TINY编译器《编译原理》

华南理工大学

编译原理》课程实验报告

 

实验题目        实现TINY+编译器       

源代码及报告书: (为了大家的学习着想,此处就不放github的地址了 可以在我的个人上传资源中找到这份文档)。


(此处图片未显示,可以在github中下载报告书观看。报告书即为如下内容)

【实验目的】

构造一个将TINY+高级程序设计语言转换为TINY+虚拟机上的中间代码的编译器。

整个实验包括两个部分:实验一完成TINY+编译器的词法分析器部分;实验二完成TINY+编译器的语法分析器部分、语义分析器部分及中间代码生成器部分。

【实验环境】

Microsoft Visual Studio 2015

C++语言实现

分为实验一、二。


实验一、 实现TINY+编译器的词法分析器

【实验目的及要求】

 学生在该实验中构造TINY+语言的词法分析程序。具体要求如下:

1   词法分析器的输入是源程序文件,输出是单词(token)流。

2   构造的词法分析器必须遵循最长子串原则,例如字符串‘:=’ 应该被识别为一个代表赋值符号的单词,而不是识别为两个单词‘:’和 ‘=’。

3   词法分析器识别出的单词应该被表示成二元组的形式(Kind, Value),其中Kind表示单词的种类,Value表示单词的实际值。要求用如下符号表示不同种类的单词:

l  KEY 表示关键字;

l  SYM 表示特殊符号;

l  ID 表示标识符;

l  NUM 表述数字常量

l  STR 表示字符串常量

4   词法分析器的任务除了完成对单词的识别之外,还要检查程序中的词法错误,给出错误的信息以及错误在源程序中出现的位置(所在的行号)。词法错误的种类包括:

l  Ø 非法符号,词法分析器可能识别到一个TINY+程序的字母表中不允许的符号,例如,词法分析器在一个源程序中识别到$,应报告一个词法错误,发现了一个非法符号;

l  Ø 字符串类型的单词STRING,单引号不匹配。例如,源程序中出现' scanner,词法分析分析器应报告错误“字符串缺少右引号”;

l  注释的括号不匹配。例如源程序中出现{this is an example,词法分析器应报告错误“注释缺少右括号”。

 

 词法分析实验过程

 

  1. main函数中将NO_ANALYZENO_CODEPARSE设置为TRUE,使程序只进行词法分析过程。
  2. 由于增加了关键字(keyword)TINY语言关键字如下:

Tiny关键字

ifthenelseend  repeatuntilreadwrite

Tiny+新增关键字

Orand intboolcharwhiledo

 

其中所有的关键字是程序设计语言保留使用的,并且用小写字母表示,用户自己定义的标识符不能和关键字重复。

  1. 特殊符号定义:

Tiny符号

   :=        =

Tiny+新增符号

>     <=    >=     

 

  1. 词法分析器中识别的单词用二元组形式表示(Kind,Value),其中Kind表示单词的种类,Value表示单词的实际值。要求用如下符号表示不同种类的单词:

KEY

关键字

SYM

特殊符号

ID

标识符

NUM

数字常量

STR

字符串常量

  1. 词法分析器的任务除了完成对单词的识别之外,还要检查程序中的词法错误,给出错误的信息以及错误在源程序中出现的位置(所在的行号)。词法错误的种类包括:
  • 非法符号,词法分析器可能识别到一个TINY+程序的字母表中不允许的符号,例如,词法分析器在一个源程序中识别到$,应报告一个词法错误,发现了一个非法符号;
  • 字符串类型的单词STRING,单引号不匹配。例如,源程序中出现' scanner,词法分析分析器应报告错误“字符串缺少右引号”;

注释的括号不匹配。例如源程序中出现{this is an example,词法分析器应报告错误“注释缺少右括号”。

实验过程:

  • GLOBALS.h中的TokenType枚举中增加相应的类型:

关键词

特殊符号

新增枚举定义

对应的关键词

新增枚举定义

对应特殊符号

OR

or

RT

AND

and

LTEQ

<=

INT

Int

RTEQ

>=

BOOL

bool

COMMA

,

CHAR

char

CO

WHILE

while



DO

do



  • SCAN.CgetToken()函数中进行相应修改,让程序能够正确识别新添加的关键词以及特殊符号,并且对程序出错进行相应提示)

词法分析测试结果

测试一:

 

 

输入

 

输入右边所示文件,运行程序后,结果如下图:

(下面两张图为同一输出结果)

 

输出

 

 

 

测试二:

输入

 

输入右边所示文件,运行程序后,结果如下图:

(下面两张图为同一输出结果)

输出

  

 

 

测试三:(测试错误提示)

 

输入

输入右边所示文件,运行程序后,结果如下图:

其中有两处错误:

  1. 缺少右引号配对
  2. 缺少一个右大括号} 配对

输出

 

 

 

 

实验二、实现TINY+的语法分析器、语义分析器以及中间代码生成器

【实验目的及要求】

 学生在该实验中构造TINY+语言的语法分析器、语义分析器以及中间代码生成器,具体要求如下:

