編譯第1章 概述

1、編譯原理 主講：白明E-mail:班級：1308011308022022年4月29日星期五第2頁教材及主要參考資料教材及主要參考資料 教材教材：編譯原理及實踐教程，：編譯原理及實踐教程，黃賢英，清華大學出版社黃賢英，清華大學出版社 主要參考資料：主要參考資料： 編譯原理，編譯原理，陳火旺，國防工業(yè)出版社陳火旺，國防工業(yè)出版社 編譯原理（原書第編譯原理（原書第2版）（龍書）版）（龍書） ，ALFRED V.AHO etc著，趙建華著，趙建華 鄭滔等譯鄭滔等譯 ，機械工業(yè)出版社，機械工業(yè)出版社，2008.12 程序設計語言編譯方法程序設計語言編譯方法，肖軍模，大連理工大學出版社，肖軍模，大連理工大

2、學出版社 編譯原理，編譯原理，張素琴，呂映芝，清華大學出版社張素琴，呂映芝，清華大學出版社 更多教材及參考資料參見更多教材及參考資料參見編譯原理精品課程網站編譯原理精品課程網站。C語言程序語言程序void main( ) int x,y,z; x=3; y=2; z=x+y;內存地址內存地址內存內容內存內容單元名字單元名字200H3x：局部變量202H2y：局部變量204H5z：局部變量300H3A03302H3AE1304H3A02306H3AE2308HDA6C.3A71匯匯編編語語言言程程序序mov ax,3mov x,axmov bx,2mov y,bxadd ax,bxmov z,a

3、x.序言在內存中：在內存中：數據區(qū)代碼區(qū) ？第4頁第1章 概述 主要內容主要內容：各種翻譯程序的概念，編譯過：各種翻譯程序的概念，編譯過程和階段劃分，編譯程序的組成和結構，程和階段劃分，編譯程序的組成和結構，編譯程序的構造方法。編譯程序的構造方法。 重點掌握：重點掌握：編譯程序工作的基本過程及其編譯程序工作的基本過程及其各階段的基本任務，編譯程序總框。各階段的基本任務，編譯程序總框。本章要求第5頁1.1 程序設計語言與編譯程序 機器語言機器語言 (machine language) C7 06 0000 0002 匯編語言匯編語言 (assembler language) MOV X , 2

4、高級語言高級語言 (high-level language) X = 2為什么要使用編譯程序為什么要使用編譯程序？2022年4月29日星期五第6頁計算機中的語言層次和翻譯程序計算機中的語言層次和翻譯程序第7頁什么叫翻譯程序 翻譯程序翻譯程序：能夠將某種語言寫的程序轉換成另能夠將某種語言寫的程序轉換成另一種語言的程序，而且后者與前者在邏輯上是一種語言的程序，而且后者與前者在邏輯上是等價等價的。的。 編譯程序編譯程序：將高級程序設計語言程序翻譯成邏將高級程序設計語言程序翻譯成邏輯上等價的低級語言輯上等價的低級語言(匯編語言，機器語言匯編語言，機器語言)程序程序的翻譯程序。的翻譯程序。 解釋程序：解

5、釋程序：將高級程序設計語言寫的源程序作將高級程序設計語言寫的源程序作為輸入，邊解釋邊執(zhí)行源程序本身，而不產生為輸入，邊解釋邊執(zhí)行源程序本身，而不產生目標程序的翻譯程序。目標程序的翻譯程序。第第8頁頁高高級級語語言言語言處理語言處理程序程序操作系統操作系統匯編語言匯編語言翻譯程序所處的層次翻譯程序所處的層次計算機硬件計算機硬件C編譯程編譯程序序C語語言言Basic解釋程序解釋程序Basic語言語言Fortran編譯程序編譯程序Fortran語言語言.2022年4月29日星期五第9頁編譯程序編譯程序編譯程序源程序源程序目標程序目標程序計算機運行計算機運行輸入數據輸入數據結果結果解釋程序解釋程序解釋

