编译原理概论

编译原理概论

编译器的核心功能是把源代码翻译成目标代码：

• 理解源代码
  • 词法分析、语法分析、语义分析
• 转化为等价的目标代码
  • 中间代码生成、目标代码生成
• 优化方法

编译器的概述

• 各种计算设备（计算机、嵌入式系统、智能设备等）都离不开编译器
• 各种计算设备的核心问题都是软件的构造
  • 绝大部分软件都使用高级语言编写
  • 高级语言种类繁多
• 使用高级语言编写的程序需要通过编译器才能在计算机上运行
• 计算机科学史上出现的第一个编译器是Fortran (Formula Translation) 语言的编译器
  • John Backus

什么是编译器

• 编译器是一个程序
• 编译器的核心功能是把源代码翻译成目标代码
  • 源代码：C/C++, Java, C#, HTML, …
  • 目标代码：x86, IA64, ARM, MIPS, …

编译器的核心功能
源代码——>编译器——>静态计算——>目标代码——>计算机——>动态计算——>计算结果

编译器的结构

• 编译器具有非常模块化的高层结构
• 编译器可看成多个阶段构成的“流水线”结构

这是个简单的C语言程序：

#include 
int main()
{
    int a = 3;
    int b = 4;
    int c = a + b;
    printf("c=%d \n",c);
    return 0;
}

通过编译器翻译成目标代码：

#include
int main()
{
    00E813C0 push ebp
    00E813C1 mov ebp,esp
    00E813C3 sub esp,0E4h
    00E813C9 push ebx
    00E813CA push esi
    00E813CB push edi
    00E813CC lea edi,[ebp-0E4h]
    00E813D2 mov ecx,39h
    00E813D7 mov eax,0CCCCCCCCh
    00E813DC rep stos dword ptr es:[edi]
    	int a = 3;
    00E813DE mov dword ptr [a],3
    	int b = 4;
    00E813E5 mov dword ptr [b],4
    	int c = a + b;
    00E813EC mov eax,dword ptr [a]
    00E813EF mov eax,dword ptr [b]
    00E813F2 mov dword ptr [c],eax
    	printf("c=%d \n",c);
    00E813F5mov esi,esp
    00E813F7 mov eax,dword ptr [c]
    00E813FA push eax
    00E813FB push 0E85858h 
    00E81400 ca11 dword ptr ds:[0E89114h]
    00E81406 add esp,8
    00E81409 cmp esi,esp
    00E8140B call _RTC_CheckEsp (0E81136h)
    	return 0;
    00E81410 xor esi,esp
}

词法分析器

从左到右，一个字符一个字符地读入源程序，对构成源程序的字符
流进行扫描和分解，从而识别出一个个单词。

词法分析器的任务

字符流——>词法分析器——>单词流

# 源代码
float limitedSquare(x)
{
    float x;
    return (x<=-10.0)||x>10.0)?100:x*x;
}
# 词法分析器转换后
<float,->
<id,limitedSquare>
<(,->
<id, x>
<) ,->
<{,->
<float>
<id, x>
<; ,->
<return,->
<(,->
<id, x>
<op,"<=">
<num, -10.0>
<op, "||">
<id, x>
<op, ">=">
<num, 10.0>
<) ,->
<op, "?">
<num, 100>
<op, ":">
<id, x>
<op, "*">
<id, x>
<; ,->
<},->

语法分析器

根据语言的语法规则，把单词符号串组成各类语法单位。

语法分析：是否符合语法

• 不符合：返回出错处理信息
• 符合：在单词流的基础上建立一个层次结构-----建立语法树

语法分析器是编译器的核心模块：

• 处理程序员所写程序的输入
• 产生编译器需要的重要结构

语法分析器的任务

单词流——>语法分析器（按照某种语言规则）——>语法树

语义分析器

语义检查：

• 变量或过程未经声明就使用
• 变量或过程名重复声明
• 运算分量类型不匹配
• 操作符与操作数之间的类型不匹配

语义分析器的功能

收集标识符的属性、类型(Type)、种属(Kind)、存储位置、长度、值、作用域、参数和返回值等相关信息。

中间代码生成器

中间代码是一种抽象的表示形式，通常比源代码更接近底层的目标机器代码，但又比目标机器代码更容易进行分析、优化和跨平台移植。中间代码可采用多种形式，如虚拟机指令、三地址码、静态单赋值（SSA）等表示。

代码优化器

在尽量不改变程序语义的前提下，对中间代码进行分析和优化，以产生执行速度较快的机器代码，提高程序在执行效率、内存占用和功耗等方面的性能。

代码生成器

生成可重定位的机器代码或汇编代码，以便在目标平台上执行程序。

符号表

基本功能是记录源程序中使用的标识符，并收集与每个标识符相关的各种属性信息，记录到符号表中。

• 符号表是一个数据结构
• 每个标识符在符号表中都有一条记录

例：int a,b;

名字	记号	类型	种属	……	addr
a	id1(25)	int	简变		0
b	id2(25)	int	简变		4

错误处理器

以上各阶段难免会遇到错误：

• 处理方式：报告错误，应继续编译
• 大部分错误在语法分析、语义分析阶段检测出来
• 词法分析：字符无法构成合法单词
• 语法分析：单词流违反语法结构规则
• 语义分析：语法结构正确，但无实际意义

总结

编译器由多个阶段组成，每个阶段都要处理不同的问题

• 使用不同的理论，数据结构，和算法

• 因此，编译器设计中的重要问题是如何合理的划分组织各个阶段

  • 接口清晰

  • 编译器容易实现与维护

编译器技术的应用

• 高级程序设计语言的实现
• 针对计算机体系结构的优化（并行性与内存层次结构）
• 新计算机体系结构的设计（CISC RISC）
• 程序翻译
• 软件生产率工具（查错）