编译原理——course intro

根据上课内容顺序写的博客，并不是按照书的目录来的
使用龙书以及编译程序设计原理（第二版）金成植、金英编著
老师的PPT是英文的，我自己随便翻的，不一定对

1. 浏览课程讲什么
2. 理解为什么需要学习这门课
3. 思考怎么学习这门课
   
   
   
   

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编译器介绍 Introduction to Compiler

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课程目标

介绍为高级程序设计语言开发编译器时的一般设计原则、方法和实现技术

• 学习编译相关技术
  • 设计，实现，理论/方法
  • 怎么利用他们在未来的应用中
• 理解高级程序设计语言
  • 设计和实现
• 提高编程能力
  • 第一次有机会了解一个 元级软件系统
  • 第一次了解怎么去一个开发一个复杂的，大规模的系统软件
• 应用
  • 学习一些简单的方式去开发一些应用

什么是编译器？

　　将源程序录入编译器，编译器输出为目标程序，同时输出错误信息

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编程语言

历史

• 1800，第一个程序员
• 1950，第一个程序语言（FORTRAN; COBOL; Algo1060; LISP）
• 1960，浮现数百种编程语言（特殊目的语言； 通用语言）
• 1970，简化，抽象（PASCAL; C）
• 1980，面向对象（Ada; Modular; Smalltalk; C++）
• 1990，网络（Java），libraries,script
• 2000，新规格语言

类别

• 功能
  • 科学计算
  • 商务
  • 表处理
  • 表格
  • 字符串
  • 多功能
• 抽象级
  • 低级
    • 机器语言
    • 汇编语言
  • 高级
    • 过程式语言 FORTRAN PASCAL C
    • 对象式语言 Smalltalk Java C++
    • 函数式语言 LISP HASKELL ML
    • 逻辑式语言 PROLOG

编程语言的定义包括

• 词法
  • 单词的正确集 allowed set of characters
  • 词法的结构 lexical structure
• 语法
  • 程序结构
• 语义
  • 不同的结构的意义
    
    

分析例子

程序 → 声明 → 赋值声明 → 表达式
　　　　　　→声明 　　→ read声明
　　　　　　　 　　　　 →赋值声明 →表达式

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编译器和解释器

编程语言的实现

• 解释器
  • 源程序和数据输入，解释器解释，输出（计算结果）
  • 原程序的一个执行系统，届时其的工作结果是原程序的执行结果。
• 翻译（语言1→语言2）
  • 汇编 汇编语言→机器代码
  • 编译器 高级语言→低级语言
• 编译器
  • 将用高级语言写成的程序转换成等价的机器语言程序，编译程序也称编译器
  • 地位
    • 操作系统（系统软件）
    • 元级软件系统

编译器和解释器的比较

编译器和解释器在工作性质上具有某些共同点，但若从不同角度对比仍有一些差异

共同点：使用了相同的实现技术

使用解释器的优势：

• 解释器通常使用高级语言写的，因而能够在大多数类型的计算机上运行（通用性）
• 设计解释器的后端工作量要是少得多（中间代码生成并不那么重要）
• 使用解释器比使用编译器更加安全（可移植性：java）

	编译器	解释器
程序规模	规模较大	规模中小
内部形式	机器代码（低级）	数据结构（高级）
运行机构	硬件CPU	软件系统
运行速度	相对较快	相对较慢

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编译相关程序

• editor 编辑器
• preprocessor 预处理程序
• compiler 编译器
• assembler 汇编器
• loader 加载器
• linker 连接器
  

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编译器的设计和实现

与编译器相关的三个语言

• 源语言Ls 输入
• 目标语言Lt 输出
• 实现语言Li 编译器开发的语言

编译器的实现

• 现在不存在的编译器
  • 手工编写机器代码
    • 低效，难以持续
  • 自展法 self extending

• 现有的编译器
  • 预处理方法
  • 移植法
  • 工具法 自动生成工具
  • 写代码

自展

• 问题
  • 如果这里没有任何可用的编译器，我们想要为一个程序语言L开发一个编译器
• 解决
  • 定义L0作为L的子语言
  • 为L0手动地写一个编译器
  • 对L0做一些拓展，成为L1
  • 开发一个L1的编译器使用L0
  • ……
  • 开发Ln(=L)的编译器，使用L(n-1)语言

