[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
terminals和Nonterminals的联系。 如：<letter> ::= "a"。
通过组合终止符和非终止符，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> 和 <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：
<identifier> ::= <char> (<char> | <digit>)*
其中<char>和<digit>进一步定义：
<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
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
pass
另一个常见的语句是return语句：
return_stmt ::= "return" [expression_list]
return语句由"return"和[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
def func():
return
如果你进入expression_list的定义，你会看到
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。
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。
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：
identifier := expression
例如
>>> (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：
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：
if assignment_expression:
suite
继续看定义，我们有了可选的elif：
if assignment_expression:
suite
elif assignment_expression:
suite
最后是可选的else：
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：
for_stmt ::= "for" target_list "in" starred_list ":" suite
["else" ":" suite]
于是我们可以写出for语句：
for target_list in starred_list:
suite
else:
suite
例如：
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：
while_stmt ::= "while" assignment_expression ":" suite
["else" ":" suite]
可以写出while语句：
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：
- 熟悉BNF表示法。可以编写BNF规则并在
BNF Playground网站中测试。 - 了解Python的BNF变体。
- 分解规则。将规则分成多个部分来阅读。
- 识别非终止符。非终止符可能需要进一步阅读。
- 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。
- 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。