6、程序源程序源程序輸入數據輸入數據結果結果第10頁對編譯程序的一些說明對編譯程序的一些說明 編譯程序實質上是一個編譯程序實質上是一個翻譯程序翻譯程序，要注意，要注意等價等價變換。變換。 本課程的本課程的任務任務就是講解在這個轉換過程中所涉及到的一些就是講解在這個轉換過程中所涉及到的一些理論和方法，最后，理解編譯的原理和實現方法，高標準：理論和方法，最后，理解編譯的原理和實現方法，高標準：使用這些理論和方法，自己編寫一個小的編譯器。使用這些理論和方法，自己編寫一個小的編譯器。 轉換是一個總體的功能，要抓住總體結構，逐層細分，寫轉換是一個總體的功能，要抓住總體結構，逐層細分，寫編譯器時要體現軟件工程

7、中編譯器時要體現軟件工程中軟件設計的原則軟件設計的原則，自頂向下，自頂向下，逐層分解。逐層分解。 編譯器要完成的轉換任務相當復雜，實現編譯器時必須編譯器要完成的轉換任務相當復雜，實現編譯器時必須分分步驟分階段步驟分階段實現。分階段實現的好處是能夠實現。分階段實現的好處是能夠簡化程序的設簡化程序的設計計，當然也可以不分階段實現。，當然也可以不分階段實現。第11頁編譯程序的分類編譯程序的分類診斷編譯程序診斷編譯程序優(yōu)化編譯程序優(yōu)化編譯程序可變目標編譯程序可變目標編譯程序交叉編譯程序交叉編譯程序第12頁編譯器的伙伴編譯器的伙伴編輯器編輯器(editor)預處理器預處理器(Preprocessor)將

8、源程序匯集到一起，宏展開等將源程序匯集到一起，宏展開等匯編程序匯編程序(assembler)連接程序連接程序(linker)連接系統函數與系統資源連接系統函數與系統資源裝入程序裝入程序(loader)重定位重定位(relocation)Debugger,Profiler,Project Manager第13頁1.2 編譯過程和編譯程序的結構源 程 序編 譯 器目 標 程 序詞詞法法分分析析語語法法分分析析語義分析語義分析與中間代與中間代碼生成碼生成代代碼碼優(yōu)優(yōu)化化目標代目標代碼生成碼生成第14頁 按照詞法分析、語法分析、語義分析等這種方式來按照詞法分析、語法分析、語義分析等這種方式來劃分階段的

9、原因是：每個階段的復雜程度不同，所劃分階段的原因是：每個階段的復雜程度不同，所依據的依據的理論基礎不同理論基礎不同，實現時采用的，實現時采用的方法也不同方法也不同。主要是方便理解和實現。主要是方便理解和實現。 劃分階段的依據是什么？每個階段所實現的劃分階段的依據是什么？每個階段所實現的功能相功能相對獨立對獨立。 邏輯上分五個階段：邏輯上分五個階段：詞法分析、語法分析、語義分詞法分析、語法分析、語義分析與中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標代碼生成。析與中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標代碼生成。 每個階段把源程序從一種表示變換成另一種表示。每個階段把源程序從一種表示變換成另一種表示。用一個例子說明各階段的功

10、能用一個例子說明各階段的功能第15頁/*一個一個PASCAL語言的源程序語言的源程序*/program test; /*this is an example,computing an area*/ var area, length, width: integer; begin length:=5;width:=5; area := 5length *widthlength *widthend. 第16頁第一階段：詞法分析第一階段：詞法分析 任務任務：從左到右掃描源程序，識別出每個單詞。從左到右掃描源程序，識別出每個單詞。o 附加任務：（附加任務：（1）濾掉空格（）濾掉空格（2）去掉注釋。）去掉

