动态模糊逻辑程序设计语言编译器的实现.pdf

May2023Journalof JilirntormaScienceEditionniver1Or2023年5 月No.3Vol.41吉林大学学报（信息科学版）第3期第41卷文章编号：16 7 1-5 8 9 6（2 0 2 3)0 3-0 5 0 3-0 9动态模糊逻辑程序设计语言编译器的实现赵小芳，窦全胜，姜云霄（1.山东工商学院计算机科学与技术学院，山东烟台2 6 40 0 5；2.中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司信息中心，吉林松原138 0 0 0）摘要：动态模糊逻辑程序设计语言的独特优势在于可以处理动态模糊数据，但现存的编译器很难有效解析动态模糊数据。针对此问题，通过扩展监督命令程序结构，引人对动态模糊性的形式化描述，设计一种新型的动态模糊逻辑程序设计语言编译器。通过实例验证，该编译器能正确解析动态模糊数据，降低了动态模糊逻辑程序调试难度，提高了动态模糊逻辑程序开发效率。关键词：编译器；动态模糊逻辑程序设计语言；动态模糊算子；词法分析器；语法分析器中图分类号：TP314文献标志码：AImplementation of Dynamic Fuzzy Logic Programming Language CompilerZHAO Xiaofang,DOU Quansheng,JIANG Yunxiao2(1.School of Computer Science and Technology,Shandong Technology and Business University,Yantai 264005,China;2.Jilin Oilfield Company,Petro China Company Limited,Songyuan 138000,China)Abstract:The unique advantage of dynamic fuzzy logic programming language is that it can process dynamicfuzzy data,but the existing compilers are difficult to effectively parse dynamic fuzzy data.To solve thisproblem,a new dynamic fuzzy logic programming language compiler is designed by extending the structure ofsupervised command program and introducing the formal description of dynamic fuzziness.The exampleshows that the compiler can correctly parse dynamic fuzzy data.Furthermore,it can reduce the difficulty ofdynamic fuzzy logic program debugging and improve the efficiency of dynamic fuzzy logic programdevelopment.Key words:compiler;dynamic fuzzy logic programming language;dynamic fuzzy operator;lexical analyzer;syntax analyzer0引言动态模糊逻辑程序设计语言（DFL：D y n a mi c Fu z z y Lo g i c Pr o g r a mmi n g La n g u a g e）是一种旨在处理动态模糊数据的程序设计语言，由李凡长最早提出并给出设计框架，赵小芳等2 对DFL程序设计语言的操作语义进行了完整定义与实现，韩小芬等3-5 对DFL程序设计语言的指称语义和代数语义进行定义与实现，近年来李凡长研究团队已实现了该语言的完整定义并应用于动态模糊数据的编程处理6-7。动态模糊数据更接近人类自然语言的描述，可广泛应用于人工智能、机器学习等领域的软件编程，但现有的开发工具不能对DFL程序设计语言源程序直接编译执行，与其相匹配的编译器尚不存在。收稿日期：2 0 2 2-11-2 1基金项目：国家自然科学基金资助项目（6 19 7 6 12 5）作者简介：赵小芳（19 7 8 一），女，山东烟台人，山东工商学院讲师，主要从事人工智能、动态模糊逻辑研究，（Tel)86-13515452536（E-ma i l)z h a o x i a o f a n g s d t b u.e d u.c n；窦全胜（19 7 1-），男，黑龙江大庆人，山东工商学院教授，主要从事大工智能、数据挖掘研究，（Tel)86-13361339529(E-mail)。