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可爱的 Python

使用 SimpleParse 模块进行解析

一种简明易读的 EBNF 样式的封装器

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与大多数程序员一样,我经常需要标识存在于文本文档中的部件和结构,这些文档包括:日志文件、配置文件、分隔的数据以及格式更自由的(但还是半结构化的)报表格式。所有这些文档都拥有它们自己的“小语言”,用于规定什么能够出现在文档内。

我编写处理这些非正式解析任务的程序的方法总是有点象大杂烩,其中包括定制状态机、正则表达式以及上下文驱动的字符串测试。这些程序中的模式大概总是这样:“读一些文本,弄清是否可以用它来做些什么,然后可能再多读一些文本,一直尝试下去。”

各种形式的解析器将文档中部件和结构的描述提炼成简明、清晰和 说明性的规则,该规则规定了如何标识文档的组成部分。这里,说明性方面是最引人注目的。我所有的旧的特别的解析器都采用了这种风格:读一些字符、作决定、累加一些变量、清空、重复。正如本专栏关于函数型编程的部分文章中所评述的,程序流的方法风格相对来说容易出错并且难以维护。

正式解析器几乎总是使用扩展巴科斯范式(Extended Backus-Naur Form(EBNF))上的变体来描述它们所描述语言的“语法”。我们在这里研究的工具是这样做的,流行的编译器开发工具 YACC(及其变体)也是这样做的。基本上,EBNF 语法对您可能在文档中找到的 部件赋予名称;另外,经常将较小的部件组成较大的部件。由运算符 ― 通常和您在正则表达式中看到的符号相同 ― 来指定小部件在较大的部件中出现的频率和顺序。在解析器交谈(parser-talk)中,语法中每个命名的部件称为一个“产品(production)”。

可能读者甚至还不知道 EBNF,却已经看到过运行的 EBNF 描述了。例如,大家熟悉的 Python 语言参考大全(Python Language Reference)定义了浮点数在 Python 中是什么样子:

EBNF 样式的浮点数描述
floatnumber:    pointfloat | exponentfloat
pointfloat:     [intpart] fraction | intpart "."
exponentfloat:  (nonzerodigit digit* | pointfloat) exponent
intpart:        nonzerodigit digit* | "0"
fraction:       "." digit+
exponent:       ("e"|"E") ["+"|"-"] digit+

或者您可能见过以 EBNF 样式定义的 XML DTD 元素。例如,developerWorks 教程的 <body> 类似于:

developerWorks DTD 中 EBNF 样式的描述
<!ELEMENT body  ((example-column | image-column)?, text-column) >

拼写稍有不同,但是量化、交替和定序这些一般概念都存在于所有 EBNF 样式的语言语法中。

使用 SimpleParse 构建标记列表

SimpleParse 是一个有趣的工具。要使用这个模块,您需要底层模块 mxTextTools ,它用 C 实现了一个“标记引擎”。 mxTextTools (请参阅本文后面的 参考资料)的功能强大,但是相当难用。一旦在 mxTextTools 上放置了 SimpleParse 后,工作就简单多了。

使用 SimpleParse 确实很简单,因为不需要考虑 mxTextTools 的大部分复杂性。首先,应该创建一种 EBNF 样式的语法,用来描述要处理的语言。第二步是调用 mxTextTools 来创建一个 标记列表,当语法应用于文档时,该列表描述所有成功的产品。最后,使用 mxTextTools 返回的标记列表来进行实际操作。

对于本文,我们要解析的“语言”是“智能 ASCII”所使用的一组标记代码,这些代码用来表示诸如黑体、模块名以及书籍标题之类的内容。这就是先前使用 mxTextTools 来标识的同一种语言,在先前的部分中,使用正则表达式和状态机。该语言比完整的编程语言简单得多,但已经足够复杂而有代表性。

这里,我们可能需要回顾一下。 mxTextTools 提供给我们的“标记列表”是什么东西?这基本上是一个嵌套结构,它只是给出了每个产品在源文本中匹配的字符偏移量。 mxTextTools 快速遍历源文本,但是它不对源文本本身 任何操作(至少当使用 SimpleParse 语法时不进行任何操作)。让我们研究一个简化的标记列表:

