基于扩展C0文法的编译器设计（Part1）

啊（充满哲♂学的呻吟）
终于在上学期完成了我航课程中的三巨头之一——编译，有了一点微不足道的收获。现在才有时间整理一下整个过程，发到博客上以记录自己的成果，顺便如果有学弟学妹需要也可以参考借鉴（但是别照搬——有查重!!）

一．需求说明

1．文法说明

文法无需改写，符合要求，解读如下：
＜加法运算符＞ ::= +｜-
分析：定义加减法运算符
样例：a+b a-b
＜乘法运算符＞ ::= *｜/
分析：定义乘除法运算符
样例：a*b a/b
＜关系运算符＞ ::= <｜<=｜>｜>=｜!=｜==
分析：定义关系运算符小于，不大于，不小于，大于，不等于，等于
样例：a>b a<=b a!=b
＜字母＞ ::= ＿｜a｜．．．｜z｜A｜．．．｜Z
分析：定义字母，是由下划线 _ 和26个字母的大小写组成的，不允许除此之外的其他字符
样例：_ a b z A B Z
＜数字＞ ::= ０｜＜非零数字＞
分析：定义数字的形式，0~9
样例：0 1 2 3 4 9
＜非零数字＞ ::= １｜．．．｜９
分析：定义非零数字，是1~9
样例：1 2 3 4 9

＜字符＞ ::= ‘＜加法运算符＞’｜’＜乘法运算符＞’｜’＜字母＞’｜’＜数字＞’
分析：定义字符的形式，它是被‘’包裹的加法运算符或者乘法运算符或者字母或者数字
样例：‘+’‘-’‘*’‘a’‘_’

＜字符串＞ ::= “｛十进制编码为32,33,35-126的ASCII字符｝”
分析：定义字符串的格式，字符串是被“”包裹的若干个（可以是0个）十进制ascii码值为32，33，35~126的字符组合
样例：“abcd”

＜程序＞ ::= ［＜常量说明＞］［＜变量说明＞］{＜有返回值函数定义＞|＜无返回值函数定义＞}＜主函数＞
分析：程序定义为严格顺序的 常量说明-字符串说明-有返回值函数定义-无返回值函数定义-主函数 的字符串组合，其中常量说明和变量说明可以没有，如果有，只能出现一次（即不存在多个常量或者变量说明语句），有返回值函数定义和无返回值函数定义可以有若干个，以主程序结尾。
样例：
const int a，b，c；
int q，w，e；
void func1（）｛
…
｝
Int func2（）｛
…
｝
Void main(){
…
}

＜常量说明＞ ::= const＜常量定义＞;{ const＜常量定义＞;}
分析：定义常量说明的格式，以const开头，后接常量定义，以；结尾，这样形式的字符串可以有多个
样例：
const int a = 1 ;
const int b = 2 ;

＜常量定义＞ ::= int＜标识符＞＝＜整数＞{,＜标识符＞＝＜整数＞}| char＜标识符＞＝＜字符＞{,＜标识符＞＝＜字符＞}
分析：定义常量定义的格式，常量定义可以是以int 开始后面接一个或者多个顺序如 标识符、=、整数 这样的字符串（如果是多个，则中间以 ， 隔开）的整型常量定义，字符型常量定义与整型类似。
样例：
int a = 1,b = 2,c = 3
char a = ‘1’,b = ‘2’,c = ‘3’

＜无符号整数＞ ::= ＜非零数字＞｛＜数字＞｝
分析：定义无符号整数的格式，是以非零数字（1~9）开始，后面接若干个数字（0~9）的字符串集合
样例：12345 230

＜整数＞ ::= ［＋｜－］＜无符号整数＞｜０
分析：定义整数的格式，是可能存在前置符号的无符号整数或者0，其中若是存在符号的无符号整数，则只能有一个符号，要么为+，要么为-
样例：+9 -1 0 10