  1. TINY+构造一个递归下降语法分析器。该语法分析器对词法分析器生成的单词序列进行语法分析,产生一颗抽象语法树作为语法分析器的输出。
  2. 构造TINY+的语义分析器,该语义分析器构建符号表,然后检查程序中的语义错误。
  3. 构造TINY+的中间代码生成系,该中间代码生成器将TINY+程序翻译为三地址中间代码。
  4. 要求能检查程序中语法和语义错误,具体包括:
  1. 语法错误:
    1. 语法结构的开始符号以及跟随符号错误;
    2. 标识符错误,例如在程序的变量声明中,关键字int 后没有跟随标识符;
    3. 括号不匹配的错误,例如左括号(和右括号 )不匹配。
    4. 符号错误,例如赋值语句中要求使用的正确符号是:=,而在关系比较表达式要求使用的正确符号是=
  2. 语义错误:
  • 一个标识符没有声明就使用,以及一个标识符被声明不止一次。
  • 一个条件表达式的类型不是布尔类型bool
  • 一个二元操作符的两个操作数的类型不相等。
  • 赋值语句左右部的类型不相等。

 语法分析实验过程:

  1. main函数中将NO_ANALYZENO_CODE 设置为TRUE,使程序只进行PARSE(语法分析)过程。
  2. Tiny+的语法EBNF定义如下(其中红色是指Tiny+Tiny上新增的语法):
  1. program    -> declarations stmt-sequence
  2. declarations   -> decl ; declarations |ε
  3. decl    -> type-specifier varlist
  4. type-specifier -> int | bool | char
  5. varlist -> identifier { , identifier }
  6. stmt-sequence  -> statement { ; statement }
  7. statement  -> if-stmt | repeat-stmt | assign-stmt | read-stmt | write-stmt | while-stmt
  8. while-stmt -> while bool-exp do stmt-sequence end
  9. if-stmt -> if  bool-exp then stmt-sequence [else stmt-sequence] end
  10. repeat-stmt -> repeat stmt-sequence until bool-exp
  11. assign-stmt -> identifier:=exp
  12. read-stmt  -> read identifier
  13. write-stmt -> write exp
  14. exp -> arithmetic-exp | bool-exp | string-exp
  15. arithmetic-exp -> term { addop term }
  16. addop   -> + | -
  17. term -> factor { mulop factor }
  18. mulop   -> * | /
  19. factor  ->  (arithmetic-exp) | number | identifier

20 bool-exp   -> bterm { or bterm }

21 bterm   -> bfactor { and  bfactor}

22 bfactor -> comparison-exp

23 comparison-exp -> arithmetic-exp comparison-op arithmetic-exp

24 comparison-op  -> < | = | > | >= | <=

  1. tring-exp      -> string

 

  1. 根据EBNF的定义,修改PARSE.C文件,构造递归下降语法分析器,产生一棵语法树。
  • 基本语法树木的结构如下:

语句系列

语句间通过链表相连,除了第一条语句,其他语句均可通过前一个语句的->slibing查找到。

If语句

test位于If语句的child[0],

then-partchild[1],

else-partchild[2]

Repeat

Body位于repeat语句中的child[0],

test位于chlid[1]

Assign

Expression 位于assign语句child[0]

write

 

Expression位于writechild[0]

Op

逻辑运算

Left-operand 位于op语句的child[0],

Right-opreand位于语句的child[1];

while

Test位于while语句的child[0]

Do-part位于child[1]

 

Define

如:

int AB

 

B位于Aslibing中,

其中AB的子节点均未赋值(此处留给将来拓展用)

 

  • 新建一个define的结点类型,用来识别定义语句.
  • 重写tiny中不适合的语法分析树枝,按照新的ENBF定义写出合适的分析函数,从而构建出正确语法树。

 

语法分析测试结果:

测试一:

输入

 

 

输入右边所示文件,运行程序后,结果如下图:

   

 

输出

 

 

语义分析实验过程:

1main函数中将 NO_CODE 设置为TRUE,使程序进行语义分析过程。

2一个用TINY+语言编写的程序包括变量的声明和语句序列两个部分。变量声明部分可以为空,但一个TINY+程序至少要包含一条语句。

    1. 所有的变量在使用之前必须声明,并且每个变量只能被声明一次。
    2. 变量以及表达式的类型可以是整型int,布尔类型bool或者字符串类型char,必须对变量的使用和表达式进行类型检查。

3构建语义分析器主要包括

  • 符号表的设计以及符号表的相应操作
  1. 符号表保存信息:变量的地址信息、变量被访问的行号
  2. 变量以其变量名ID,通过链式hash储存查找到相应数据。
  • 语义分析程序本身的操作,包括符号表的构建以及类型检查。
  1. 符号表的创建:
  • 前序遍历语法树:

当遇到定义的语法结点时候,将其变量新增到哈希表中,并存储其行号位置;

