[译]BNF 表示法:深入了解 Python 的语法

[译]BNF 表示法:深入了解 Python 的语法

原文:《BNF Notation: Dive Deeper Into Python's Grammar》

https://realpython.com/python-bnf-notation/

在阅读Python文档的时候,你可能已经遇到过BNF(Backus--Naur form)表示法:

下面我们将了解BNF表示法,以及如何使用它来理解Python的语法。

理解BNF表示法

BNF是上下文无关语法的元语法符号。计算机科学家经常使用这种符号来描述编程语言的语法,因为它允许他们编写语言语法的详细描述。

BNF 符号由三个核心部分组成:

  • Terminals(终止符):必须与输入中的特定项完全匹配的字符串 。例:"def", "return, ":"
  • Nonterminals(非终止符):会被替换为具体值的符号。也可称为句法变量(syntactic variables)。例:<letter>, <digit>
  • Rules(规则): 定义terminalsNonterminals的联系。 如:<letter> ::= "a"

通过组合终止符非终止符 ,可以创建出BNF 规则

通过定义一组规则 ,可以构建出一个语言的语法(grammar)。

BNF具有一些变体,如EBNF和ABNF。

BNF规则及其组成部分

BNF规则的格式通常如下:

<symbol> ::= expression

其中

  • <symbol>:符号是一个非终止符变量,通常用<>括起来。
  • ::=: 表示左边的非终止符会被右边的表达式替换。
  • expression:表达式由一系列终止符、非终止符和其它符号组成。

在构建BNF规则时,你可以定义一些符号表示不同含义,例如:

符号 含义
"" 将终止符括起来
<> 表示非终止符
() 表示一组有效选项
+ 指定上一个元素中的一个或多个
* ...零个或多个
? ...零个或一个
| 选择其中一个
[x-z] 字母或数字区间

下面我们尝试自定义一些BNF规则。

一般示例:全名的语法

现在我们尝试定义一个人的全名的语法,一个人的全名包含3部分:
first name, middle name, family name

每个部分之间应该用空格分隔,middle name是可选的。

<full_name> ::= <first_name> " " (<middle_name> " ")? <family_name>

规则的左侧部分是一个非终止符变量,用于标识人员的全名。::= 符号表示 <full_name> 将替换为规则的右侧部分。

规则的右侧部分有几个组成部分。首先是first name,使用<first_name>非终止符定义。

接下来是一个空格。为了定义空格,要使用一个终止符,即" "

接下来,我们有一个可选的middle_name,使用(<middle_name> " ")?定义。

最后,我们有一个家庭名,使用<family_name>定义。

我们还需要定义<first_name>, <middle_name>, <family_name>的规则。

  • 只接受字母
  • 首字母大写,其余小写

我们又引入了大写字母和小写字母两个非终止符,需要进一步定义:

<uppercase_letter> ::= [A-Z]
<lowercase_letter> ::= [a-z]

接着,我们可以定义<first_name>, <middle_name>, <family_name>的规则:

<first_name>       ::= <uppercase_letter> <lowercase_letter>*

您可以按照相同的模式来构建 <middle_name><family_name> 规则。

我们构建完了一个full name的BNF规则。

下面我们在BNF Playground网站中测试这个规则。

与编程相关的示例:标识符

在学习编程语言时,我们很早就会接触到标识符(Identifiers)的概念。

标识符是用来标识变量、函数、类等的名称。

在Python中,标识符的命名规则如下:

  • 第一个字符是字母、下划线。
  • 其余字符可以是字母、下划线或数字。

可以写出相应的BNF规则:

bnf 复制代码
<identifier> ::= <char> (<char> | <digit>)*

其中<char><digit>进一步定义:

bnf 复制代码
<char>       ::= [A-Z] | [a-z] | "_"
<digit>      ::= [0-9]

我们可以在BNF Playground网站中测试这个规则。

Python的BNF变体

Python 使用 BNF 表示法的自定义变体来定义语言的语法。

Python 的 BNF 变体使用以下样式:

符号 含义
name 规则或非终止符的名称
::= 意味着
` `
* 零个或多个
+ 一个或多个
[] 零个或一个,即可选项
() 分组
| 文本字符串
space 仅对分隔令牌有意义

