抽象語法樹 4.5 - benchen2001/matiec GitHub Wiki

以下是 matiec 編譯器中 stage1_2 階段所使用的抽象語法樹（Abstract Syntax Tree, AST）基本結構的完整深入探討與說明。這些結構定義於 absyntax.hh 和 absyntax.def 中，並透過巨集展開方式自動產生。

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一、AST 基本類別（核心基礎）

1. symbol_c

• 說明：所有 AST 節點的基礎類別。
• 功能：
  • 提供位置資訊（行號、列號、檔案名稱）。
  • 提供型別資訊、常數摺疊結果、作用域資訊等註記。
  • 支援 visitor 模式（透過 accept(visitor_c &visitor) 方法）。
• 用途：所有語法節點皆繼承自此類別。

2. token_c

• 說明：代表詞法分析階段產生的單一詞彙單元（token），繼承自 symbol_c。
• 功能：
  • 儲存 token 的實際字串值（如識別字、常數）。
• 用途：如識別字 (identifier_c)、整數常數 (integer_c)、實數常數 (real_c) 等。

3. list_c

• 說明：代表一組 AST 節點的列表，繼承自 symbol_c。
• 功能：
  • 管理一組 AST 節點（如變數宣告列表、語句列表）。
  • 提供元素插入、查找、刪除等操作。
• 用途：如 var_declaration_list_c、statement_list_c 等。

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二、AST 節點巨集展開方式

AST 節點透過以下巨集自動產生：

• SYM_TOKEN(class_name_c, ...)：產生繼承自 token_c 的節點。
• SYM_REF0(class_name_c, ...)：產生無子節點的節點。
• SYM_REF1(class_name_c, ref1, ...)：產生有一個子節點的節點。
• SYM_REF2(class_name_c, ref1, ref2, ...)：產生有兩個子節點的節點。
• SYM_REF3(class_name_c, ref1, ref2, ref3, ...)：產生有三個子節點的節點。
• SYM_REF4(class_name_c, ref1, ref2, ref3, ref4, ...)：產生有四個子節點的節點。
• SYM_REF5(class_name_c, ref1, ref2, ref3, ref4, ref5, ...)：產生有五個子節點的節點。
• SYM_REF6(class_name_c, ref1, ref2, ref3, ref4, ref5, ref6, ...)：產生有六個子節點的節點。
• SYM_LIST(class_name_c, ...)：產生繼承自 list_c 的節點。

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三、AST 節點分類與說明

以下列出 matiec 中 AST 的主要節點分類：

(1) 基本語彙節點（Tokens）

• identifier_c：識別字
• integer_c、real_c、boolean_true_c、boolean_false_c：常數
• single_byte_character_string_c、double_byte_character_string_c：字串常數

(2) 資料型別節點（Data Types）

• 基本型別：int_type_name_c、bool_type_name_c、real_type_name_c 等
• 派生型別：simple_type_declaration_c、array_type_declaration_c、structure_type_declaration_c
• 子範圍與列舉型別：subrange_type_declaration_c、enumerated_type_declaration_c

(3) 變數與宣告節點（Variables & Declarations）

• 變數存取：symbolic_variable_c、array_variable_c、structured_variable_c
• 變數宣告區塊：var_declarations_c、input_declarations_c、output_declarations_c
• 單一變數宣告：var1_init_decl_c、array_var_init_decl_c、structured_var_init_decl_c

(4) 程式組織單元（POU）

• 函式宣告：function_declaration_c
• 功能塊宣告：function_block_declaration_c
• 程式宣告：program_declaration_c

(5) 語句與表達式（Statements & Expressions）

• 賦值語句：assignment_statement_c
• 流程控制語句：if_statement_c、case_statement_c、for_statement_c、while_statement_c、repeat_statement_c
• 運算式節點：add_expression_c、sub_expression_c、mul_expression_c、div_expression_c 等
• 函式與功能塊呼叫：function_invocation_c、fb_invocation_c

(6) IL（指令列表）特有節點

• IL 操作符：LD_operator_c、ST_operator_c、JMP_operator_c 等
• IL 指令結構：il_instruction_c、il_simple_operation_c、il_function_call_c

(7) SFC（順序功能圖）特有節點

• 步驟與轉移：step_c、transition_c
• 動作與關聯：action_c、action_association_c
• SFC 圖結構：sequential_function_chart_c、sfc_network_c

(8) 配置與資源節點（Configuration & Resources）

• 配置宣告：configuration_declaration_c
• 資源宣告：resource_declaration_c
• 任務配置：task_configuration_c、task_initialization_c

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四、AST 節點設計特點

• 統一繼承自 symbol_c：所有節點皆繼承自 symbol_c，支援多型與 visitor 模式。
• 位置資訊與註記：每個節點攜帶來源位置、型別資訊、作用域資訊、常數值等。
• 巨集自動展開：利用巨集快速定義大量結構一致的 AST 節點類別，減少重複程式碼。
• 清單節點設計：list_c 及 SYM_LIST 支援語法中多重元素（如變數清單、語句清單）的表示。
• 可擴充性佳：可輕易新增新語法結構或語言特性。

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五、AST 節點使用範例

以一個簡單的函式宣告為例：

FUNCTION Add : INT
VAR_INPUT
  a, b : INT;
END_VAR
  Add := a + b;
END_FUNCTION

對應的 AST 結構：

• function_declaration_c
  • identifier_c ("Add")
  • int_type_name_c
  • var_declarations_list_c
    • input_declarations_c
      • var1_init_decl_c ("a", "b")
      • int_type_name_c
  • statement_list_c
    • assignment_statement_c
      • symbolic_variable_c ("Add")
      • add_expression_c
        • symbolic_variable_c ("a")
        • symbolic_variable_c ("b")

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六、小結

matiec 編譯器的 AST 結構設計清晰且模組化，透過 symbol_c、token_c、list_c 三大基礎類別，以及巨集自動產生的各種節點，完整描述了 IEC 61131-3 的所有語法特性。這種設計不僅支援標準語法，還提供了良好的擴充性與維護性，為後續語意分析、型別檢查、程式碼產生等階段提供了堅實的基礎。