Go語言從零構建SQL數據庫(5)-Pratt解析算法:SQL表達式解析的核心引擎

Pratt解析算法:SQL表達式解析的核心引擎

1. 算法概述與工作原理

Pratt解析算法(自頂向下運算符優先級解析)是一種優雅的表達式解析方法,特別適合處理具有不同優先級運算符的復雜表達式。在我們的SQL解析器中,它負責解析WHERE子句條件、JOIN條件等表達式。

輸入表達式
解析第一個標記
標識符/字面量
檢查下一個標記
是運算符?
返回已解析表達式
運算符優先級
高于當前上下文?
消費運算符標記
遞歸解析右側表達式
構建二元表達式

核心思想:

  1. 雙重解析函數:每個token可以有兩種解析函數

    • 前綴函數:處理標識符、字面量或前綴運算符(如-x, !x)
    • 中綴函數:處理二元運算符(如x + y, a = b)
  2. 優先級驅動解析:通過比較運算符優先級決定解析順序

2. 運算符優先級體系

在SQL中,不同運算符具有不同的優先級,這決定了表達式的解析和計算順序:

運算符優先級層次
前綴運算符 -x, !x
優先級: 7
乘除運算符 *, /
優先級: 6
加減運算符 +, -
優先級: 5
比較運算符 >, <, >=, <=
優先級: 4
相等運算符 =, !=
優先級: 3
邏輯運算符 AND, OR
優先級: 2
最低優先級
優先級: 1

3. 算法執行過程示例

示例1:解析 a + b * c

如何正確處理運算符優先級:

主解析器 parseExpression 前綴解析函數 中綴解析函數 解析表達式 (優先級=LOWEST) 解析標識符 'a' 返回'a' 檢測到'+', 優先級=5 解析中綴表達式(左側='a') 遞歸調用(優先級=5) 解析標識符 'b' 返回'b' 檢測到'*', 優先級=6 6 > 5, 先處理'*' 解析中綴表達式(左側='b') 遞歸調用(優先級=6) 解析標識符 'c' 返回'c' 返回(b * c) 完成遞歸, 返回(b * c) 返回(a + (b * c)) 返回完整表達式樹 主解析器 parseExpression 前綴解析函數 中綴解析函數

算法如何區分優先級的示意圖:

a + b * c
解析 'a'
檢測到 '+'
開始處理 'a + ...'
解析右側 'b'
檢測到 '*'
* 優先級 > + 優先級
暫停處理加法
開始處理 'b * c'
解析 'c'
完成 'b * c'
繼續處理 'a + (b * c)'
完成表達式解析

示例2:復雜SQL WHERE條件

SELECT * FROM users WHERE age > 18 AND (status = 'active' OR role = 'admin')

這個WHERE條件的解析過程:

age > 18 AND (status = 'active' OR role = 'admin')
解析左側: age > 18
解析標識符 'age'
解析運算符 '>'
解析數字 18
完成 'age > 18'
檢測到 AND
開始解析右側
檢測到左括號
遞歸解析括號內表達式
解析 'status'
解析 '='
解析 'active'
完成 status = 'active'
檢測到 OR
解析右側
解析 'role'
解析 '='
解析 'admin'
完成 role = 'admin'
構建OR表達式: status = 'active' OR role = 'admin'
完成括號內表達式
構建AND表達式: age > 18 AND (...)
完成WHERE條件解析

這個例子展示了如何處理:

  • 比較運算符(>
  • 邏輯運算符(ANDOR
  • 括號分組
  • 字符串字面量

4. 解析不同類型表達式的方法

creates
Parser
+prefixParseFns
+infixParseFns
+parseExpression()
+parseIdentifier()
+parseNumberLiteral()
+parseStringLiteral()
+parseGroupedExpression()
+parseInfixExpression()
?interface?
AST
Identifier
+Value string
BinaryExpression
+Left Expression
+Operator TokenType
+Right Expression
SubqueryExpression
+Query Statement

標識符解析

處理普通標識符和表限定標識符(如 users.id):

解析標識符
讀取標識符名稱: 'users'
下一個token是點號?
消費點號
讀取列名: 'id'
創建標識符: 'users.id'
創建普通標識符
返回標識符

子查詢解析

在解析括號表達式時發現子查詢:

解析括號表達式
消費左括號'('
當前token是SELECT?
遞歸調用SELECT解析
解析普通括號表達式
檢查右括號
消費右括號
返回解析結果

5. 實際SQL用例解析示例

示例3:復雜JOIN條件

SELECT u.name, o.order_id 
FROM users u 
JOIN orders o ON u.id = o.user_id 
WHERE u.status = 'active' AND o.total > 100

JOIN條件和WHERE條件的解析流程:

解析SQL語句
解析SELECT字段
解析FROM子句
解析JOIN子句
識別JOIN類型: INNER JOIN
解析表名和別名: orders o
解析ON條件: u.id = o.user_id
解析左側: u.id
解析等號
解析右側: o.user_id
構建JOIN條件AST節點
解析WHERE子句
解析條件: u.status = 'active'
解析AND
解析條件: o.total > 100
構建WHERE條件AST節點
完成SQL語句解析

示例4:嵌套子查詢

SELECT t.name 
FROM (SELECT u.name FROM (SELECT name FROM users WHERE age > 25) AS u
) AS t
WHERE t.name LIKE 'A%'

多層嵌套子查詢的解析過程:

解析最外層SELECT
解析FROM子句
檢測左括號
遞歸解析第一層子查詢
解析子查詢FROM子句
檢測左括號
遞歸解析第二層子查詢
解析最內層SELECT: name FROM users WHERE ...
完成最內層子查詢
返回到第一層
處理AS u別名
完成第一層子查詢
返回到外層
處理AS t別名
解析WHERE t.name LIKE 'A%'
完成整個SQL語句解析

這個例子展示了Pratt算法如何處理遞歸嵌套結構,每次遇到新的子查詢,都會遞歸調用SELECT語句解析器,然后回到上一層繼續解析。

6. 與傳統遞歸下降解析的比較

Pratt解析算法
傳統遞歸下降解析
通過優先級值
動態處理優先級
將解析函數與
token直接關聯
添加新操作符
只需注冊解析函數
通過硬編碼處理
操作符優先級
為每個文法規則
創建解析函數
文法規則越多
解析函數越復雜

7. 應用場景與優勢

Pratt算法在SQL解析器中的應用場景:

Pratt算法應用場景
WHERE子句條件解析
JOIN條件解析
ORDER BY表達式解析
HAVING子句條件解析
嵌套子查詢表達式
age > 18 AND status = 'active'
users.id = orders.user_id
price * discount DESC
COUNT(*) > 5 OR AVG(score) < 50
id IN (SELECT user_id FROM orders)

Pratt算法的主要優勢:

Pratt算法優勢
優雅處理運算符優先級
易于擴展新運算符
代碼結構清晰簡潔
自然支持左結合性
高效的表達式解析

8. 總結

Pratt解析算法是我們SQL解析器的核心組成部分,專門負責處理表達式解析:

SQL文本
詞法分析器
語法分析器
表達式解析?
Pratt解析算法
表達式AST
回到主解析器
完整SQL AST

通過這種算法設計,我們的SQL解析器能夠處理各種復雜的SQL表達式,包括多層嵌套的邏輯條件、各種運算符組合以及子查詢等高級特性,為實現一個功能完整的SQL解析與執行系統奠定了堅實基礎。

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