简单介绍一个编译器的结构（下）

《编译器结构介绍（下）》主要是围绕编译器后端知识和技术展开的一个简单介绍，编译器前端技术的介绍在文章《 编译器结构介绍（上）》中，如果对编译器整个技术栈不了解的话，先阅读上，再阅读下这篇文章，会更容易理解。

七、机器无关代码优化

经过中间代码生成过程产生的中间代码是正确的，但未必就是更“好”的，所以我们要对中间代码做一些优化，使其可以更“好”。这个“好”是个泛指，比如我们希望它生成的汇编代码量可以更小（GCC加-Os）、或者生成的汇编代码执行时的内存使用量更小、或者生成的汇编代码执行速度可以更快（GCC加-O[1/2/3]）。一般而言，最期望的“好”还是执行速度可以更快，我们接下来的介绍也是以这部分内容展开。

7.1 常见优化的案例

1）常数折叠

常量折叠（constant folding）指的是把常量表达式在编译时进行运算。譬如下面的 C 语言代码。

int max_size = 2 * 1024 * 1024; /* 2MB */

这里的 2* 1024 * 1024 是只含常量的表达式，因此可以在编译时进行计算。如果在编译时进行了运算，那么程序运行时就可以省略这次运算，因此可以获得更快的执行速度。这就是常量折叠。

2）代数简化

代数简化（algebraic simplification）指的是利用表达式的数学性质，对表达式进行简化。比如 x*1 这个表达式和 x 是一样的，可以直接替换成 x。同样地，x+0、x–0 等也可以替换成 x。而 x*0 恒等于 0，因此也可以直接用 0 来代替。

3）降低运算强度

降低运算强度（strength reduction）指的是用更高速的指令进行运算。
比如说 x*2 这个表达式，可以转换成加法运算 x+x。一般来说 CPU 计算加法比计算乘法效率更高，因此虽然两个式子效果相同，但 x+x 的运算速度更快。

把乘法转换成位移运算也是降低运算强度的一个例子。一般而言，求整数与 2 的阶乘的乘积可以用位移运算来优化。因为 x 乘以 4 和 x 左移 2 比特的效果是一样的，而后者速度更快。

4）削除共同子表达式

削除共同子表达式（common-subexpression elimination）指的是有重复运算的情况下，把多次运算压缩为一次运算的方法。譬如下面的 C 语言代码。

int x = a * b + c + 1;
int y = 2 + a * b + c;

对 x 和 y 的计算中，a*b+c 这个部分的运算是一致的。这种情况下，因为 a*b+c 的值一样，所以不必要计算 2 次。只要把上述代码进行如下转换，这部分就可以只计算 1 次。

int tmp = a * b + c;
int x = tmp + 1;
int y = 2 + tmp;

5）消除无效语句

消除无效语句（dead code elimination）指的是删除从程序逻辑上执行不到的指令。譬如下面的 C 语言代码毫无意义，完全可以删除掉。

if (0) {
 fprintf(stderr, "program started\n");
}

6）函数内联

函数内联（function inlining）指的是把（小的）函数体直接嵌入到函数调用处，使得函数调用的作用域归零的方法。

int region_size(int n_block) {
 return n_block * 1024;
}

假设在别的地方通过 region_size(2) 这个语句进行了函数调用，那么将其替换成2*1024 结果也是一样的。这就是函数内联。不过，因为 region_size 是全局作用域的函数，编译时的优化仅限于同一个文件中定义的函数调用。如果想对程序中所有的 region_size 函数调用都进行函数内联，那么链接时也需要进行代码优化。

另外，2*1024 又是只含常量的表达式，因此可以进一步用常量折叠的方法替换成 2048。这样组合运用多种优化方法可以获得更大的优化效果。以什么样的顺序组合各种优化方法，从而获取更好的优化效果，也是非常关键的一点。

7.2 优化的作用阶段

一般的编译器可以在以下几个时间节点上进行优化。

1. 语义分析后（针对抽象语法树的优化）
2. 生成中间代码后（针对中间代码的优化）
3. 生成汇编代码后（针对汇编代码的优化）
4. 链接后（针对程序整体的优化）

