0.1 引言

工作之余，闲来无事，便根据多方搜集的资料，基于Python实现了一个简易的C语言编译器，可以称之为SCC（Simplified C Compiler）。整理了这段时间的学习过程，也分享出来，让更多愿意了解编译器的人少走一些弯路，提供更多可以参考的资料。

相信如果开始学习这部分知识，可能大都是从《书》这类经典书籍开始的。但是相信很多人屏住呼吸翻开一页又一页，又学到了多少知识，就因人而异了。反正，我没有看完那本书，反倒是这一系列文章（Let's Build A Simple Interpreter）浅显易懂地解释了Pascal语言解释器的实现方法，对我非常有启发和帮助。编译器并不是深不可测，只是从小坑里面好爬出来一些罢了。

在进入下一个部分之前，让我们先想一想，为什么要学习编译器知识。

没事干，像我一样，可以找点虐心的事情做。
以后写程序遇到bug，就可以拓宽debug的范围了。
成为写出(C++)++的那个人。
......

一切都得有一个目标，不然就没办法坚持下去。对于我自己而言，学习底层的知识，让自己能够系统性地思考，去面对各种上层调用带来问题，非常具有挑战性。

好了，闲话少许，下面进入正题。

0.2 初识编译器

这里简单介绍一下编译器的组成：

图1. 编译器组成

0.2.1 前处理

这部分主要做三件事情：

处理头文件
#include "stdio.h"
按照头文件引用顺序嵌套地将头文件的内容展开到当前文件中。如果嵌套引用到的文件很多，最终参与编译的源文件内容肯定超过了文件中原本的那些代码。只是大部分时候，我们将声明（.h文件）与实现（.c文件）分离，而.c文件可以单独生成目标文件(后缀名为.o)，只需要在链接的时候添加上即可。因此并不需要全部展开到当前文件中。
处理预编译指令
C语言有很多的预编译指令。比如，非常常用的：
```
#if XXX
...
#elif XXX
...
#else
...
#endif
```
实际上，现在的IDE工具已经能够直接进行辨识，直接就能告诉你用哪一块代码，剩下的就直接忽略了，不会进入编译过程。
展开宏定义
#define add(x, y) ((x) + (y))
用((x) + (y))将代码中的add(x, y)全部替换，这也是为什么在学习C语言的过程中，不要吝惜用括号的缘故；同时，宏定义末尾也不能加分号等等。因此，当明白编译器怎么处理宏定义的时候，那么使用宏定义就能游刃有余了。

0.2.2 编译

经过前处理过程处理的代码就开始进入编译过程。回顾一下，我们遇到的编译错误主要有哪些？以下面这段代码为例：

struct Point
{
    int x;
    int y;
}  // <- missing ';'  (2

struct Point pt = {1, 2};
int main()
{
    if (pt.x <> 2) // <- '<>' no such operator (1
        b = 2;  // <- 'b' is undefined (3
    return 0;  
}

我在这里列举了三类错误，已经分别标注在上面对应的代码后面。那么，再设想一下，我们应该如何编写代码将这些错误找出来呢？
很明显，第一种错误，也就是<>这种符号性质的错误，只需要从头到尾遍历一遍，就可以发现，根本不用做额外的工作。这就是我们将要介绍的词法分析。
对于第二种错误，如果不是结构体，而只是一般的函数块，也是不需要分号的。这时，我们必须要能够知道这里应该出现什么符号，不应该出现什么符号。这就需要对代码的结构有一定的认知，也就是语法分析。
那前面分析手段办不到的，自然就留给语义分析去做了：进行变量的声明检查。

0.2.2.1 词法分析

词法分析是一个化整为零的过程。它从头到尾将源代码拆分成一个个的单元，称之为token。这些token按照空格、换行符和引号等进行拆分，可以是变量名、关键字、运算符号和其它字符。由于C语言并没有定义<>这样的二元比较操作符，此处就会产生错误提示信息。

0.2.2.2 语法分析

语法分析则是一个化零为整的相反过程。它将token按照定义的语法要求组成表达式，语句和程序段。由于C语言要求结构体定义必须以;结尾，此处就会产生语法错误。这是很多人开始学C语言容易忘记的地方。
一些时候，我们可能会遇到IDE提示一大堆错误，然后去出错的地方看，觉得也没有错误。其实这个时候，就是在最开始出错的地方前面，缺少;所致。不过，现在编译器功能越来越强大，很多时候能够直接准确定位错误。

0.2.2.3 语义分析

词法分析只是将token组成了符合语法逻辑结构的片段，还需要语义分析进行上下文检查，即判断变量、函数是否已经定义或者类型是否匹配。显然，变量b开始使用的时候并没有定义，此处便是第三种语法错误。

0.2.2.4 汇编语言生成

当然，经过了上面三个过程的仔细检查，我们可以放心地为源代码生成汇编语言代码了。目前，主流的汇编语言格式有Intel和AT&T两种，虽然格式还是有一定的差别，但是万变不离其中，本质上是相通的。
这一步，也是最终影响程序运行性能的关键。我们将在后面详细讨论。

0.2.3 汇编

汇编语言代码还需要经过汇编过程生成二进制代码，每条汇编指令都会生成一个相对于某个基地址的偏移地址。基地址大多数情况下都不是实际的物理地址。因此，并不能直接运行。

0.2.4 链接

直到通过链接器对多个二进制代码的地址偏移重新编排，得到具有正确物理地址的二进制代码，这个时候，才能直接运行。

0.3 编译器命令行

考虑hello.c文件下的代码：

#include "stdio.h"

int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("hello world!");
    return 0;
}

接下来我们将使用成熟的C语言编译器对每一个过程进行命令行操作，从而与后面我们实际编写的代码生成的结果相比较。

前处理过程
clang -E hello.c -o hello.e
语法分析和语义分析
clang -fsyntax-only hello.c
汇编语言生成
clang -S hello.c -o hello.s
汇编
clang -o hello.o hello.s
链接
clang -o hello hello.o

更多的内容可以详见LLVM的官方文档。

这样一看，编译器其实承担了非常繁杂的工作。在接下来的部分，这些内容都会一一呈现。

实现简易的C语言编译器（part 1）
实现简易的C语言编译器（part 2）
实现简易的C语言编译器（part 3）
实现简易的C语言编译器（part 4）
实现简易的C语言编译器（part 5）
实现简易的C语言编译器（part 6）
实现简易的C语言编译器（part 7）
实现简易的C语言编译器（part 8）
实现简易的C语言编译器（part 9）
实现简易的C语言编译器（part 10）
实现简易的C语言编译器（part 11）
实现简易的C语言编译器（part 12）

实现简易的C语言编译器（part 0）