从零开始Java实现Parser Combinator
作者：直抒胸臆
引言
什么是Parser Combinator
Parser Combinator是函数式语言中的概念，它是一种通过组合小型解析器来构建复杂解析器的技术。其中Parser是把输入数据(通常是文本)转换成特定数据结构的函数或者对象。Parser接收一个字符串(或者字节流)作为输入，尝试根据预定义的规则对其进行解析，最终返回成功或者失败的结果。Combinator是组合器，它是一些用于组合各种Parser的函数。
Parser Combinator的优势与劣势
Parser Combinator的优势是它具有非常高的可读性和灵活性，可读性体现在它对解析对象的语法描述非常的直观，灵活性体现它可以随心所欲的组合。
Parser Combinator的劣势在于它的性能会比专门的解析器(例如使用Flex/Bison生成的解析器)差，易用性和性能难以兼得。
为什么要用Java来实现
第一，我的工作是一个Java程序员；
第二，文本解析或者语法解析的在日常中需求比较多；
第三，大部分的解析工作对性能的要求不会太高，好用且易读的Parser Combinator非常有使用价值；
第四，目前没有找到好用的Parser Combinator的实现。
函数式语言中的Parser Combinator
以haskell中的parsec为例。假设有一个解析格式化之后的时间字符串的需求，格式化之后的时间是这样的：2023-05-01 12:30:30，使用parsec来解析这个时间字符串的代码可以这样写:
-- 定义解析的目标数据结构
data Time = Time
{ year :: Int
, month :: Int
, day :: Int
, hour :: Int
, minute :: Int
, second :: int
}
-- 解析整数的解析器
anyInt :: Parser Int
anyInt = read <$> many1 (satisfy isDigit)
-- 目标解析器，通过组合anyInt 和 char函数实现
timeParser :: Parser Time
timeParser = Time <$> anyInt << char '-'
<*> anyInt << char '-'
<*> anyInt << char ' '
<*> anyInt << char ':'
<*> anyInt << char ':'
<*> anyInt即使没学过haskell的人也可以体会到使用Parser Combinator带来的那种直观感。再举个解析解析一行csv数据的例子：
csvLineParser :: Parser [String] csvLineParser = many (satisfy (/= ',')) `sepBy` (symbol ',')
我们简单的认为csv行就是一个按逗号分隔的字符串。
使用Java实现之后的效果
同样是上面两个例子
// timeParser
Parser intParser = NumberParser.anyIntStr();
Parser timeParser = intParser.chain(() -> TextParsers.one('-').ignore()) //year
.chain(() -> intParser).chain(() -> TextParsers.one('-').ignore()) //month
.chain(() -> intParser).chain(() -> TextParsers.one(' ').ignore()) //day
.chain(() -> intParser).chain(() -> TextParsers.one(':').ignore()) //hour
.chain(() -> intParser).chain(() -> TextParsers.one(':').ignore()) //minute
.chain(() -> intParser); //second
Result result = timeParser.runParser(new Buffer("2023-05-01 12:30:30".getBytes()));
assert result.<Integer>get(0) = 2023
assert result.<Integer>get(1) = 5
assert result.<Integer>get(2) = 1
assert result.<Integer>get(3) = 12
assert result.<Integer>get(4) = 30
assert result.<Integer>get(5) = 30
//csvLineParser
Parser csvLineParser = TextParser.satisfy(Character::isLetterOrDigit).some()
.map(Mapper.toStr())
.sepBy(TextParsers.one(',');其中
- chain方法用于连接另一个Parser
- map方法用于将解析的结果收集目标结构
- some方法是一个组合函数，意思是重复当前Parser 1次或无限次，类似于正则表达式中的+
- sepBy方法是一个组合函数，意思是使用其参数中的Parser作为分隔符
设计
Parser
Parser由四个部分组成：
- runParser函数：Parser的核心函数，它解析输入并返回解析结果
- isIgnore：标识此Parser的结果是否需要忽略，例如解析时间字符串时的横杠(-)和冒号(:)是不需要出现在结果里面的。
- map：将Parser的结果转换成目标数据结构
- Combinators：各种用于组合的函数,例如(chain, some, many,sepBy, repeat...)
Result
Result用于表示Parser解析的结果，其中包含两个主要组成部分：
- 一个表示解析成功的List：由于解析器是可以组合的，所以Result是各个小解析器的结果的组合，需要用List来存储
- 一个表示失败的错误信息：用一个字符串就可以了
IBuffer
用于表示输入的数据，其内部维护的是一个byte[]和表示解析位置的下标，另外还有一些用于操作下标的方法。
基础解析器
- TextParsers：用于解析文本数据
- NumberParsers：用于解析数字
- ByteParsers：用于解析字节流
实现
Parser
public abstract class Parser {
//是否需要忽略解析结果
protected boolean ignore = false;
//判断此解析器的结果是否需要忽略
public boolean isIgnore() {
return this.ignore;
}
//设置此解析器的结果需要忽略
public Parser ignore() {
this.ignore = true;
return this;
}
//解析器的执行函数，内部执行parser
public Result runParser(IBuffer buffer) {
Result result = parse(buffer);
if (result.isError()) {
return result;
}
if (isIgnore()) {
result.clear();
return result;
}
return result;
}
//抽象方法，具体的解析逻辑
public abstract Result parse(IBuffer buffer);
...