504第41卷吉林大学学报（信息科学版）早在几十年前，人们就已对用于处理模糊数据的模糊逻辑程序设计语言进行了研究与设计。19 6 9 年Lee等8 给出了模糊语言的概念模型，19 8 0 年Adamol9设计了一种基于模糊逻辑的程序设计语言L.P.L.，19 9 0 年Sosnowskil10)在LISP(LISt Processor)语言的基础上设计可以处理模糊数据的程序设计语言FLISP(Fuzzy LISP），19 9 1年Clark等为专家系统设计了一种模糊推理语言Halo。近年来Pascual等12-14在Prolog 语言的基础上进行扩展，开发设计了模糊逻辑程序设计语言 FASILL（Fu z z y A g g r e g a t o r sand Similarity Into a Logic Language）、BPL（Bo u s i Pr o l o g La n g u a g e）等。但到目前为止，模糊逻辑程序设计语言的使用范围和推广应用程度均不高，其中一个很重要的原因在于没有实现与之匹配的编译器，使用现有的编译器运行模糊逻辑程序设计语言源程序效率低，误编译率高。目前在DFL程序设计语言已经得到完整定义与实现，因此有必要设计与之匹配的编译器，以进一步推动其广泛应用。当前主流编译器主要是针对经典程序设计语言，特定应用领域的软件及编程语言有其特殊的功能1-18 和适用性，但与之匹配的成熟编译器相对较少。刘磊等19 通过扩展C语言提出了一种特定领域的编程语言MISPC（M a t r i x f o r Ima g e a n d Si g n a l Pr o c e s s i n g Ba s e d o n C），并设计了一个面向异构平台的编译框架，提升了特定领域编程的开发效率，降低了程序调试难度；池昊宇等2 0 对基于机器学习的编译器的研究进行了综述，提出结合启发式搜索和机器学习驱动进行迭代编译的思路；徐浩然等2 1从抽象树中提取代码片段，提出基于前馈神经网络的编译器设计方法，降低了编译器误编译率；焦禹铭等2 2 针对专用卷积神经网络设计了端对端的编译器，提高了深度学习编程的编译精度。为此，笔者针对DFL程序设计语言的特点，改良监督命令程序结构，引人动态模糊算子，开发设计一种DFL程序设计语言编译器，实现对DFL源程序高效、准确的编译。1DFL程序设计语言1.1动态模糊数据DFL程序设计语言最大的特点是可以处理动态模糊数据。动态模糊数据是指既具有动态性又具有模糊性的数据。如，“新冠肺炎患者呼吸越来越顺畅，总体情况越来越好”，其中的“越来越”体现了“动态性”，而“顺畅”、“好”体现了模糊性，整个句子就可称作动态模糊数据。为在计算机中描述和存储动态模糊数据，需要引人动态模糊算子DFO（D y n a mi c Fu z z y O p e r a t o r），D FO 使用集合D=O，1,一中的元素表示2，其中模糊度用0,1表示，动态性用,表示。1.2DFL程序设计语言的数据类型DFL程序设计语言的数据类型与常见的基本数据类型一致，也有整型、实型、字符型和布尔型等，分别用关键字DFInt、D FRe a l、D FCh r 和DFBool等表示，但其表示形式和语义与常见的高级编程语言有明显不同。根据动态模糊数据的定义，DFL程序设计语言的数据类型也需引入动态模糊算子DFO，具体表示形式可看成是常见数据类型到DFO的映射。如，动态模糊整型数据DFInt形式表示为（i,i），（a,a)），其中i是经典集合下的整数，d是动态模糊算子，且（a,a）=0,1，。例如，一个年龄45 岁的人，其在“年老 论域下的动态模糊值为（45,0.2），表明45 岁的人年老程度为0.2，且有逐渐变老的趋势。其他DFL程序设计语言数据类型的定义见参考文献1-5 1.3DFL程序设计语言的语法特点DFL程序设计语言语法特点是引人了对动态模糊属性的描述，与动态模糊数据和数据类型相一致，也是通过动态模糊算子DFO加以实现。DFL程序设计语言的语法是通过改良监督命令程序结构引人动态模糊算子，详细语法在文献2-5】中已给出，在这里只给出抽象语法的基本形式：五p：=d e c|s;/p 表示程序，dec表示声明语句集s:=skip/labort/(x,),(a,a)）=e l(s;s)l i f g f i|d o g o d/s 表示语句集e:=（(x,x),(a,a)）l(n,n),(a,a)）l e o p e/e 表示表达式集表1赵小芳，等：动态模糊逻辑程序设计语言编译器的实现第3期505g=bs/（g g）/g 表示监督命令集b：=（t r u e,t r u e），（a,a)）（f a l s e,f a l s e），（a,a）/b BO Pb l e RELe/b 表示布尔表达式集其中（x,)是变量，（,n)是常量，（a,a)是动态模糊算子，op是运算操作符，BOP是逻辑运算符，REL是关系运算符。