＜标识符＞ ::= ＜字母＞｛＜字母＞｜＜数字＞｝
分析：定义标识符的格式，是以字母开头的后面接若干个字母或数字的字符串集合
样例：a1 aa1 aa

＜声明头部＞ ::= int＜标识符＞|char＜标识符＞
分析：定义声明头部的格式，以int或char开头的后接标识符的字符串
样例：int a char b

＜变量说明＞ ::= ＜变量定义＞;{＜变量定义＞;}
分析：定义变量说明语句的格式，是一个或更多的形如 变量定义； 的字符串
样例：无，见下一句文法

＜变量定义＞ ::= ＜类型标识符＞(＜标识符＞|＜标识符＞‘[’＜无符号整数＞‘]’){,(＜标识符＞|＜标识符＞‘[’＜无符号整数＞‘]’) }
分析：描述变量定义的形式，一个或者多个 类型标识符后接标识符或标识符[无符号整数] 的形式，如果有多个，则中间以 ， 联接
样例：
int a, b
int c[3], b[3]

＜类型标识符＞ ::= int | char
分析：描述类型标识符的形式，整型为int，字符型为char
样例：int char

＜有返回值函数定义＞ ::= ＜声明头部＞‘(’＜参数＞‘)’ ‘{’＜复合语句＞‘}’
分析：描述有返回值函数定义的格式，包含声明头部，被（）的参数，被｛｝包裹的复合语句，三者严格有序
样例：
int cmp(int a, int b){
…
}

＜无返回值函数定义＞ ::= void＜标识符＞‘(’＜参数＞‘)’‘{’＜复合语句＞‘}’
分析：描述无返回值函数定义的格式，以void开始，被（）包裹的参数，被｛｝包裹的复合语句，三者严格有序
样例：
void cmp(int a, int b){
…
}

＜复合语句＞ ::= ［＜常量说明＞］［＜变量说明＞］＜语句列＞
分析：描述复合语句的格式，由常量说明、变量说明、语句列组成，三者严格有序，其中常量说明，变量说明可有可无，若存在，顺序不可逆
样例：
const int a =1 ;
int b = 4 ;
…

＜参数＞ ::= ＜参数表＞
分析：描述参数的形式为参数表
样例：无

＜参数表＞ ::= ＜类型标识符＞＜标识符＞{,＜类型标识符＞＜标识符＞}| ＜空＞
分析：描述参数表的格式，由一个或者多个 类型标识符接标识符 的形式组成，若有多个，则中间以，分割，参数表可以为空，参数表中不能出现数组
样例：
int a,int b, int c

＜主函数＞ ::= void main‘(’‘)’ ‘{’＜复合语句＞‘}’
分析：描述主函数的格式，以 void main（）开始，后接被｛｝包裹的复合语句
样例：
void main(){
…
}

＜表达式＞ ::= ［＋｜－］＜项＞{＜加法运算符＞＜项＞}
分析：描述表达式的格式，以项开始，后接若干个 加法运算符 项 的组合，注意，第一个项前面可能有正负号，如果有，则只能有一个。
样例：
a + b – (a+b)

＜项＞ ::= ＜因子＞{＜乘法运算符＞＜因子＞}
分析：描述项的组成格式，以因子开始，后面接若干个 乘法运算符 因子 的组合
样例：a a*b

＜因子＞ ::= ＜标识符＞｜＜标识符＞‘[’＜表达式＞‘]’｜＜整数＞|＜字符＞｜＜有返回值函数调用语句＞|‘(’＜表达式＞‘)’
分析：描述因子的格式，因子是以标识符或者标识符[表达式]或者整数或者字符或者有返回值函数的调用语句或者（表达式）
样例：a[2] num b (a-b+c*d)

＜语句＞ ::= ＜条件语句＞｜＜循环语句＞｜‘{’＜语句列＞‘}’｜＜有返回值函数调用语句＞;|＜无返回值函数调用语句＞;｜＜赋值语句＞;｜＜读语句＞;｜＜写语句＞;｜＜空＞;｜＜返回语句＞;
分析：描述语句的格式，语句是条件语句或者循环语句或者｛语句列｝或者有返回值函数调用语句；或者无返回值函数调用语句；或者赋值语句；或者读语句；或者写语句；或者空；或者返回语句；
样例：无，见后文