遇到含有变量的非定义语句的结点时,查找该变量位于哈希表中的位置,将该行号储存到哈希相应表项的next位置。

  1. 类型检查:
  • 后续遍历语法树,对每一个结点进行语义判断:

1.  if语句结点中,if-test(child[0])的类型必定为boolean

 

2.  while语句结点中,while-test(child[0])的类型必定为boolean

3.  op算术运算结点中,child[0]child[1]必须为integer类型

4.  op逻辑运算结点中,child[0]child[1]必须为boolean

5.  赋值运算结点中,child[0]child[1]的类型必须一致

6.  ……

  • 在后续遍历语法树中,查看变量是否非法使用:
  1. 当结点为ID结点时候,在哈希表中查看是否已经定义。
  2. 如果该结点为定义语句结点,则判断此变量是否重复定义。
  3. 如果该变量已经定义,则将变量的type(类型)赋于定义时候的类型
  4. 进入上一层遍历,当其类型不符合上一层所需类型时候提示错误。(即如在赋值语句中,该变量的类型与赋值语句另一个子节点的类型不一致,提示语义错误)。

词法分析测试结果

测试一:

输入

 

输入右边所示文件,运行程序后,结果如下图:

 

输出

  

 

 

测试二:

输入

 

 

输入右边所示文件,运行程序后,结果如下图:

 

 

输出

 

 

测试三:(测试错误提示)

输入

输入右边所示文件,运行程序后,结果如下图:

代码中有三处错误:

    1. A重复定义
    2. A>3Achar型,比较错误
    3. A:=1中赋值错误。类型不一致

输出

 

中间代码生成实验过程:

1 main函数中将 NO_PARSENO_ANALYZENO_CODE 设置为FALSE,使程序进行中间代码生成过程。

2 构造TINY+的中间代码生成系,该中间代码生成器将TINY+程序翻译为三地址中间代码。

3在原tiny中间代码生成器的实现位于cgen.ccgen.h中。其接口为codeGen(TreeNode* syntaxTree,char* codefile).

主要功能为:

  • 函数的开始,产生一些注释以及建立运行时环境的指令。
  • 对语法树调用cGen函数,对每一个语法树结点生成相应指令
  • 最后生成HALT指令,结束目标代码生成。

注释以及指令均写在某指定.tm文件上,供TM程序调用并且运行。

  1. Tiny+tiny的基础上进行修改。其中codeGen函数将保持不变,修改其cGen函数即可。
  • 修改cGen函数调用的getExp()函数。
  • 增加OpK的类型,即在原有功能代码基础上,增加新增符号其操作的中间代码生成步骤。即新增符号RT,EQ,LTEQ,RTEQ.

如增加“>”的中间代码生成过程

  • 增加LogicOpK的处理(即增加ANDOR的中间代码的生成)

此处中间代码生成比算术运算的中间代码复杂得多,根据TM程序的指令以及其操作原理,写出ANDOR中间生成代码功能:

  1. 修改cGen函数调用的getStmt()函数。增加语句while的中间代码生成。

此处通过Tiny+文法规则产生对于的三地址中间代码属性,完成while生成中间代码功能。

 

 

中间代码测试结果

测试一:

输入

输入右边所示sample.tny文件到TINY+,运行程序后,获得example.tm文件。

 

example.tm文件输入TM程序中,运行结果如图:

输入x=5,输出120(正确)

输入x=101,跳出if(正确)

输入x=4,输出24(正确)

输入x=-1,跳出if(正确)

输出

Example.TM文件如下截图:

 

输入上述文件到TM程序中运行,结果如下:


  • TINY+编译器的设计编写中,将书上学到的知识运用到实践中,从而完成TINY编译器的拓展。
  • 加深对文法的理解、词法分析中的无穷自动机(NFA)转为有穷自动机(DFA)再转成最间DFA的过程以及原理有了新的认识。
  • 语法分析是耗费我最多时间的地方。TINY+语法定义稍有不准确,将为后期代码调试带来很大的麻烦。并且语法的定义在精简压缩方面需要下很大功夫。从给定的EBNF定义,到真正可运行的程序代码,期间需要大量的测试调试。
  • 在构建语法生成树中,曾多次修改之前写的词法分析器,并且重写了之前写的质量不高的语法分析器,将代码结构进行解耦,方便了后续的调试以及改进。
  • 在中间代码生成中,深入了解生成三地址的中间代码方式。其中就if语句的中间代码生成进行了大量的测试,最终将原先不太了解的汇编代码看懂,并且写出了逻辑表达式ANDOR、以及While的中间代码生成功能。
  • TM程序中,通过一步步调试程序代码,学会执行汇编语言,其中学会自定义寄存器、内存缓冲区、指令缓冲区来执行汇编语言。也在此过程中,改正了中间代码生成中的许多bug
  • TINY+编译器存在着许多不足,仍需要进行改造进化。但完成该编译器后,已经向编译原理世界迈进一大步了。

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