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Flex/Bison(腾讯元宝)

news 2025/7/25 9:21:41

当然可以！我们来详细讲解一下 Flex 和 Bison 是什么，它们在编译器/解释器工具链中的作用，以及它们是如何被 Verilator 这类工具使用的。

一、Flex 和 Bison 是什么？

Flex 和 Bison 是两个经典的 UNIX 工具，用于构建词法分析器（Lexical Analyzer）和语法分析器（Parser），是编译器前端的重要组成部分。它们本质上是自动生成工具，可以根据用户定义的规则，自动生成对应的 C 语言代码，从而避免手动编写复杂的词法和语法分析逻辑。

Flex（Fast Lexical Analyzer Generator）：用于生成词法分析器，即把输入的字符流分解成一个个有意义的“词法单元”（Token）。
Bison（GNU 版的 Yacc，Yet Another Compiler-Compiler）：用于生成语法分析器，即根据语法规则，将词法单元组织成语法树（Parse Tree）或抽象语法树（AST）。

它们通常配合使用：Flex 负责识别 Token，Bison 负责根据语法规则解析这些 Token 的组合是否合法，并构建语法结构。

二、为什么需要 Flex 和 Bison？

在编写编译器或解释器时，我们需要处理源代码的词法和语法：

词法分析（Lexical Analysis）：
- 将输入的字符流（如源代码）分解成一个个有意义的“词法单元”，称为 Token。
- 例如，在 Verilog 中，module、input、wire、=、; 等都是 Token。
语法分析（Syntax Analysis）：
- 根据语言的语法规则，检查 Token 的组合是否符合规范，并构建出表示程序结构的数据结构（如语法树或抽象语法树）。
- 例如，module name (port_list); ... endmodule 是否符合 Verilog 的模块定义语法规则。

手动编写词法和语法分析器不仅繁琐，而且容易出错。Flex 和 Bison 提供了一种声明式的方式，让用户通过简单的规则描述语言结构和词法规则，自动生成高效的分析器代码。

三、Flex 的工作原理

1. Flex 的输入：词法规则文件（通常以 `.l` 或 `.lex` 为扩展名）

Flex 的输入是一个规则文件，包含两部分：

定义部分：定义宏、常量等。
规则部分：定义 Token 的匹配规则，每条规则由正则表达式和对应的动作（C 代码）组成。

示例：简单的 Flex 规则

lex

复制

%%
[0-9]+      { printf("NUMBER: %s
", yytext); }
"module"    { printf("TOKEN: MODULE
"); }
";"         { printf("TOKEN: SEMICOLON
"); }
%%

[0-9]+ 是一个正则表达式，匹配一个或多个数字，对应的动作是打印出“NUMBER”。
"module" 是一个字符串字面量，匹配关键字 module，对应的动作是打印出“TOKEN: MODULE”。

2. Flex 的输出：C 语言代码

运行 Flex 后，它会根据规则文件生成一个 C 语言源文件（通常命名为 lex.yy.c），其中包含：

一个词法分析器函数（如 yylex()），用于从输入中识别 Token。
支持的辅助函数和数据结构（如缓冲区管理）。

用户可以将生成的 lex.yy.c 文件与自己的程序一起编译，调用 yylex() 函数即可实现词法分析。

四、Bison 的工作原理

1. Bison 的输入：语法规则文件（通常以 `.y` 或 `.yacc` 为扩展名）

Bison 的输入是一个语法规则文件，也包含两部分：

声明部分：定义 Token 类型、数据类型、语义值等。
规则部分：定义语法规则，每条规则由产生式和对应的动作（C 代码）组成。

示例：简单的语法规则

yacc

复制

%token NUMBER MODULE SEMICOLON%%
program:MODULE ID SEMICOLON{ printf("Valid module declaration
"); };
%%

%token 定义了 Token 类型（如 NUMBER、MODULE 等），这些 Token 通常由 Flex 生成。
program: MODULE ID SEMICOLON 是一条语法规则，表示一个合法的程序结构：以 MODULE 开头，后跟一个标识符（ID）和一个分号（;）。
对应的动作是打印出“Valid module declaration”。

2. Bison 的输出：C 语言代码

运行 Bison 后，它会根据语法规则文件生成一个 C 语言源文件（通常命名为 y.tab.c），其中包含：

一个语法分析器函数（如 yyparse()），用于根据语法规则解析 Token 流。
支持的辅助函数和数据结构（如栈管理、错误恢复等）。

用户需要将生成的 y.tab.c 文件与 Flex 生成的 lex.yy.c 文件一起编译，并实现 Token 的传递机制（通过全局变量 yylval 等）。

五、Flex 和 Bison 的协作流程

Flex 和 Bison 通常是这样协作的：

Flex 负责词法分析：
- 读取输入字符流，根据规则识别 Token。
- 将识别出的 Token 传递给 Bison（通过 yylex() 函数返回 Token 类型，必要时通过 yylval 传递语义值）。
Bison 负责语法分析：
- 接收 Flex 传递的 Token。
- 根据语法规则检查 Token 的组合是否合法。
- 如果合法，执行对应的动作（如构建语法树）；如果不合法，报告语法错误。
最终生成可执行程序：
- 将 Flex 和 Bison 生成的 C 代码与用户的其他代码（如主程序、语义处理逻辑等）一起编译，生成最终的可执行程序。

六、Verilator 中的 Flex 和 Bison

在 Verilator 中，Flex 和 Bison 被用来构建 Verilog 或 SystemVerilog 的前端解析器，即：

Flex：负责将 Verilog 源代码分解为 Token（如关键字、标识符、运算符等）。
Bison：负责根据 Verilog 的语法规则，将 Token 组织成抽象语法树（AST）。

通过这种方式，Verilator 可以高效地解析复杂的 Verilog 代码，并为后续的优化和代码生成奠定基础。

七、总结

工具	作用	输入文件类型	输出文件类型	主要功能
Flex	生成词法分析器	`.l` 或 `.lex`	`.c`（如 `lex.yy.c`）	将输入字符流分解为 Token
Bison	生成语法分析器	`.y` 或 `.yacc`	`.c`（如 `y.tab.c`）	根据语法规则解析 Token 并构建语法结构