}Result
public class Result {
//结果列表
private List result;
//错误信息
String errorMsg;
//解析消耗的输入的长度
int length;
//解析的位置，相对于整个输入来说
int pos;
}IBuffer
public interface IBuffer {
//回溯
void backward(int n);
//前进，消耗输入
void forward(int n);
//读取输入，但不设置position
byte[] headN(int n);
... //其他的辅助方法
}基础解析器
ByteParsers
public class ByteParsers {
//解析一个满足条件的字符
public static Parser satisfy(Predicate<Byte> predicate) {
return new Parser() {
@Override
public Result parse(IBuffer buffer) {
Optional<Byte> b = buffer.head();
if (b.isEmpty() || !predicate.test(b.get())) {
return Result.builder()
.pos(buffer.getPos())
.errorMsg(ErrorUtil.error(buffer))
.build();
}
buffer.forward(1);
return Result.builder()
.result(List.of(b))
.length(1)
.build();
}
};
}
//解析指定的字节数组
public static Parser bytes(byte[] data, String desc) {
return new Parser() {
@Override
public Result parse(IBuffer buffer) {
byte[] bs = buffer.headN(data.length);
if (!Arrays.equals(data, bs)) {
return Result.builder()
.pos(buffer.getPos())
.errorMsg(ErrorUtil.error(buffer))
.build();
}
buffer.forward(bs.length);
return Result.builder()
.length(data.length)
.result(List.of(data))
.build();
}
};
}
//解析一个指定字节
public static Parser one(byte b) {
return satisfy(a -> a == b);
}
//读取n个字节
public static Parser take(int n) {
...
}
//路过n个字节
public static Parser skip(int n) {
...
}
...
}TextParsers
public class TextParsers {
//解析一个满足条件的，特别编码的字符
public static Parser satisfy(Predicate<Character> predicate, Charset charset) {
return new Parser() {
@Override
public Result parse(IBuffer buffer) {
byte[] bytes = buffer.headN(4);
Optional<Character> ch = CharUtil.read(bytes, charset);
if (ch.isPresent() && predicate.test(ch.get())) {
int len = String.valueOf(ch.get()).getBytes(charset).length;
buffer.forward(len);
return Result.builder()
.result(List.of(ch.get()))
.length(len)
.build();
}
return Result.builder()
.pos(buffer.getPos())
.errorMsg(ErrorUtil.error(buffer))
.build();
}
};
}
//使用默认编码UTF-8
public static Parser satisfy(Predicate<Character> predicate) {
return satisfy(predicate, StandardCharsets.UTF_8);
}
//解析一个特定编码的特定字符
public static Parser one(char ch, Charset charset) {
...
}
... //其他的各种基础解析器
}NumberParser
public class NumberParsers {
//解析一个字符串表示的指定整数
public static Parser intStr(int a) {
}
//解析一个字符表示的任意整数
public static Parser anyIntStr() {
}
//解析一个小端序编码的整数
public static Parser intLE(int a) {
}
//解析一个大端序编码的整数
public static Parser intBE(int a) {
}
... //其他的解析器
}Combinators
public abstract class Parser{
...
//重复0到无限次
public Parser many() {
....
}
//连接另一个Parser，先执行当前解析器，再执行被连接的解析器
//如果当前解析器失败则直接失败，被连接的解析器不一定会用到
//所以使用Supplier来模拟惰性求值
public Parser chain(Supplier<Parser> parser) {
...
}
//如果当前解析器失败，则尝试使用另一个解析器
public Parser or(Supplier<Parser> parser) {
...
}
//使用一个函数将解析结果转换成任意数据结构
public Parser map(Function<List, ?> mapper) {
...
}
//重复当前解析器n次
public Parser repeat(int n) {
...
}
//添加了停止条件的many
//当遇到参数中指定的Parser可以解析的内容时就停止重复操作
public Parser manyTill(Parser parser) {
...
}
//去掉前后的空格
public Parser trim(boolean includeNewline) {
...
