简介
Antlr4 是一款强大的语法生成器工具，可用于读取、处理、执行和翻译结构化的文本或二进制文件。基本上是当前 Java 语言中使用最为广泛的语法生成器工具。Twitter搜索使用ANTLR进行语法分析，每天处理超过20亿次查询；Hadoop生态系统中的Hive、Pig、数据仓库和分析系统所使用的语言都用到了ANTLR；Lex Machina将ANTLR用于分析法律文本；Oracle公司在SQL开发者IDE和迁移工具中使用了ANTLR；NetBeans公司的IDE使用ANTLR来解析C++；Hibernate对象-关系映射框架（ORM）使用ANTLR来处理HQL语言。参考2
Antlr4 提供了大量的官方 grammar 示例，包含了各种常见语言，非常全面，提供了非常全面的学习教材。
本文简单介绍一个示例，实现一个简单的计算器功能，这个例子在很多资料中都作为第一个示例，可以算是 Antlr4 的 HelloWorld。
基本概念
语法分析器（parser）是用来识别语言的程序，本身包含两个部分：词法分析器（lexer）和语法分析器（parser）。词法分析阶段主要解决的关键词以及各种标识符，例如 INT、ID 等，语法分析主要是基于词法分析的结果，构造一颗语法分析树。大致的流程如下图参考2所示。
因此，为了让词法分析和语法分析能够正常工作，在使用 Antlr4 的时候，需要定义语法（grammar），这部分就是 Antlr 元语言。
元语言
首先，要了解 antlr4 本身的定义 grammar 的语法，相对比较简单。我们以计算器的例子为例，简单讲解其中的概念。
// file: Calculator.g4
grammar Calculator;
line : expr EOF ;
expr : '(' expr ')' # parenExpr
| expr ('*'|'/') expr # multOrDiv
| expr ('+'|'-') expr # addOrSubstract
| FLOAT # float
;
WS : [ \t\n\r]+ -> skip;
FLOAT : DIGIT+ '.' DIGIT* EXPONET?
| '.' DIGIT+ EXPONET?
| DIGIT+ EXPONET?
;
fragment DIGIT : '0'..'9' ;
fragment EXPONET : ('e'|'E') ('+'|'-')? DIGIT+ ;
第一行，定义了 grammar 的名字，名字需要与文件名对应。
接下来的 line 和 expr 就是定义的语法，会使用到下方定义的词法，注意 # 后面的名字，是可以在后续访问和处理的时候使用的。一个语法有多种规则的时候可以使用 | 来进行配置。
在 expr 这行，我们注意到四则运算分为了两个非常相似的语句，这样做的原因是为了实现优先级，乘除是优先级高于加减的。
WS 定义了空白字符，后面的 skip 是一个特殊的标记，标记空白字符会被忽略。
FLOAT 是定义的浮点数，包含了整数，与编程语言中的浮点数略有不同，更类似 Number 的定义。
最后的 fragment 定义了两个在词法定义中使用到的符号。
在语法定义的文件中，大部分的地方使用了正则表达式。
生成文件
配置 antlr4 工具，先从官网下载 Antlr4 的 jar 包，点击下载地址进行下载。
alias antlr4="java -jar /path/to/antlr-4.5-complete.jar"
通过命令行工具可以生成 lexer、parser、visitor、listener 等文件。
visitor 是默认不生成的，需要带上参数 -visitor。
$ antlr4 -visitor Calculator.g4
# 生成文件如下：
Calculator.interp
CalculatorBaseListener.java
CalculatorLexer.interp
CalculatorLexer.tokens
CalculatorParser.java
Calculator.tokens
CalculatorBaseVisitor.java
CalculatorLexer.java
CalculatorListener.java
CalculatorVisitor.java
使用 Visitor
Visitor 的使用是最为简单方便的，继承 CalculatorBaseVisitor 类即可，内部的方法与 g4 文件定义相对应，对照看即可理解。
public class MyCalculatorVisitor extends CalculatorBaseVisitor<Object> {
@Override
public Object visitParenExpr(CalculatorParser.ParenExprContext ctx) {
return visit(ctx.expr());
}
@Override
public Object visitMultOrDiv(CalculatorParser.MultOrDivContext ctx) {
Object obj0 = ctx.expr(0).accept(this);
Object obj1 = ctx.expr(1).accept(this);
if ("*".equals(ctx.getChild(1).getText())) {
return (Float) obj0 * (Float) obj1;
} else if ("/".equals(ctx.getChild(1).getText())) {
return (Float) obj0 / (Float) obj1;
}
return 0f;
}
@Override
public Object visitAddOrSubstract(CalculatorParser.AddOrSubstractContext ctx) {
Object obj0 = ctx.expr(0).accept(this);
Object obj1 = ctx.expr(1).accept(this);
if ("+".equals(ctx.getChild(1).getText())) {
return (Float) obj0 + (Float) obj1;
} else if ("-".equals(ctx.getChild(1).getText())) {
return (Float) obj0 - (Float) obj1;
}
return 0f;
}
@Override
public Object visitFloat(CalculatorParser.FloatContext ctx) {
return Float.parseFloat(ctx.getText());
}
}
实现了 visitor 之后，就可以完成一个简单的计算器了。
import org.antlr.v4.runtime.ANTLRInputStream;
import org.antlr.v4.runtime.CommonTokenStream;
public class Driver {
public static void main(String[] args) {
String query = "3.1 * (6.3 - 4.51) + 5 * 4";
CalculatorLexer lexer = new CalculatorLexer(new ANTLRInputStream(query));
CalculatorParser parser = new CalculatorParser(new CommonTokenStream(lexer));
CalculatorVisitor visitor = new MyCalculatorVisitor();
System.out.println(visitor.visit(parser.expr())); // 25.549
}
}
使用 Maven
Antlr4 提供了 Maven Plugin，可以通过配置来进行编译。
语法文件 g4 放置在 src/main/antlr4 目录下即可，配置依赖的 antlr4 和 plugin 即可。
生成 visitor 在 plugin 配置 visitor 参数为 true 即可。
注意：antlr4 的库版本要与 plugin 版本对应，antlr4 对生成文件用的版本与库本身的版本会进行对照，不匹配会报错。
...
<properties>
<antlr4.version>4.7.2</antlr4.version>
</properties>
<dependencies>
<dependency>
<groupId>org.antlr</groupId>
<artifactId>antlr4</artifactId>
<version>${antlr4.version}</version>
</dependency>
</dependencies>
...
<build>
<plugins>
<plugin>
<groupId>org.antlr</groupId>
<artifactId>antlr4-maven-plugin</artifactId>
<version>${antlr4.version}</version>
<configuration>
<visitor>true</visitor>
</configuration>
<executions>
<execution>
<id>antlr</id>
<goals>
<goal>antlr4</goal>
</goals>
</execution>
</executions>
</plugin>
</plugins>
</build>
...
总结
本文较为简单地说了一个计算器的例子，只介绍了 visitor 的大致使用方法，最后还介绍了 maven plugin 的使用方法。
笔者还在学习 antlr4 以及编译原理，想用好语法生成器工具，还是需要对编译原理有一定的理解。
本文的计算器实现代码可以在这里上找到。