11、注釋。o 單詞符號是語言的基本組成成分。單詞符號是語言的基本組成成分。o 詞法分析的工作主要依據語言中單詞的構成規(guī)則。詞法分析的工作主要依據語言中單詞的構成規(guī)則。o 單詞的種類：單詞的種類： （1） 標識符標識符 （2） 關鍵字（關鍵字（char、int、if、else、while、for等）等） （3） 運算符（即運算符號運算符（即運算符號 +、*、/、&等）等） （4） 界符（常見的有界符（常見的有 ； ， ： （ ）等）等） （5） 常數常數 第17頁begin area:=5length*width length *widthend;單詞單詞類型類型內部形式內部形式begin關

12、鍵字關鍵字$beginarea標識符標識符id1:=界符界符:=5常數常數int1+算符算符+length標識符標識符id1*算符算符*width標識符標識符id2+算符算符+length標識符標識符id2*算符算符*width標識符標識符id3end關鍵字關鍵字$end;界符界符;例例:第18頁第二階段：語法分析第二階段：語法分析任務任務: 在詞法分析的基礎上，根據語言的語法規(guī)則，將單詞符號在詞法分析的基礎上，根據語言的語法規(guī)則，將單詞符號串分解成各類語法短語（例：程序、語句、表達式）。串分解成各類語法短語（例：程序、語句、表達式）。o 確定整個輸入串是否構成語法上正確的程序。確定整個輸入串

13、是否構成語法上正確的程序。o 根據規(guī)則判定：根據規(guī)則判定：賦值語句：賦值語句：標識符標識符:表達式表達式 表達式：表達式：標識符、常數是表達式標識符、常數是表達式 表達式的運算也是表達式表達式的運算也是表達式例：識別符號串例：識別符號串id1:=int1 + id2 * id3 + id2 * id3是一個賦值語句（是一個賦值語句（ area:=5length*widthlength *width）而而int1 + id2 * id3 + id2 * id3是一個表達式是一個表達式 （ 5length*widthlength *width ）第19頁語法分析所依據的是語言的語法規(guī)則！語法分析所

14、依據的是語言的語法規(guī)則！id1:=int1 + id2 * id3 + id2 * id3第20頁第三階段：語義分析和中間代碼生成第三階段：語義分析和中間代碼生成任務任務：對語法分析所識別出的各類語法短語分析其含義，：對語法分析所識別出的各類語法短語分析其含義，進行初步的翻譯進行初步的翻譯(翻譯成中間代碼翻譯成中間代碼)。o 靜態(tài)語義審查靜態(tài)語義審查 變量定義變量定義 類型匹配類型匹配 類型轉換類型轉換 例：例：C:=A*B (檢查檢查C與、類型與、類型)o 中間代碼的翻譯中間代碼的翻譯 中間代碼有多種形式，如：中間代碼有多種形式，如： 四元式四元式: (運算符，運算對象運算符，運算對象1，運

15、算對象，運算對象2，結果，結果) 第21頁例：例：對賦值語句：對賦值語句： id1:=int1 + id2 * id3 + id2 * id3 1. 檢查檢查area、length、width是否定義、類型是否定義、類型 2. 生成中間代碼生成中間代碼(運算符，運算對象運算符，運算對象1，運算對象，運算對象2，結果，結果) (*, id2, id3, T1) (+, int1, T1, T2) (*, id2, id3, T3) (+, T2, T3, T4) (:=, T4, _, id1)id1:=int1 + id2 * id3 + id2 * id3第22頁第四階段：第四階段： 代碼優(yōu)

16、化代碼優(yōu)化任務任務：對已產生的中間代碼進行加工變換，使生成的：對已產生的中間代碼進行加工變換，使生成的目標代碼更為高效（時間和空間）。目標代碼更為高效（時間和空間）。o 優(yōu)化方法包括：公共子表達式的提取、循環(huán)優(yōu)化、優(yōu)化方法包括：公共子表達式的提取、循環(huán)優(yōu)化、刪除無用代碼等。刪除無用代碼等。o 代碼的優(yōu)化依據的是程序的等價變換規(guī)則。代碼的優(yōu)化依據的是程序的等價變換規(guī)則。序號序號 四元式四元式1(*, id2, id3, T1)2(+, int1, T1, T2)3(*, id2, id3, T3)4(+, T2, T3, T4)5(:=, T4, _, id1)序號序號 四元式四元式1(*, i