}
... //其他的组合函数
}使用Parser Combinator
通常使用Parser Combinator需要完成几个步骤:
- 定义目标数据结构
- 分析语法
- 使用Parser Combinator描述语法
下面我们来用它分别实现csv,json,xml和正则表达式(Regex)
json解析器
语法描述：
使用EBNF描述JSON的语法如下:
J = E
E = O | A | S | N | B | Null
O = '{' [ (S ':' E) { ',' (S ':' E) } ] '}'
A = '[' [ E { ',' E } ] ']'
S = "string"
N = "number"
B = "true" | "false"
Null = "null"json由六种类型组成，分别是Object, Array, String, Number, null, bule
数据结构
根据json的语法可以定义以下几个class用于表示json：JsonValue, JsonObject, JsonMember, JsonArray, JsonType。其中JsonValue：
public class JsonValue {
/**
* type of json value
*/
JsonType type;
/**
* value
*/
Object value;
}使用Parser Combinator描述Json
...
public static Parser jsonParser() {
return stringParser()
.or(() -> objectParser().trim(true))
.or(() -> arrayParser().trim(true))
.or(() -> nullParser().trim(true))
.or(() -> boolParser().trim(true))
.or(() -> numberParser().trim(true))
.trim(true);
}
//stringParser
...
//objectParser
...
//nullParser
...
//boolParser
...
//numberParser
...CSV解析器、XML解析器
类似于json，详见源码
正则表达式(Regex)
正则表达式是另一种解析的技术，它和确定性有限自动机(DFA)是等价的。理论上正则可以做的事情，Parser Combinator也能做，而且Parser Combinator更灵活与强大一些。我们这里要实现的实际上是一个转换器，将一个正则表达式转换成由Parser Combinator表示的解析器。
语法表示
R = E ;
E = T { "|" T } ;
T = F { F } ;
F = A [ Q ] ;
A = C | "." | "(" E ")" | "[" [ "^" ] CC "]" ;
C = <non-meta character> | "\\" <any character> ;
Q = "*" | "+" | "?" | "{" N [ "," [ N ] ] "}" ;
CC = { CR } ;
CR = <non-hyphen character> | <non-hyphen character> "-" <non-hyphen character> ;
N = <non-zero sequence of digits> ;数据结构
定义RParser类，用于描述Regex表示中每一个部分对应的解析器
public class RParser {
private ParserType type;
private int quoteId;
private int groupId;
private Parser parser;
private Function<Parser, Parser> func;
public RParser apply(Function<Parser, Parser> func) {
if (this.parser != null) {
this.parser = func.apply(this.parser);
}
this.func = func;
return this;
}
public enum ParserType {
PARSER,
QUOTE,
GROUP;
}
}RParser中有一个ParserType类型用于表示它是一人普通的Parser、一个分组(Group)或者是一个引用(Quote)。同时对应不同的ParserType还有一些额外的数据：分组编号，引用编号，对应的Parser，一个表示正则中重复的函数(Function<Parser, Parser>)
使用Parser Combinator描述Regex
public Parser parser() {
return Parser.choose(
() -> many(), // *号重复
() -> some(), // +号重复
() -> range(), //{m,n}重复
() -> repeat(),//{n}重复
() -> optional(), //?可有可无
() -> validToken() //普通合法的token
).many().map(s -> {
return RParser.builder().parser(chainParsers(s))
.type(RParser.ParserType.PARSER)
.build();
});
}其中的第一个子解析器的结果都是的RParser的对象，再使用chainParsers方法来将它们连接起来。
关于回溯
之前实现的Combinator组合都是非回溯的，但正则表达式是需要回溯的，例如
使用".*abc"来匹配"xxxabc"是可以成功的
*但是，TextParser.any().many().chain(() -> TextParsers.string("abc"))来解析"xxxabc"却会失败。原因是TextParser.any().many()会消耗掉所有的输入，后面的 TextParsers.string("abc")就没有输入了。 因此，我们要限制第一个Parser让它不要消耗所有的输入。
我使用循环切分Buffer的方式来限制第一个解析器，具体来说，我会将当前的Buffer从位置i(i >= 0 && i <= length)把它切成两个(left, right)，将left给到第一个解析器，将right给到第二个解析器，同时添加一个参数(greedy)来表示是否需要找到最优(最长)匹配结果或者直接在第一个匹配结果的时候退出循环并返回成功。具体的回溯实现参见BacktraceParser中
关于分组与引用的实现
分组：使用一个AopParser类来给Parser的parser函数添加装饰，在解析前使用全局自增id生成分组编号。在解析后缓存解析结果(以便后续引用的时候使用)
引用：使用编号查询对应分组所缓存的解析结果，动态生成解析器
性能测试
目前的性能与经过优化的专业的解析器相关非常大，使用Parser Combinator实现的json解析器比fastjson要慢100倍的样子。对于性能要求高的场景，还是建议使用专门的解析器，或者使用Flex/Bison来生成解析器
完整的项目地址：https://github.com/janlely/jparser
---性能测试更新----
用Haskell的Z.Data.Parser也写了一个json parser，和fastjson对比了一下，比fastjson稍快一些。看来还是java不适合函数式编程，并不是Parser Combinator这个模式的问题。
import Z.Data.Parser
( anyCharUTF8, char8, parse', satisfy, text, Parser )