DFL程序设计语言保留了传统的语句种类，也主要包含赋值、条件和循环语句等，但表示形式上略有调整，如，条件语句调整为：ifgfi，循环语句调整为：dogod。除形式调整外，动态模糊条件语句与动态模糊循环语句的语义也有很大不同，因为动态模糊布尔值不是一个非真即假的确定值，而是（0.0），(,i)之间的动态模糊值，因此，动态模糊条件语句具体的展开形式为if gl s1 g2 s2.gn-sn fi该展开形式表明，动态模糊条件语句执行结果不是在语句s1，s 2，s n 中选择其一执行，而是多条语句s1,s2，,s n 的并行执行，其结果是所有语句执行结果组成的一个动态模糊子集2 。动态模糊循环语句与动态模糊条件语句执行过程类似。2DFL程序设计语言编译器的结构与实现DFL程序设计语言编译器的主要工作是将DFL程序设计语言编写的程序代码转换成机器能识别的可执行代码，其区别于其他高级语言编译器之处在于可对动态模糊性进行识别并转化成有效的机器码。其工作步骤主要划分为预处理、词法分析、语法分析和目标代码生成等，如图1所示。token语法树DFL源程序预处理词法分析语法分析目标代码取下一个token前端后端图1DFL程序设计语言编译器工作流程Fig.1WorkflowofDFLcompile预处理主要是将DFL程序设计语言源程序中无法直接表示的特殊符号进行替换处理，转换成能编译识别的Unicode码，如动态模糊符号一，一为非ASCII码和非Unicode码，在计算机内部不方便表示，需要通过预处理转换成可识别的符号。词法分析的主要功能是扫描预处理过的源程序，将其分成一个个合法标记token，如标识符、关键字、常量和操作符等。语法分析用于根据事先定义的语法规则对token流进行匹配，验证其是否符合文法结构，并生成抽象语法树。遍历抽象语法树，最终生成可执行的字节码或机器码。这些步骤大体可分成前端和后端两部分，前端用于解析DFL源程序，与源程序密切相关；后端用于生成目标代码，与目标环境和运行平台相关。笔者重点研究DFL程序设计语言编译器的前端部分。编译器的设计一般有两种方式：一种是采用手工方式；另一种是借助自动构造工具。由于手工方式开发周期长、成本高，因此比较常见的做法是通过构造工具辅助设计新型编译器，例如，Antlr、Le x、Ya c c及其衍生工具Flex、Bi s o n、O c a ml l e x 和Ocamlyacc等。由于DFL程序设计语言词法语法表达更接近于LALR(1)文法而非LL(k）文法，因此笔者使用LALR（1）文法的开源工具Flex和Bison辅助设计DFL程序设计语言编译器。2.1DFL程序设计语言词法分析器用于完成词法分析任务的程序称为词法分析程序或词法分析器，笔者借助自动生成工具Flex设计DFL程序设计语言的词法分析器。Flex构造词法分析器的基本思路是先定义程序语言的正则表达式规则，根据定义的正则表达式规则对标识符、关键字等程序设计语言的保留字符集进行分解匹配（2 3。下面定义DFL程序设计语言的正则表达式，即可自动对输入的DFL程序设计语言的源程序进行词法分析。2.1.1DFL程序设计语言保留字符集根据上述的DFL程序设计语言的数据类型、语法特点等，DFL程序设计语言的保留字符集定义如所示。506第41卷吉林大学学报（信息科学版）表1DFL程序设计语言保留字符集Tab.1Reserved character set of DFL programming language类型保留字符数据类型DFInt、D FRe a l、D FCh a r、D FBo o l 等操作符、+、一、*、%、！、&、=、=、pushback($2)/lifg fi 1$=NIfStatement($2);1I dogod$=NDostatement($2);；g:bsi$=NCondiStatement(*$1,*$3);Igg($1-pushback($3);1；b:DFBOOL_NUM$=NDFBool($1);I bBOPb$=NBinaryOperator(*$1,$2,*$3);le REL el$=NBinaryOperator(*$1,$2,*$3);；e:idei$=$l;1Inum/$=$1;)le op e1$=NBinaryOperator(*$1,*$2,*$3);f；其他省略%其中定义段中，通过%token声明了DFL程序设计语言所使用的终结符，%type声明了所使用的非终结符；规则段中定义了DFL程序设计语言的语法规则及其所对应的执行动作，执行动作由“1”中的C或C+代码。y文件的其他使用格式可参看文献2 3。y文件需要.1文件的协同合作，最终才能生成语法树，其逻辑关系如图1所示。.1文件作为词法分析程序每匹配成功一个正则表达式，就会执行其后的C代码。