Happy-GLL: modular, reusable and complete top-down parsers for parameterized nonterminals

Parser generators and parser combinator libraries are the most popular tools for producing parsers. Parser combinators use the host language to provide reusable components in the form of higher-order functions with parsers as parameters. Very few parser generators support this kind of reuse through abstraction and even fewer generate parsers that are as modular and reusable as the parts of the grammar for which they are produced. This paper presents a strategy for generating modular, reusable and complete top-down parsers from syntax descriptions with parameterized nonterminals, based on the FUN-GLL variant of the GLL algorithm. The strategy is discussed and demonstrated as a novel back-end for the Happy parser generator. Happy grammars can contain `parameterized nonterminals' in which parameters abstract over grammar symbols, granting an abstraction mechanism to define reusable grammar operators. However, the existing Happy back-ends do not deliver on the full potential of parameterized nonterminals as parameterized nonterminals cannot be reused across grammars. Moreover, the parser generation process may fail to terminate or may result in exponentially large parsers generated in an exponential amount of time. The GLL back-end presented in this paper implements parameterized nonterminals successfully by generating higher-order functions that resemble parser combinators, inheriting all the advantages of top-down parsing. The back-end is capable of generating parsers for the full class of context-free grammars, generates parsers in linear time and generates parsers that find all derivations of the input string. To our knowledge, the presented GLL back-end makes Happy the first parser generator that combines all these features. This paper describes the translation procedure of the GLL back-end and compares it to the LALR and GLR back-ends of Happy in several experiments.Comment: 15 page

Functional programming, program transformations and compiler construction

Dit proefschrift handelt over het ontwerp van de compilergenerator Elegant. Een compiler generator is een computer programma dat vanuit een speci??catie een compiler kan genereren. Een compiler is een computer programma dat een gestructureerde invoertekst kan vertalen in een uitvoertekst. Een compiler generator is zelf een compiler welke de speci??catie vertaalt in de programmatekst van de gegenereerde compiler. Dit heeft het mogelijk gemaakt om Elegant met zichzelf te genereren. Van een compilergenerator wordt verlangd dat deze een krachtig speci??catie formalisme vertaalt in een eÆci??ent programma, een eis waar Elegant aan voldoet. Een compiler bestaat uit een aantal onderdelen, te weten een scanner, een parser, een attribuutevaluator, een optimalisator en een codegenerator. Deze onderdelen kunnen door het Elegant systeem geneneerd worden, ieder uit een aparte speci??catie, met uitzondering van de parser en attribuutevaluator, welke gezamenlijk worden beschreven in de vorm van een zogenaamde attribuutgrammatica. De scanner wordt gegenereerd met behulp van een scannergenerator en heeft tot taak de invoertekst te splitsen in een rij symbolen. Deze rij symbolen kan vervolgens ontleed worden door een parser. Daarna berekent de attribuutevaluator eigenschappen van de invoertekst in de vorm van zogenaamde attributen. De attributenwaarden vormen een datastructuur. De vorm van deze datastructuur wordt gede??nieerd met behulp van typeringsregels in de Elegant programmeertaal. De optimalisator en codegenerator voeren operaties op deze datastructuur uit welke eveneens beschreven worden in de Elegant programmeertaal. Dit proefschrift beschrijft de invloed die functionele programmeertalen hebben gehad op het ontwerp van Elegant. Functionele talen zijn programmeertalen met als belangrijkste eigenschap dat functies een centrale rol vervullen. Functies kunnen worden samengesteld tot nieuwe functies, ze kunnen worden doorgegeven aan functies en worden opgeleverd als functieresultaat. Daarnaast staan functionele talen niet toe dat de waarde van een variable wordt gewijzigd, het zogenaamde nevene??ect, in tegenstelling tot imperatieve talen die zo'n nevene??ect wel toestaan. Deze laatste beperking maakt het mogelijk om met behulp van algebra??ische regels een functioneel programma te herschrijven in een ander functioneel programma met dezelfde betekenis. Dit herschrijfproces wordt ook wel progammatransformatie genoemd. De invloed van functionele talen op Elegant omvat: ?? Het beschrijven van ontleedalgorithmen als functionele programma's. Traditioneel worden ontleedalgorithmen beschreven met behulp van de theorie van stapelautomaten. In hoofdstuk 3 wordt aangetoond dat deze theorie niet nodig is. Met behulp van programmatransformaties zijn vele uit de literauur bekende ontleedalgorithmen af te leiden en worden ook nieuwe ontleedalgorithmen gevonden. Deze aanpak maakt het bovendien mogelijk om de vele verschillende ontleedalgorithmen met elkaar te combineren. ?? De evaluatie van attributen volgens de regels van een attribuutgrammatica blijkt eveneens goed te kunnen worden beschreven met behulp van functionele talen. Traditioneel bouwt een ontleedalgorithme tijdens het ontleden een zogenaamde ontleedboom op. Deze ontleedboom beschrijft de structuur van de invoertekst. Daarna wordt deze ontleedboom geanalyseerd en worden eigenschappen ervan in de vorm van attributen berekend. In hoofdstuk 4 van het proefschrift wordt aangetoond dat het niet nodig is de ontleedboom te construeren. In plaats daarvan is het mogelijk om tijdens het ontleden functies die attributen kunnen berekenen samen te stellen tot nieuwe functies. Uiteindelijk wordt er zo ??e??en functie geconstrueerd voor een gehele invoertekst. Deze functie wordt vervolgens gebruikt om de attribuutwaarden te berekenen. Voor de uitvoering van deze functie is het noodzakelijk gebruik te maken van zogenaamde "luie evaluatie". Dit is een mechanisme dat attribuutwaarden slechts dan berekent wanneer deze werkelijk noodzakelijk zijn. Dit verklaart de naam Elegant, welke een acroniem is voor "Exploiting Lazy Evaluation for the Grammar Attributes of Non- Terminals". ?? Scanners worden traditioneel gespeci??ceerd met behulp van zogenaamde reguliere expressies. Deze reguliere expressies kunnen worden afgebeeld op een eindige automaat. Met behulp van deze automaat kan de invoertekst worden geanalyseerd en gesplitst in symbolen. In hoofdstuk 5 wordt uiteengezet hoe functionele talen het mogelijk maken om scanneralgorithmen te construeren zonder gebruik te maken van automatentheorie. Door een reguliere expressie af te beelden op een functie en de functies voor de onderdelen van samengestelde reguliere expressies samen te stellen tot nieuwe functies kan een scannerfunctie geconstrueerd worden. Door gebruik te maken van programmatransformaties kan deze scanner deterministisch worden gemaakt en minimaal worden gehouden. ?? Het typeringssysteem van Elegant wordt beschreven in hoodstuk 6 en vormt een combinatie van systemen die in functionele en imperatieve talen worden gevonden. Functionele typeringssystemen omvatten typen welke bestaan uit een aantal varianten. Elk van deze varianten bestaat uit een aantal waarden. Bij een dergelijk typeringssysteem wordt een functie gede??ni??eerd door middel van een aantal deeelfuncties. Elke deelfunctie kan met behulp van zogenaamde patronen beschrijven voor welke van de varianten hij gede??ni??eerd is. Het blijkt dat imperatieve typesystemen welke subtypering mogelijk maken een generalisatie zijn van functionele typesystemen. In deze generalisatie kan een patroon worden opgevat als een subtype en een deelfunctie als een parti??ele functie. Het Elegant typesystemen maakt deze vorm van typering en functiebeschrijving mogelijk. Bij toepassing van een functie wordt de bijbehorende deelfunctie geselecteerd door de patronen te passen met de waarden van de actuele functieargumenten. In dit proefschrift wordt een eÆci??ent algorithme voor dit patroonpassen met behulp van programmatransformaties afgeleid uit de de??nitie van patronen. Het Elegant typeringssystemen bevat ook typen voor de modellering van luie evaluatie. De aanwezigheid van nevene??ekten maakt het mogelijk om drie verschillende luie typen te onderscheiden, welke verschillen in de wijze waarop de waarde van een lui object stabiliseert. ?? In hoofdstuk 7 wordt aangetoond dat de regels uit een attribuutgrammatica ook kunnen worden gebruikt om eigenschappen van een datastructuur te berekenen in plaats van eigenschappen van een invoertekst. Elegant biedt de mogelijkheid om zulke attribuutregels te gebruiken voor dit doel. ?? In hoofdstuk 8 tenslotte worden de Elegant programmeertaal en de eÆci??entie van de Elegant vertaler en door Elegant gegenereerde vertalers ge??evalueerd. Het blijkt dat de imperatieve Elegant programmeertaal dankzij abstractie mechanismen uit functionele talen een zeer rijke en krachtige taal is. Daarnaast zijn zowel Elegant zelf als de door Elegant gegenereerde vertalers van hoge eÆci??entie en blijken geschikt voor het maken van compilers voor professionele toepassingen