17、d2, id3, T1)2 (+, int1, T1, T2)3(+, T2, T1, id1)2022年4月29日星期五第23頁第五階段：目標代碼的生成第五階段：目標代碼的生成任務任務：把中間代碼：把中間代碼(或經優(yōu)化的中間代碼或經優(yōu)化的中間代碼)變換成變換成特定特定機器上的低級語言代碼。機器上的低級語言代碼。o 依賴于機器的硬件系統結構和機器指令的含義；依賴于機器的硬件系統結構和機器指令的含義；o 目標代碼可以是：絕對指令代碼、可重定位的指令目標代碼可以是：絕對指令代碼、可重定位的指令代碼、匯編指令代碼。代碼、匯編指令代碼。序號序號 四元式四元式1(*, id2, id3, T1)2 (+

18、, int1, T1, T2)3(+, T2, T1, id1)（1）mov AX, id2（2）mul AX, id3（3）mov BX, AX（4）add AX, int1（5）add AX, BX（6）mov id1, AX第24頁 由左圖可以看由左圖可以看出，詞法分析出，詞法分析是實現編譯器是實現編譯器的基礎，語法的基礎，語法分析是實現編分析是實現編譯器的關鍵。譯器的關鍵。 因此按照這個因此按照這個順序來實現編順序來實現編譯器。譯器。第25頁編譯階段的組合 幾個概念幾個概念 遍：遍：對源程序或源程序的中間結果從頭到尾對源程序或源程序的中間結果從頭到尾掃描一次，并作有關的加工處理，生成新

19、的掃描一次，并作有關的加工處理，生成新的中間結果或目標程序。中間結果或目標程序。 編譯前端編譯前端：主要指與源語言有關，與目標語：主要指與源語言有關，與目標語言無關的部分，通常包括詞法分析、語法分言無關的部分，通常包括詞法分析、語法分析、語義分析和中間代碼生成，與機器無關析、語義分析和中間代碼生成，與機器無關部分的代碼優(yōu)化。部分的代碼優(yōu)化。 編譯后端編譯后端：指與目標機器有關的部分。如與：指與目標機器有關的部分。如與機器有關的優(yōu)化、目標代碼生成。機器有關的優(yōu)化、目標代碼生成。第26頁編譯階段的組合第27頁為什么生成中間代碼第第28頁頁編譯程序中的主要數據結構 (續(xù))Token表表符號表符號表常

20、數表常數表錯誤信息錯誤信息語法樹語法樹中間代碼表中間代碼表臨時文件臨時文件目標代碼表目標代碼表第29頁 (1) Token表表 當掃描程序將字符收集到一個記號中時，它通常是以當掃描程序將字符收集到一個記號中時，它通常是以符號表示這個記號；這也就是說，作為一個枚舉數據類型符號表示這個記號；這也就是說，作為一個枚舉數據類型的值來表示源程序的記號集。的值來表示源程序的記號集。 (2) 語法樹語法樹（syntax tree） 如果分析程序確實生成了語法樹，它的構造通常為基如果分析程序確實生成了語法樹，它的構造通常為基于指針的標準結構，在進行分析時動態(tài)分配該結構，則整于指針的標準結構，在進行分析時動態(tài)分

21、配該結構，則整棵樹可作為一個指向根節(jié)點的單個變量保存。結構中的每棵樹可作為一個指向根節(jié)點的單個變量保存。結構中的每一個節(jié)點都是一個記錄，它的域表示由分析程序和之后的一個節(jié)點都是一個記錄，它的域表示由分析程序和之后的語義分析程序收集的信息。語義分析程序收集的信息。編譯程序中的主要數據結構介紹第30頁 (3) 符號表（符號表（symbol table） 這個數據結構中的信息與標識符有關：函數、變量、這個數據結構中的信息與標識符有關：函數、變量、常量以及數據類型。常量以及數據類型。 符號表幾乎與編譯器的所有階段交互：掃描程序、符號表幾乎與編譯器的所有階段交互：掃描程序、分析程序或將標識符輸入到表格中