这些符号定义了 Python 的 BNF 变体。与常规 BNF 规则的一个显着区别是Python不使用尖括号( <> )来括起非终端符号。它仅使用非终端标识符或名称。这使得规则更简洁易读。

另外,[]的含义不再是字符集,而是可选项。要定义类似于BNF的[a-z],需要使用"a"..."z"

在Python文档经常会遇到BNF代码片段,有必要学习如何阅读它们。

从 Python 的文档中读取 BNF 规则:示例

pass 和 return 语句

这是Python的pass语句

bnf 复制代码
pass_stmt ::=  "pass"

这里,pass_stmt是一个规则的名称,使用::=指示规则扩展为"pass""pass"是一个终止符,意味着语句本身由单词pass组成。

因此,pass语句只是一个单词

python 复制代码
pass

另一个常见的语句是return语句:

bnf 复制代码
return_stmt ::= "return" [expression_list]

return语句由"return"[expression_list]组成。expression_list是一个非终止符,[]表示它是可选的。

因此你可以这样使用return语句

python 复制代码
def func():
    return

如果你进入expression_list的定义,你会看到

bnf 复制代码
expression_list ::= expression ("," expression)* [","]

又出现了一个非终止符expression,你可以继续查看expression的定义。

通过该定义,你可以了解到return语句可以返回一个或多个(用,隔开)表达式。

python 复制代码
def func():
    return "Hello!", "Pythonista!"

赋值表达式

Python 3.8 引入了赋值表达式:=(称为walrus运算符/象牙运算符)。作用是给变量赋值并返回表达式的值。

bnf 复制代码
assignment_expression ::=  [identifier ":="] expression

规则的右侧先是一个可选的组件,由一个标识符和一个终止符:=组成。然后是一个表达式。

我们可以在python中使用赋值表达式:

python 复制代码
identifier := expression

例如

python 复制代码
>>> (length := len([1, 2, 3]))
3
>>> length
3

条件语句

我们现在进阶到复合语句 了。

if语句的BNF规则如下:

bnf 复制代码
if_stmt ::=  "if" assignment_expression ":" suite
             ("elif" assignment_expression ":" suite)*
             ["else" ":" suite]

首先是终止符if,然后是assignment_expression(上一节已经讨论过)。然后是终止符:, 非终止符suite

安装刚刚读的定义,我们可以写出下面的if语句:

python 复制代码
if assignment_expression:
    suite

继续看定义,我们有了可选的elif:

python 复制代码
if assignment_expression:
    suite
elif assignment_expression:
    suite

最后是可选的else:

python 复制代码
if assignment_expression:
    suite
elif assignment_expression:
    suite
else:
    suite

循环语句

循环是 Python 中另一个常用的复合语句。Python中有两种循环:

  • for循环
  • while循环

for 循环的 BNF 语法如下:

python 复制代码
for_stmt ::=  "for" target_list "in" starred_list ":" suite
              ["else" ":" suite]

于是我们可以写出for语句:

python 复制代码
for target_list in starred_list:
    suite
else:
    suite

例如:

python 复制代码
high = 5

for number in range(high):
    if number > 5:
        break
    print(number)
else:
    print("range covered")

while 循环的 BNF 语法如下:

python 复制代码
while_stmt ::=  "while" assignment_expression ":" suite
                ["else" ":" suite]

可以写出while语句:

python 复制代码
while assignment_expression:
    suite
else:
    suite

读取 Python BNF 的最佳实践

当您阅读文档中的 Python 的 BNF 规则时,您可以遵循一些最佳实践来提高您的理解。以下是一些建议:

  1. 熟悉BNF表示法。可以编写BNF规则并在BNF Playground网站中测试。
  2. 了解Python的BNF变体。
  3. 分解规则。将规则分成多个部分来阅读。
  4. 识别非终止符。非终止符可能需要进一步阅读。
  5. 了解终止符。 查找表示语言中特定元素的终止符,例如关键字、运算符、文本或标识符。这些符号被引号括起来。
  6. 结合实例:研究与您试图理解的 BNF 规则相对应的实际示例。分析 BNF 规则如何应用于这些示例。将规则与实际的 Python 语法进行对比。
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