The Design & Implementation of an Abstract Semantic Graph for Statement-Level Dynamic Analysis of C++ Applications

In this thesis, we describe our system, Hylian, for statement-level analysis, both static and dynamic, of a C++ application. We begin by extending the GNU gcc parser to generate parse trees in XML format for each of the compilation units in a C++ application. We then provide verification that the generated parse trees are structurally equivalent to the code in the original C++ application. We use the generated parse trees, together with an augmented version of the gcc test suite, to recover a grammar for the C++ dialect that we parse. We use the recovered grammar to generate a schema for further verification of the parse trees and evaluate the coverage provided by our C++ test suite. We then extend the parse tree, for each compilation unit, with semantic information to form an abstract semantic graph, ASG, and then link the ASGs for all of the compilation units into a unified ASG for the entire application under study. In addition, to relieve the cognitive burden of information that may inundate a developer, we describe our development of extensions to Hylian to build abbreviated abstract semantic graphs, which incorporate information about user code, but not about compiler provided library code. Finally, we describe the various approaches that we adopted to provide assurance for the developer that the ASGs that Hylian builds, correctly represent the program under study

GLL parsing with flexible combinators

At SLE in 2014, Ridge presented the P3 combinator library with which parsers can be developed for left-recursive, non-deterministic and ambiguous grammars. A combinator expression in P3 yields a binarised grammar reflecting the expression's structure. The grammar is given to an underlying, generalised parsing procedure computing all derivations. In this paper we present a combinator library with a similar architecture to P3, adjusting it to avoid grammar binarisation. Avoiding binarisation has a significant positive effect on the running times of the underlying parsing procedure, which we demonstrate using real-world grammars. Binarisation is avoided by restricting the applicability of combinators, resulting in combinator expressions closely resembling BNF fragments. Usability is recovered by defining coercions that automatically convert expressions where necessary. As the underlying parsing procedure, we use a purely functional variant of generalised top-down (GLL) parsing