import Text.Printf (printf)
import Control.Applicative.Combinators ( some, (<|>), many, sepBy )
import Data.Functor (($>))
import Z.Data.CBytes (unpack)
import Z.Data.ASCII (w2c)
import Z.Data.Vector.Base (packASCII, elem)
import Prelude hiding (elem)
import Control.Monad (replicateM_)
data JsonMember = JsonMember String JsonValue deriving (Show)
data JsonValue = JsonString String
| JsonNull
| JsonNumber Double
| JsonObject [JsonMember]
| JsonArray [JsonValue] deriving (Show)
jsonParser :: Parser JsonValue
jsonParser = JsonString <$> stringParser <|> nullParser <|> numberParser <|> objectParser <|> arrayParser
nullParser :: Parser JsonValue
nullParser = text "null" $> JsonNull
stringParser :: Parser String
stringParser = char8 '"' *> contentParser <* char8 '"'
where charParser = do
ch <- anyCharUTF8
if ch == '\\' || ch == '"'
then fail $ printf "unexpect char %c" ch
else pure ch
escapeParser = char8 '\\' *> char8' '"' <|> char8 '\\' *> char8' '\\'
contentParser = some (charParser <|> escapeParser)
char8' c = char8 c $> c
memberParser :: Parser JsonMember
memberParser = JsonMember <$> stringParser <* char8 ':'
<*> jsonParser
arrayParser :: Parser JsonValue
arrayParser = JsonArray <$> (char8 '[' *> jsonParser `sepBy` char8 ',' <* char8 ']')
objectParser ::Parser JsonValue
objectParser = JsonObject <$> (char8 '{' *> memberParser `sepBy` char8 ',' <* char8 '}')
numberParser :: Parser JsonValue
numberParser = JsonNumber . read <$> some validChar
where validChar = w2c <$> satisfy (`elem` packASCII ".-0123456789e")---5月22日更新----
最近在研究如何进行性能优化时发现，性能不好的主要原因是当目标对象的语法中含有递归时，由于不得不使用Supplier来防止暴栈，导致了每次调用Supplier::get方法的额外性能开销。例如json和语法中，json包含array，同时array也包含json，因此JsonParser中不得不使用Supplier。由于haskell中不存在这个问题，因此使用haskell实现在的json parser的性能就很好。
关于如何选择解析器的一点建议：
1、当需目标语法中有递归，同时对性能要求比较高的场景，建议使用ANTLR
2、对性能要求不高场景，可以使用jparser，因为它使用起来比ANTLR要简单的多。
一个使用jparser实现计算器的例子:
语法: 注意要避免左递归
<expr> ::= <term> | <term> "+" <expr> | <term> "-" <expr>
<term> ::= <factor> | <factor> "*" <term> | <factor> "/" <term>
<factor> ::= <number> | "(" <expr> ")"
<number> ::= <digit> | <digit> <number>
<digit> ::= "0" | "1" | "2" | ... | "9"实现：
public class Calculator {
@Test
public void testCalc() {
Result result = expr().parse(Buffer.builder().data("(1+2)*3-(4*2)".getBytes()).build());
assert result.<Double>get(0).compareTo(1.0) == 0;
result = expr().parse(Buffer.builder().data("1+2*3-(4*2)".getBytes()).build());
assert result.<Double>get(0).compareTo(-1.0) == 0;
}
public Parser expr() {
return Parser.choose(
() -> term().chain(TextParsers.one('+').ignore())
.chain(() -> expr()).map(s -> (double)s.get(0) + (double)s.get(1)),
() -> term().chain(TextParsers.one('-').ignore())
.chain(() -> expr()).map(s -> (double)s.get(0) - (double)s.get(1)),
() -> term()
);
}
public Parser term() {
return Parser.choose(
() -> factor().chain(TextParsers.one('*').trim(false).ignore())
.chain(() -> term()).map(s -> (double)s.get(0) * (double)s.get(1)),
() -> factor().chain(TextParsers.one('/').trim(false).ignore())
.chain(() -> term()).map(s -> (double)s.get(0) / (double)s.get(1)),
() -> factor()
);
}
public Parser factor() {
return Parser.choose(
TextParsers.one('(').ignore()
.chain(() -> expr())
.chain(TextParsers.one(')').ignore()),
number()
);
}
public Parser number() {
return NumberParsers.anyDoubleStr();
}
}以上就是从零开始Java实现Parser Combinator的详细内容，更多关于Java实现Parser Combinator的资料请关注脚本之家其它相关文章！