWalkerDefault.Walk)，然后实例化Processor，连接前后端，最后通过processor.Exec处理输入数据in。

接下来，我们定义samples/sample4.t作为语法示例来测试main：

// samples/sample4.t

r0006: Each { |1,3| ($speed < 50) and (($temperature + 1) < 4) or ((roundDown($salinity) <= 600.0) or (roundUp($ph) > 8.0)) } => ();

构建并执行main：

$make
$./tdat samples/sample4.t
map[ph:7 salinity:500 speed:30 temperature:6]

我们看到，程序输出了我们期望的结果！

到这里，我们为《后天》里的气象学家构建的DSL语言以及其处理引擎的核心都已经介绍完了。上述代码目前仅能处理一个源文件中仅有一个rule。将处理引擎扩展为可以支持在一个源文件中放置多个rule的任务就留给大家作为“作业”了^_^。

经过这个系列四篇文章后，相信你已经基本了解了基于ANTLR和Go设计和实现一门DSL语言的方法。现在你可以为你的领域设计你自用或团队自用的DSL了，欢迎大家在文章后面留言交流，我们一起提升设计和实现DSL的水平。

本文中涉及的代码可以在这里下载 – https://github.com/bigwhite/experiments/tree/master/antlr/tdat 。

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一. 从语法树提取逆波兰式并组装语义模型

二. 实例化Processor并运行语法示例

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