从 SimpleParse 语法生成的标记列表
(1,
 [('plain',
   0,
   15,
   [('word', 0, 4, [('alphanums', 0, 4, [])]),
    ('whitespace', 4, 5, []),
    ('word', 5, 10, [('alphanums', 5, 10, [])]),
    ('whitespace', 10, 11, []),
    ('word', 11, 14, [('alphanums', 11, 14, [])]),
    ('whitespace', 14, 15, [])]),
  ('markup',
   15,
   27,
 ...
 289)

中间的省略号表示了一批更多的匹配。但是我们看到的部分叙述了下列内容。根产品(“para”)取得成功并结束于偏移量 289 处(源文本的长度)。子产品“plain”的偏移量为 0 到 15。“plain”子产品本身由更小的产品组成。在“plain”产品之后,“markup”产品的偏移量为 15 到 27。这里省略了详细信息,但是第一个“markup”由组件组成,并且源文本中稍后还有另外的产品取得成功。

“智能 ASCII”的 EBNF 样式的语法

我们已经浏览了 SimpleParse + mxTextTools 所能提供的标记列表。但是我们确实需要研究用来生成这个标记列表的语法。实际工作在语法中发生。EBNF 语法读起来几乎不需加以说明(尽管 确实需要一点思考和测试来设计一个语法):

typographify.def
para           := (plain / markup)+
plain          := (word / whitespace / punctuation)+
whitespace     := [ \t\r\n]+
alphanums      := [a-zA-Z0-9]+
word           := alphanums, (wordpunct, alphanums)*, contraction?
wordpunct      := [-_]
contraction    := "'", ('am'/'clock'/'d'/'ll'/'m'/'re'/'s'/'t'/'ve')
markup         := emph / strong / module / code / title
emph           := '-', plain, '-'
strong         := '*', plain, '*'
module         := '[', plain, ']'
code           := "'", plain, "'"
title          := '_', plain, '_'
punctuation    := (safepunct / mdash)
mdash          := '--'
safepunct      := [!@#$%^&()+=|\{}:;<>,.?/"]

这种语法和您口头描述“智能 ASCII”的方式几乎完全相同,非常清晰。段落由一些纯文本和一些标记文本组成。纯文本由某些字、空白和标点符号的集合组成。标记文本可能是强调文本、着重强调文本或模块名等等。着重强调文本由星号环绕。标记文本就是由诸如此类的部分组成的。需要考虑的是几个特性,类似于到底什么是“字”,或者可以用什么符号结束缩写,但是 EBNF 的句法不会成为障碍。

相比之下,使用正则表达式可以更精练地描述同类规则。“智能 ASCII”标记程序的第一个版本就是这样做的。但是编写这种精练难度大得多,并且以后调整也更为困难。下列代码表示了很大程度上(但不精确地)相同的规则集:

智能 ASCII 的 Python regexs
# [module] names
        
re_mods =   
        r""'([\(\s'/">]|^)\[(.*?)\]([<\s\.\),:;'"?!/-])"""
# *strongly emphasize* words re_strong = r""'([\(\s'/"]|^)\*(.*?)\*([\s\.\),:;'"?!/-])"""
# -emphasize- words re_emph = r""'([\(\s'/"]|^)-(.*?)-([\s\.\),:;'"?!/])"""
# _Book Title_ citations re_title = r""'([\(\s'/"]|^)_(.*?)_([\s\.\),:;'"?!/-])"""
# 'Function()" names re_funcs = r""'([\(\s/"]|^)'(.*?)'([\s\.\),:;"?!/-])"""

如果您发现或发明了该语言的某种经过微小更新的变体,将它和 EBNF 语法一起使用要比和那些正则表达式一起使用简单得多。此外,通常使用 mxTextTools 执行模式操作甚至更快些。

生成和使用标记列表

对于样本程序,我们将实际语法放置在一个单独的文件中。对于大多数用途而言,这种组织比较好,便于使用。通常,更改语法和更改应用程序逻辑是不同种类的任务;这些文件反映了这一点。但是我们对语法所做的全部处理就是将它作为一个字符串传递给 SimpleParse 函数,因此我们大体上可以将它包括到主应用程序中(或者甚至以某种方式动态生成它)。