22、的語義分析程序；語分析程序或將標識符輸入到表格中的語義分析程序；語義分析程序將增加數據類型和其他信息；優(yōu)化階段和代義分析程序將增加數據類型和其他信息；優(yōu)化階段和代碼生成階段也將利用由符號表提供的信息選出恰當的代碼生成階段也將利用由符號表提供的信息選出恰當的代碼。碼。 因為對符號表的訪問如此頻繁，所以插入、刪除和因為對符號表的訪問如此頻繁，所以插入、刪除和訪問操作都必須比常規(guī)操作更有效。盡管可以使用各種訪問操作都必須比常規(guī)操作更有效。盡管可以使用各種樹的結構，但雜湊表卻是達到這一要求的標準數據結構。樹的結構，但雜湊表卻是達到這一要求的標準數據結構。第31頁 (4) 常數表（常數表（literal

23、 table） 常數表的功能是存放在程序中用到的常量和字符串，常數表的功能是存放在程序中用到的常量和字符串，因此快速插入和查找在常數表中也十分重要。但是，在因此快速插入和查找在常數表中也十分重要。但是，在其中卻無需刪除，這是因為它的數據全程應用于程序而其中卻無需刪除，這是因為它的數據全程應用于程序而且常量或字符串在該表中只出現一次。且常量或字符串在該表中只出現一次。 (5) 中間代碼（中間代碼（intermediate code） 根據中間代碼的類型（例如四元式代碼）和優(yōu)化的根據中間代碼的類型（例如四元式代碼）和優(yōu)化的類型，該代碼可以是文本串的數組、臨時文本文件或是類型，該代碼可以是文本串的數

24、組、臨時文本文件或是結構的連接列表。對于進行復雜優(yōu)化的編譯器，應特別結構的連接列表。對于進行復雜優(yōu)化的編譯器，應特別注意選擇允許簡單重組的表示。注意選擇允許簡單重組的表示。第32頁 (6) 目標目標代碼（代碼（intermediate code） 存放最終生成的目標代碼，該代碼最終是文本存放最終生成的目標代碼，該代碼最終是文本形式的文件。形式的文件。 (7) 臨時文件（臨時文件（temporary file） 計算機過去一直未能在編譯時將整個程序保留計算機過去一直未能在編譯時將整個程序保留在存儲器中。這一問題已經通過使用臨時文件來保在存儲器中。這一問題已經通過使用臨時文件來保存翻譯時中間步驟的

25、結果或通過存翻譯時中間步驟的結果或通過“匆忙地匆忙地”編譯編譯（也就是只保留源程序早期部分的足夠信息用以處（也就是只保留源程序早期部分的足夠信息用以處理翻譯）解決了。理翻譯）解決了。第33頁1.3 編譯程序的設計 構造編譯程序要掌握的內容構造編譯程序要掌握的內容 源語言：理解其結構和含義；源語言：理解其結構和含義； 目標語言：必須清楚硬件的系統結構和指令的目標語言：必須清楚硬件的系統結構和指令的格式等；格式等； 編譯方法。編譯方法。第34頁1.3 編譯程序的構造 一般實現編譯程序的方法一般實現編譯程序的方法1. 直接用機器語言編寫編譯程序直接用機器語言編寫編譯程序2. 用匯編語言編寫編譯程序用

26、匯編語言編寫編譯程序 注：編譯程序核心部分常用匯編語言編寫。注：編譯程序核心部分常用匯編語言編寫。3. 用高級語言編寫編譯程序用高級語言編寫編譯程序 注：這是普遍采用的方法。注：這是普遍采用的方法。4. 自編譯自編譯5. 用編譯工具自動生成用編譯工具自動生成:LEX(詞法分析詞法分析)與與YACC(用于自動產用于自動產生生LALR分析表分析表)6. 移植（同種語言的編譯程序在不同類型的機器之間移植）移植（同種語言的編譯程序在不同類型的機器之間移植）第35頁本書構成及編譯程序框架 章節(jié)章節(jié) 第第3章章第第4章、第章、第5章章第第7章章 第第6章、第章、第8章章第36頁1.4 編譯技術的發(fā)展及應用