通常来说，越早进行，越能针对编程语言的结构、语义等进行优化。譬如在抽象语法树阶段，我们能简单地识别循环，因此在这个阶段能针对循环体进行优化。

在中间代码阶段可以进行语言无关的优化。该阶段可以使用从局部优化到全局优化的多种优化方法。此外，有时候还会根据情况把一段中间代码拆散，令其更容易进行优化。

一旦编译成了汇编代码，就很难对代码进行大范围的优化了。这个阶段的优化基本上集中在窥视孔优化这种方式上。

最后，链接后也可进行优化。链接后构成程序主体的各个处理流程（函数）已经固定，可以对程序整体进行大范围的解析优化。

【总结】与优化相关的内容很多，如果对这一块内容感兴趣，可以看我总结的文章，《编译器设计（九～十四）》全是优化相关的理论和技术。

八、汇编代码生成

当机器无关代码优化后，就会生成更“好”的、我们最终想要的中间代码。汇编代码生成就是将中间代码，编译成语义等价的汇编代码。这部分内容相比于优化，也不抽象，在实现起来要简单很多。

现在有以下C代码，文件名是main.c，定义了2个全局变量global_init_var和global_uninit_var，两个函数func1和main，静态变量static_var和static_var2，以及调用printf函数时使用到的字符串"%d\n"。

int global_init_var = 84;
int global_uninit_var;
 
void func1(int i){
	printf("%d\n", i);
}
 
int main(void){
	static int static_var = 85;
	static int static_var2;
 
	int a = 1;
	int b;
 
	func1(static_var + static_var2 + a + b);
 
	return a;
}

现在用LLVM IR来表示上面C代码，

source_filename = "main.c"

@global_init_var = dso_local global i32 84, align 4
@.str = private unnamed_addr constant [4 x i8] c"%d\0A\00", align 1
@main.static_var = internal global i32 85, align 4
@main.static_var2 = internal global i32 0, align 4
@global_uninit_var = dso_local global i32 0, align 4

define dso_local void @func1(i32 noundef %0) {
  %2 = alloca i32, align 4
  store i32 %0, i32* %2, align 4
	...
  ret void
}

declare i32 @printf(i8* noundef, ...)

define dso_local i32 @main() {
  %1 = alloca i32, align 4
  %2 = alloca i32, align 4
 	...
  ret i32 %11 
}

.file   "main.c"
        .data
.globl global_init_var
        .align  4
        .type   global_init_var,@object
        .size   global_init_var,4
global_init_var:
.long   84  
        .align  4
        .type   static_var.0,@object
        .size   static_var.0,4
static_var.0:
.long   85  
        .section        .rodata
.LC0:
        .string "%d\n"
        .text
.globl func1
        .type   func1,@function
func1:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        movl    8(%ebp), %eax
        pushl   %eax
        movl    $.LC0, %eax
        pushl   %eax
        call    printf
        addl    $8, %esp
.L0:
        movl    %ebp, %esp
        popl    %ebp
        ret
        .size   func1,.-func1
.globl main
        .type   main,@function
main:
        pushl   %ebp
        movl    %esp, %ebp
        subl    $8, %esp
        movl    $1, %eax
        movl    %eax, -4(%ebp)
        movl    static_var.0, %eax
        movl    static_var2.0, %ecx
        addl    %ecx, %eax
        movl    -4(%ebp), %ecx
        addl    %ecx, %eax
        movl    -8(%ebp), %ecx
        addl    %ecx, %eax
        pushl   %eax
        call    func1
        addl    $4, %esp
        movl    -4(%ebp), %eax
        jmp     .L1
.L1:
        movl    %ebp, %esp
        popl    %ebp
        ret
        .size   main,.-main
        .comm   global_uninit_var,4,4
.local static_var2.0
        .comm   static_var2.0,4,4 

九、目标代码生成

十、可执行文件生成

十一、加载可执行文件