让我们研究完整的(简化)标记应用程序:

typographify.py
import
         os
        from
         sys 
        import
         stdin, stdout, stderr
        from
         simpleparse 
        import
         generator
        from
         mx.TextTools 
        import
         TextTools
input = stdin.read()
decl = open(
        'typographify.def'
        ).read()
        from
         typo_html 
        import
         codes
parser = generator.buildParser(decl).parserbyname(
        'para'
        )
taglist = TextTools.tag(input, parser)
        for
         tag, beg, end, parts 
        in
         taglist[1]:
    
        if
         tag == 
        'plain'
        :
        stdout.write(input[beg:end])
    
        elif
         tag == 
        'markup'
        :
        markup = parts[0]
        mtag, mbeg, mend = markup[:3]
        start, stop = codes.get(mtag, (
        '<!-- unknown -->'
        ,
        '<!-- / -->'
        ))
        stdout.write(start + input[mbeg+1:mend-1] + stop)
stderr.write(
        'parsed %s chars of %s\n'
         %  (taglist[-1], len(input)))

这就是它所做的。首先读入语法,然后根据语法创建一个 mxTextTools 解析器。接下来,我们将标记表/解析器应用于输入源来创建一个标记列表。最后,我们循环遍历标记列表,并且发出一些新的标记文本。当然,该循环可以对遇到的每个产品做我们所期望的任何其它事情。

由于智能 ASCII 所使用的特殊语法,源文本中的任何内容都可归类于“plain”产品或“markup”产品。因此,对于循环遍历标记列表中的单个级别,它已经足够了(除非我们正好寻找比特定标记产品级别低一级的级别,譬如“title”)。但是格式更自由的语法 ― 譬如出现在大多数编程语言中的语法 ― 可以轻松地在标记列表中向下递归,并在每个级别上寻找产品名称。例如,如果一种语法中允许嵌套标记代码,或许可以使用这种递归风格。您可能会喜欢弄清如何调整语法的练习(提示:请记住允许各产品彼此递归)。

转至输出的特殊标记代码还是存储到另一个文件中了,这是由于组织的原因而非本质原因。在这里我们使用了一个技巧,就是用一个字典作为一个 switch 语句(尽管示例中的 otherwise 情况还是太狭窄了)。这个想法就是:将来我们可能希望创建多种“输出格式”的文件,比如说 HTML、DocBook、LaTeX 或者其它格式。用于示例的特殊标记文件类似于:

typo_html.py
codes = \
{ 
        'emph'
            : (
        '<em>'
        , 
        '</em>'
        ),
  
        'strong'
          : (
        '<strong>'
        , 
        '</strong>'
        ),
  
        'module'
          : (
        '<em><code>'
        , 
        '</code></em>'
        ),
  
        'code'
            : (
        '<code>'
        , 
        '</code>'
        ),
  
        'title'
           : (
        '<cite>'
        , 
        '</cite>'
        ),
}

把这种格式扩展到其它输出格式很简单。

结束语

SimpleParse 为含义模糊的 mxTextTools C 模块的基本功能和速度提供了一种简明的并且十分易读的 EBNF 样式的封装器。此外,即使只是顺便学会的,许多程序员也已经相当熟悉 EBNF 语法了。关于什么更容易理解,我不能提供 证明 ― 这一点因各人的直觉而异 ― 但是我可以根据源代码长度给出量化评估。先前手工开发的 mxTypographify 模块的大小如下:

wc mxTypographify.py
199     776    7041 mxTypographify.py

这 199 行中,相当数量的行是注释。这些行中有 18 行是标记函数所包含的正则表达式版本,包含该标记函数是用于计时比较。但是该程序的功能基本上和上面列出的 typographify.py 的功能相同。相比之下,我们的 SimpleParse 程序,包括其支持文件在内,大小如下:

wc typo*.def typo*.py
19      79     645 typographify.def
20      79     721 typographify.py
 6      25     205 typo_html.py
45     183    1571 total

换句话说,行数大约只有前者的四分之一。这个版本的注释较少,但是那主要是因为 EBNF 语法的自我描述能力很强。我不希望太过强调代码行数 ― 显然,您可以通过最小化或最大化代码长度做手脚。但是通常对程序员的工作进行研究,少数实际经验结论之一是:“千行代码/人月”相当接近于常数,和语言以及库关系不大。当然,依次地,正则表达式版本是 SimpleParse 版本长度的三分之一 ― 但是我认为其表达式的密度使得它极难维护并且更难编写。总而言之,我认为 SimpleParse 是所考虑的方法中最好的。


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ArticleTitle=可爱的 Python: 使用 SimpleParse 模块进行解析
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