27、1954年至年至1957年間，年間，FORTRAN語言及其編譯器的開發(fā)。花了語言及其編譯器的開發(fā)。花了18個人年。個人年。幾乎與此同時，幾乎與此同時，Noam Chomsky開始研究語言開始研究語言文法文法(grammar，結構規(guī)則，結構規(guī)則)的難易程的難易程度以及識別它們所需的算法來為語言分類。度以及識別它們所需的算法來為語言分類。在在6 0年代和年代和7 0年代進行的分析問題年代進行的分析問題(parsing problem，用于限定上下文無關語言的，用于限定上下文無關語言的識別的有效算法識別的有效算法)的研究。的研究。有窮自動機有窮自動機(finite automata)和正規(guī)式和正規(guī)式

28、(regular expression) 的研究與喬姆斯基的研究的研究與喬姆斯基的研究幾乎同時開始，引出了表示程序設計語言的單詞的符號方式。幾乎同時開始，引出了表示程序設計語言的單詞的符號方式。接著又深化了生成有效的目標代碼的方法，這就是最初的編譯器，實際上應稱作接著又深化了生成有效的目標代碼的方法，這就是最初的編譯器，實際上應稱作代碼改進技術代碼改進技術(code improvement technique)。當分析問題變得好懂起來時，人們就在開發(fā)程序上花費了很大的功夫來研究這一當分析問題變得好懂起來時，人們就在開發(fā)程序上花費了很大的功夫來研究這一部分的編譯器的自動構造。部分的編譯器的自動構

29、造。Lex與與Yacc。在在70年代后期和年代后期和80年代早期，大量的項目都關注于編譯器其他部分的生成自動化，年代早期，大量的項目都關注于編譯器其他部分的生成自動化，這其中就包括了代碼生成。這些嘗試并未取得多少成功。這其中就包括了代碼生成。這些嘗試并未取得多少成功。 第37頁1.4.1 編譯技術最近的發(fā)展與復雜的程序設計語言的發(fā)展結合在一起。如用于函數語言編譯與復雜的程序設計語言的發(fā)展結合在一起。如用于函數語言編譯的的Hindley-Milner類型檢查的統一算法。類型檢查的統一算法。編譯器已成為基于窗口的交互開發(fā)環(huán)境編譯器已成為基于窗口的交互開發(fā)環(huán)境(IDE)的一部分，的一部分，IDE的的

30、標準并沒有多少，但已對標準的窗口環(huán)境進行了開發(fā)。近年來對標準并沒有多少，但已對標準的窗口環(huán)境進行了開發(fā)。近年來對此進行了大量研究，但是基本的編譯器設計近此進行了大量研究，但是基本的編譯器設計近20年來沒有多大的年來沒有多大的改變，現在正迅速地成為計算機科學課程中的中心一環(huán)。改變，現在正迅速地成為計算機科學課程中的中心一環(huán)。由多處理機的發(fā)展以及對并行處理的要求，最近的研究方向是并由多處理機的發(fā)展以及對并行處理的要求，最近的研究方向是并行編譯。行編譯。隨著嵌入式應用的迅速增長，推動了交叉編譯技術的發(fā)展；對系隨著嵌入式應用的迅速增長，推動了交叉編譯技術的發(fā)展；對系統芯片設計方法和關鍵統芯片設計方法和關鍵EDA技術的研究，也帶動了專用語言技術的研究，也帶動了專用語言VHDL等及其編譯技術的不斷深化。等及其編譯技術的不斷深化。 第38頁1.4.2 為什么要學習編譯原理及其構造技術 有助于深刻理解和正確使用程序設計語言；有助于深刻理解和正確使用程序設計語言