编译原理完整学习笔记（一）：引论

引论

一、编译与解释

1.1 编译程序

翻译程序（Translator）

• 把某一种语言程序（源语言程序）等价地转换成另一种语言程序（目标语言程序）的程序
  

编译程序（Compiler）

• 把某一种高级语言程序等价地转换成另一种低级语言程序（如汇编、机器语言）的程序
  

• 分类

  • 诊断编译程序（Diagnostic Compiler）
    • 发现代码中的错误
  • 优化编译程序（Optimizing Compiler）
    • 提高编译效率
  • 交叉编译程序（Cross Compiler）
    • 宿主机与目标机不同
    • 概念解释
      • 宿主机 - 运行编译程序计算机
      • 目标机 - 运行目标语言程序计算机
  • 可变目标编译程序（Retargetable Compiler）
    • 只要改变和目标机器有关的部分，就可以针对不同目标平台生成不同的目标机器上的代码

1.2 解释程序

解释程序（Interpreter）

• 把源语言写的源程序作为输入，但不产生目标程序，而是边解释边执行源程序
  

二、计算思维

2.1 概述

「定义」计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了一系列广泛的计算机科学的思维方法。

「分类」

• 抽象
• 自动化
• 问题分解
• 递归
• 权衡
• 保护、冗余、容错、纠错和恢复
• 利用启发式推理来寻求解答
• 在不确定情况下的规划、学习和调度
• …

2.2 编译中的计算思维

2.2.1 抽象

• 方法
  • 忽略一个主题中与当前问题（或目标）无关的那些方面
  • 从众多的事物中抽取出共同的、本质性的特征，舍弃其非本质的特征
  • 是一种从个体把握一般、从现象把握本质的认知过程和思维方法
• 编译中的体现
  • 有限自动机
  • 形式文法
  • …

2.2.2 自动化

• 方法
  • 将抽象思维的结果在计算机上实现，是一个将计算思维成果物化的过程，也是将理论成果应用于技术的实践
  • 自动化的思维方法不仅体现在编译程序本身的工作机制上，更体现在了编译程序的生成工具的研究和设计上
• 编译中的体现
  • 有限自动机
  • 预测分析程序
  • 算符优先分析
  • LR分析
  • …

2.2.3 分解

• 方法
  • 将大规模的复杂问题分解成若干个较小规模的、更简单的问题加以解决
• 编译中的体现
  • 中间语言的引入
  • 编译多阶段
  • 多遍分析过程
  • …

2.2.4 递归

• 方法
  • 问题的解决依赖于类似问题的解决，只不过后者的复杂程序或规模较原来的问题更小
• 编译中的体现
  • 递归下降分析
  • 基于树遍历的属性计算
  • 语法制导翻译
  • …

2.2.5 权衡

• 方法
  • 理论可实现 vs. 实际可实现
• 编译中的体现
  • 尽管上下文无关文法不是万能的，但我们依然用它来处理高级程序设计语言
  • 优化措施的选择

三、编译过程

3.1 词法分析

• 「任务」
  • 输入源程序，对构成源程序的字符串进行扫描和分解，识别出单词符号
• 「依循的原则」
  • 构词规则
• 「描述工具」
  • 有限自动机
    

3.2 语法分析

• 「任务」
  • 在词法分析的基础上，根据语法规则把单词符号串分解成各类语法单位(语法范畴)
• 「依循原则」
  • 语法规则
• 「描述工具」
  • 上下文无关文法
    

3.3 中间代码生成

• 「任务」
  • 对各类语法单位按语言的语义进行初步翻译
• 「依循原则」
  • 语义规则
• 「描述工具」
  • 属性文法
• 「中间代码」
  • 三元式、四元式、树、…

3.4 优化

• 「任务」
  • 对前阶段产生的中间代码进行加工变换，以期在最后阶段产生更高效的目标代码
• 「依循原则」
  • 程序的等价变换规则

3.5 目标代码产生

• 「任务」
  • 把中间代码变换成特定机器上的目标代码
• 「依赖」
  • 依赖于硬件系统结构和机器指令的含义
• 「三种形式的目标代码」
  • 汇编指令代码：需要进行汇编
  • 绝对指令代码：可直接运行
  • 可重新定位指令代码：需要链接

三、编译程序结构

3.1 总框图

3.1.1 出错处理

• 出错处理程序
  • 发现源程序中的错误，把有关错误信息报告给用户
• 语法错误
  • 源程序中不符合语法（或词法）规则的错误
  • 非法字符、括号不匹配、缺少;、…
• 语义错误
  • 源程序中不符合语义规则的错误
  • 说明错误、作用域错误、类型不一致、…

3.1.2 遍（pass）

• “遍”：对源程序或源程序的中间表示从头到尾扫描一次
• 阶段 v.s. 遍
  • 一遍可以由若干段组成
  • 一个阶段也可以分若干遍来完成

3.2 前端后端

• 编译前端
  • 与源语言有关，如词法分析、语法分析、语义分析与中间代码产生，与机器无关的优化
• 编译后端
  • 与目标机有关，与目标机有关的优化、目标代码生成
• 分离的好处
  • 程序逻辑结构清晰
  • 优化更充分，有利于移植
    

四、编译程序生成

4.1 概述

• 以汇编语言和机器语言为工具
  • 优点：针对具体机器，充分发挥计算机功能，程序效率高
  • 缺点：程序难读、难写、易出错、难维护、生产的效率低
• 高级语言
  • 程序易读、易理解、容易维护、生产效率高
  • 

4.2 编译程序生成与移植

• 「生成」利用已有的某种语言的编译程序实现另一种语言的编译程序
  

• 「移植」把一种机器上的编译程序移植到另一种机器上
  

• 「自编译方式」不断扩大涵盖语言的范围
  

• 「自动生成」