C代码会返回一个记号给.y程序，y程序使用一个堆栈存放这些记号。y程序作为语法分析程序，对多个记号每匹配成功一条语法规则，就会执行该条语法规则之后的动作，此动作主要是用于建立语法树节点的。.1文件与.y文件相互配合，经过多次匹配直到文件尾时最终形成一棵语法树。3实例测试笔者在Windows环境下安装了MinGW，使用DFL程序设计语言编译器，通过运行具体实例代码观察DFL程序设计语言编译器的编译能力。表2、表3是一组体温监测数据，表2 是使用经典集合数据的表示，表3是引人动态模糊度的表示，显然表3看起来更清晰形象。下面编写DFL程序对属性2 实现动态模糊数据的表示和计算，并进行编译测试。表2经典集合数据表示表3引入动态模糊度表示Tab.2Classical set data representationTab.3Introducing dynamic ambiguity representation编号属性1属性2编号属性1属性2动态模糊度01HOU38.701HOU38.70.5602JI36.502JI36.5(0.0)03LU36.303LU36.3(0.0)04LI35.504LI35.50.12505XU36.205XU36.2(0.0)DOaoupiex,c编是赵小芳，全动态模糊逻辑程序设计语言编译器的实现第3期5091）D FL程序语句编译。对示例1、2、3，定义动态模糊变量表示：DFReal可=（38.7,0.56），=（36.5,0.0），（，3）。对该条动态模糊声明语句进行编译，首先需要对源程序语句进行预处理，其结果为DFReal(xl，,+）=（38.7,0.56,+),(x2，-）=（36.5,0.0,-)，（x 3,+-)。然后DFL程序设计语言编译器通过词法和语法分析，最终生成抽象语法树，编译输出结果如图2所示。为了更清晰地看出栈在各个时刻的状态，在编译时打开debug模式。由于输出内容较多，这里只截取了一部分输出结果。从图2 可看出，所定义的DFL程序设计语言编译器能正确识别出关键字DFReal，标识符（xl，+）、（x 2，-）、（x 3，+-），运算符“=”，动态模糊实型数据（38.7,0.56，+）、（36.5,0.0，-），通过语法规则匹配能识别出它们的组合分别是两条合法的初始化语句和一条声明语句，并最终生成了一棵抽象语法树。其中$表示父节点，$1表示子节点。E:DFLdfl_scannerStacknow 0StartingparseEntering state 13EnteringstateoReading a token:Next token is tokenDFIDENTIFIEROReading a token:DFReal(x1,+)=(38.7,0.56,+),Shifting tokenDFIDENTIFIERO(x2,-)=(36.5,0.0,-),(x3,+-):Enteringstate21Nexttoken istokenDFREALOReadinga token:Nexttoken is token DFEQUALOShiftingtokenDFREALOShifingtokenDFEQUALOEnteringstate2Enteringstatei7Reducing stackby.rule10(line51):Reading a token:Next token is token DFREAL_NUM()SI=tokenDFREALQShiftingtokenDFREAL_NUMOGet the Keyword DFREAL-$S=nterm type_dec O图2编译语句Fig.2Compiling DFL statements2）包含语法错误的DFL程序语句编译编译如下两条DFL程序语句：DFReal(x4,-),(3x,+);DFLint(nl,+)=(63,0.75,-);显然第1条语句中“（3x，+）”是不合法的标识符，第2 条语句中关键字“DFLint拼写有误。图3译输出结果，从图3可看出，两条语句均能识别出其中存在语法错误，最终无法生成抽象语法树。E:DFLdfl_scannerE:DFLdflscannerDFReal(x4,-),(3x,+)DFLint(nl,+)=(63,0.75,-):Get the Keyword DFREAL Get an Identifier:(x4,-)Identifier StatementGet a DFInt number:(63,0.75,-)编译出错！syntax errorGet a DFIdentifier:(nl,+)=编译出错！syntax erro图3编译有语法错误的语句Fig.3Compiling DFL statements with syntax errors3）D FL源程序编译。源程厅编伴。