预处理

• 问题
  • 如果我们有一个程序语言L和他的编译器，我们想要为程序语言L1开发一个编译器，L1是在L的基础上做了一些拓展
• 解决
  • 开发一个预处理器 L1翻译成L
  • 使用L的编译器：从L到目标代码
• 例子
  • C++ → C

移植

• 问题
  • 源语言L
  • 为机器M1的L的编译器
  • 我们想开发另一个使用L的编译器为机器M2
• 相同的源语言，不同的目标语言
• 两种方法
  • 开发一个程序用来把机器M1代码翻译到机器M2代码
  • 重建一个编译器后端

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编译器的功能分解和组织结构

编译器功能分解

• 输入
  • 使用源语言写成的程序（源程序）
  • =sequence of characters 单词序列
• 输出
  • 使用目标语言携程的程序（目标程序/代码）
  • =sequence of instructions 指令序列
• 算法
  • 将每个源程序转换成相应目标程序的一般过程
• 例子
  

总结

• 理解源语言和目标语言
  • 词法，语法，语义
• 翻译一个语句的过程包括
  • 分析这个句子来确保它是正确的
    • 拼写 包括识别单词和他们的属性（词法分析）
    • 使用源语言的语法来构造语法结构（语法分析）
    • 确保是有意义的语句（语义分析）
  • 翻译这个句子到目标语言
    • 翻译每个语法部分
    • 把他们合成为一个有意义的目标语言句子

编译器前后端

• 前端
  • 词法分析、语法分析、符号表构造、语义分析
  • 中间代码生成、代码优化、错误处理
  • 不依赖于机器
• 后端
  • 中间代码到目标代码生成的阶段
  • 对中间代码和目标机有较高的依赖，一般不依赖于源程序代码

• 词法分析 lexical analysis（scanning）
  • 读取源程序，以符号流的形式
  • 收集词符号序列到有意义的单元，成为词法单元（tokens）
  • 主要任务：检查词法错误并把源程序中的单词转换成一种内部形式（数据形式）
• 语法分析 syntax analysis（parsing）
  • 读取词法单元序列
  • 确定程序的语法结构
  • 语法分析的结果形式是一颗语法树
  • 主要任务：检查源程序的语法错误，发现错误时输出相关信息，并尽可能地继续检查
• 语义分析 semantic analysis
  • 静态语义检查，比如类型检查
  • 符号表（标识符的属性）
  • 主要任务：构造符号表，并检查语法错误
• 代码生成
  • 中间代码生成
    • 中间表示
    • 可移植性
    • 任务：产生便于优化和便于生成目标代码的中间嗲吗
  • 目标代码生成
• 代码优化
  • 目标程序的效率
    • 中间代码优化
      • 任务：根据目标机的特点由中间代码产生高质量的目标代码
    • 目标代码优化

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普通的编译器工作流程

举例说明编译器如何将C0中的程序转换成汇编代码

语言	具体语言
源语言	一个toy程序语言C0
目标语言	汇编语言AL

C0语言一般定义

• 词法结构
  • 允许字符集 {a-z, A-Z, 0-9}
  • 词法单元
    • 关键字 {, read, write, }
    • 标识符 以字母开头的有限字符序列
    • 数字 整数
    • 操作符 +, *, :=
    • 分隔符 { ;, (, )}
  • 语法（程序结构）
    • 
    • 
  • 语义
    • 静态语义
      • 一个标识符不应该被声明多次
      • 使用声明过的标识符
      • 赋值和表达式中的类型等价
      • if或while语句中的条件表达式的结果类型应该是布尔型的
    • 动态语义

例子

1. 程序
   
2. 词法分析
   
   
   
3. 语法分析
   
4. 语义分析
   
5. 代码生成
   

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总结

• 编程语言的不同分类
• 一个编程语言的定义
• 编译器和解释器的不同和定义
• 过程化程序语言相关的程序
• 编译器的设计和实现
• 编译器的功能分解
• 编译器的一般工作流程
• 原则
  • 分而治之 dibvide and conquer
  • 问题 → 编程任务 → 解决方案 → 基本原则和方法