＜赋值语句＞ ::= ＜标识符＞＝＜表达式＞|＜标识符＞‘[’＜表达式＞‘]’=＜表达式＞
分析：描述赋值语句的格式，是 标识符=表达式 或者 标识符[表达式] = 表达式的形式
样例：a = b a[m-1] = c + d

＜条件语句＞ ::= if ‘(’＜条件＞‘)’＜语句＞［else＜语句＞］
分析：描述条件语句的格式，else 可有可无，若出现仅一次，但是允许嵌套
样例：
if(a>1)
…
else
…
或者
if（a > 1）{
…
}

＜条件＞ ::= ＜表达式＞＜关系运算符＞＜表达式＞｜＜表达式＞ //表达式为0条件为假，否则为真
分析：描述条件的格式，条件为 表达式-关系运算符-表达式 或者 表达式 的格式，若表达式为0则认为假，否则认为真，注意关系运算符只含有>、>=等
样例：a>b a

＜循环语句＞ ::= do＜语句＞while ‘(’＜条件＞‘)’ |for‘(’＜标识符＞＝＜表达式＞;＜条件＞;＜标识符＞＝＜标识符＞(+|-)＜步长＞‘)’＜语句＞
分析：描述循环语句的格式，包括 do while 类型的循环，和for循环，其中，do while循环的格式为，do开始的后接 语句 while（条件）的形式，for循环为for开始的后接 （标识符=表达式）；条件；标识符=标识符+（或者-）步长），以语句结尾的形式。
样例：
do{
…
}while(a>1)
for(a = 0 ; a < 100 ; a = a +1)｛
…
｝
注：不允许a++之类的形式出现
＜步长＞::= ＜无符号整数＞
分析：描述步长的格式，步长是一个无符号整数
样例：9 1

＜有返回值函数调用语句＞ ::= ＜标识符＞‘(’＜值参数表＞‘)’
分析：描述又返回值函数调用语句的格式，以标识符开始后接（值参数表）的形式
样例：int f(a， b)

＜无返回值函数调用语句＞ ::= ＜标识符＞‘(’＜值参数表＞‘)’
分析：描述无返回值函数调用语句的格式，以标识符开始后接 （值参数表），类似上一条语句
样例：f(a,b)

＜值参数表＞ ::= ＜表达式＞{,＜表达式＞}｜＜空＞
分析：描述值参数表的格式，是若干个表达式或者空，若为多个表达式，则中间以，分割
样例：a,b

＜语句列＞ ::=｛＜语句＞｝
分析：描述语句列的格式，是包裹在｛｝中的语句
样例：
{
…
}

＜读语句＞ ::= scanf ‘(’＜标识符＞{,＜标识符＞}‘)’
分析：描述读语句的格式，sacnf（若干个标识符（至少一个））
样例：scanf(a,b,c)

＜写语句＞ ::= printf‘(’＜字符串＞,＜表达式＞‘)’|printf ‘(’＜字符串＞‘)’|printf ‘(’＜表达式＞‘)’
分析：描述写语句的格式，printf(字符串，表达式)或者printf（字符串）或者printf（表达式）
样例：
printf(“hello world”)
printf(“%d”,a)
printf(a)

＜返回语句＞ ::= return[‘(’＜表达式＞‘)’]
分析：描述返回语句的格式，return或者return（表达式）
样例：
return
return a

附加说明：

（1）char类型的表达式，用字符的ASCII码对应的整数参加运算，在写语句中输出字符

（2）标识符区分大小写字母

（3）写语句中的字符串原样输出

（4）数组的下标从0开始

2．目标代码说明

目标代码为MIPS指令代码，具体细节详见第二部分。

3. 优化方案

未做到完全优化，只有窥孔优化，常数合并和全局变量替换优化，具体细节见第二部分和代码。