对表2 使用DFL程序设计语言编写程序，进行属性2 的动态模糊度计算，代码如下：DFLexample对表2 使用DFL程序设计语言编写程序，进行属性2 的动态模糊度计算，代码如下：DFLexample(DFReal(a,a);IFx37c=(x-37)/(41-37);(a,a)=c;x36c=(36-x)/(36-32);(a,a)=c;(a,a)=(0,0);FIOD使用笔者设计的编译器编译上述源程序，运行结果如图4所示。510第41卷吉林大学学报（信息科学版）Get the Keyword DFREAL.Get an Identifier:(d,+-).Identifier StatementGet the Keyword DOUBLE.Get an Identifier:x.Identifier StatementGet an Identifier:c.Identifier StatementGet the Keyword DO.DO StatementGet theKeyword IF.IF StatementGet an Identifier:x.Get a Relation Operator:.Get an INT Number:37.Relational expressionGet the DFDEDUCEOperator:Get an Identifier:c.Get the DFEQUA Operator:=.Get an expression.Assignment StatementGet an Identifier(d,+-)=Get an identifier(c,+-).Assignment StatementGet the DFLIMITSELECOperator:Get an Identifier:x.Get a Relation Operator:.Get an INT Number:36.Relational expressionGet theDFDEDUCEOperator:-Get an Identifier:c.Get the DFEQUA Operator:=.Get an expression.Assignment StatementGet an Identifier(d,+-)=Get an Identifier(c,+-).Assignment StatementGet theDFLIMITSELECOperator:Get an Identifier(d,+-)=(0,+-).Assignment StatementGet the Keyword Fl.end of if statementGet the Keyword OD.end of do statement图4程序DFLexample编译输出结果Fig.4Output of compiling DFLexample从图4编译结果可看出，编译器能对DFL程序设计语言源程序进行分析，正确识别出合法的标记序列，并能按照规定的语法规则对标记序列进行语法分析，生成语法分析树。尤其是对一些特殊运算符，如、口等，能识别并解析出其特殊的语法规则。4 结语为了能直接编译、运行动态模糊数据，笔者设计了一种新型的DFL程序设计语言编译器，它的实现可以推动DFL程序设计语言从理论应用于实际。笔者通过编写词法分析器和语法分析器，能对动态模糊逻辑程序设计语言源程序进行语法检查，并识别出语法错误，实现了该编译器的前端部分。未来还将进一步对DFL程序设计语言编译器进行优化，提高源程序的编译效率，更好地实现编译器的后端部分。参考文献：【1李凡长.动态模糊集及其应用【M昆明：云南科技出版社，1997：16 2-16 6.LI F Z.Dynamic Fuzzy Sets and Its Applications M.Kunming:Yunnan Science Press,1977:162-166.2 赵小芳动态模糊逻辑程序设计语言的操作语义模型及验证D苏州：苏州大学计算机学院，2 0 0 6.ZHAO X F.Research and Verification on the Operational Semantics Model of DFL Programming Language DJ.Suzhou:School of Computer Science&Technology,Soochow University,2006.【3】韩小芬，李凡长，动态模糊逻辑程序设计语言的指称语义J计算机科学，2 0 0 9，36（1）：153-157.HAN X F,LI F Z.Denotational Semantics of Dynamic Fuzzy Logic Programming Language J.Computer 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