符號(hào)表的組織和管理.ppt

第五章:符號(hào)表的組織和管理,符號(hào)表的作用 符號(hào)表的主要屬性及其作用 符號(hào)表的組織結(jié)構(gòu) 名字的作用范圍,5.1 符號(hào)表的作用,符號(hào)表是編譯程序中的一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它象源程序的一個(gè)數(shù)據(jù)字典，存儲(chǔ)了源程序中每個(gè)名字及其屬性，使用在編譯的各個(gè)階段。 (1) 登記符號(hào)屬性值 在源程序的各個(gè)分析階段，編譯程序根據(jù)標(biāo)識(shí)符的聲明信息收集它屬性的有關(guān)值，并把它們存放在符合表中。 每種語(yǔ)言規(guī)則定義了不同的符號(hào)屬性；即使是同一個(gè)語(yǔ)言，不同的編譯程序也可能會(huì)定義并且收集不同的屬性信息?，F(xiàn)代編程語(yǔ)言中一般包括常數(shù)聲明、變量聲明、類型聲明和過(guò)程/函數(shù)聲明等四類聲明。對(duì)于每類聲明，編譯程序要收集、存儲(chǔ)和應(yīng)用的屬性完全不同。,例 C語(yǔ)言的變量聲明 short int a; float b = 0.0; 把標(biāo)識(shí)符a聲明為短整數(shù)型，把b聲明為浮點(diǎn)類型，而且初始化為0。那么，編譯程序?qū)γ總€(gè)變量要記錄它的類型，以便執(zhí)行類型檢查和分配存儲(chǔ)，比如短整型變量i占2個(gè)字節(jié)；要記錄它在存儲(chǔ)器中的位置（相對(duì)位移或絕對(duì)地址），以便目標(biāo)程序運(yùn)行時(shí)訪問(wèn)；若像b有初始值，則還需要記錄這個(gè)初始值。,(2) 查找符號(hào)的屬性 符號(hào)表存放了源程序中的各種類型的信息，比如數(shù)值、變量類型、參數(shù)傳遞的地址等，在分析和翻譯源程序的過(guò)程中會(huì)被不斷地查詢。 例如，對(duì)于上述的變量聲明，如果源程序有代碼 a + b時(shí)，就需要查找、計(jì)算表達(dá)式中運(yùn)算數(shù)的類型和值，以便計(jì)算出表達(dá)式。 又如，在源程序中如果出現(xiàn)了函數(shù)調(diào)用factory (6)，編譯程序就需要查找到factory的聲明，找到實(shí)參6的地址并傳給形參n，執(zhí)行函數(shù)factory的體，并返回值等。,(2)檢查符號(hào)的合法性 例如，對(duì)于上述聲明，代碼 a = a + b，C語(yǔ)言的編譯將檢查變量a和b的類型，把表達(dá)式a + b的結(jié)果轉(zhuǎn)換成短整型，僅取整數(shù)部分進(jìn)行賦值。 在其它強(qiáng)類型語(yǔ)言，如Pascal和Ada，表達(dá)式運(yùn)算數(shù)的類型必須一致，不能進(jìn)行隱式類型轉(zhuǎn)換，對(duì)于這樣的表達(dá)式a + b，編譯程序在語(yǔ)義分析的過(guò)程中將發(fā)現(xiàn)并報(bào)告類型錯(cuò)誤的信息。 又如，面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的繼承性和多態(tài)性允許同一個(gè)消息在不同的環(huán)境中調(diào)用不同的方法（函數(shù)），即調(diào)用同名但在不同的類中實(shí)現(xiàn)的方法。這就需要編譯或者運(yùn)行時(shí)在方法的符號(hào)表中查詢?cè)趨?shù)、返回?cái)?shù)以及方法方面名字一致的實(shí)現(xiàn)。,(3) 作為目標(biāo)代碼生成階段地址分配的依據(jù) 標(biāo)識(shí)符由它定義的存儲(chǔ)類型或它在程序中的位置來(lái)確定。 首先是要確定變量存儲(chǔ)的區(qū)域。例如，在Java語(yǔ)言中，整數(shù)的類型（以及所占用的字節(jié)）有byte（1個(gè)字節(jié)）、short（2個(gè)字節(jié)）、int（4個(gè)字節(jié)）以及l(fā)ong（8個(gè)字節(jié)），而float類型占4個(gè)字節(jié)，double類型占8個(gè)字節(jié)。又如，對(duì)寄存器變量，編譯將盡可能地把它們保留在機(jī)器的寄存器當(dāng)中，以提高運(yùn)行速度；而對(duì)在一個(gè)文件中定義的外部變量，它們要在不同的源程序文件之間訪問(wèn)，需要編譯程序把它們放在所有源程序文件都可以方便尋找到的存儲(chǔ)器的位置。 其次，要根據(jù)標(biāo)識(shí)符出現(xiàn)的順序，決定標(biāo)識(shí)符在某個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域中的具體位置，而有關(guān)區(qū)域的標(biāo)志及其相對(duì)位置都是作為該標(biāo)識(shí)符的語(yǔ)義信息存放在它的符號(hào)表中的。,5.2 符號(hào)表的主要屬性及其作用,不同的符號(hào)類別包含了不同的屬性，由于它們的信息不同，也就導(dǎo)致了符號(hào)表的組織有較大的差別。例如，數(shù)量類型的變量名字和過(guò)程名字： 對(duì)于一個(gè)變量名要記錄其類型（如整型、實(shí)型、布爾型等）、占用的存儲(chǔ)字節(jié)以及相對(duì)與某個(gè)基準(zhǔn)位置的相對(duì)位置； 對(duì)一個(gè)過(guò)程名要記錄的屬性包括參數(shù)的個(gè)數(shù)及其類型，該過(guò)程是否有返回值，過(guò)程中的變量聲明，甚至過(guò)程聲明（如果像Pascal語(yǔ)言允許嵌套過(guò)程聲明）等信息。 不同的程序語(yǔ)言規(guī)定了符號(hào)的不同性質(zhì)以及語(yǔ)法、語(yǔ)義和規(guī)則，幾種基本的符號(hào)屬性。,(1)符號(hào)名 語(yǔ)言中的符號(hào)名通常用標(biāo)識(shí)符來(lái)表示。根據(jù)語(yǔ)言的定義，程序中出現(xiàn)的重名標(biāo)識(shí)符定義將按照該標(biāo)識(shí)符在程序中的作用域和可視規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)的處理。而在程序的運(yùn)行過(guò)程中，符號(hào)表中的符號(hào)名始終是唯一的標(biāo)志。 在一些允許操作重載、類繼承的語(yǔ)言中，函數(shù)名、操作名允許重名，對(duì)于重載操作的標(biāo)識(shí)符，它們可以通過(guò)參數(shù)的個(gè)數(shù)與類型以及返回值的類型來(lái)區(qū)別；而對(duì)于操作的繼承，編譯器可以構(gòu)造繼承圖，同時(shí)保存類結(jié)構(gòu)，這樣就可以為每個(gè)操作和屬性找到唯一的定義。 例如，對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)類型，可以定義幾個(gè)求和重載函數(shù)： int sum ( int a, int b) double sum ( double a, double b) float sum（float a, float b, float c） 當(dāng)某個(gè)函數(shù)中調(diào)用到重載函數(shù)時(shí)，編譯器根據(jù)實(shí)參的類型和個(gè)數(shù)去調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。,(2)符號(hào)種屬 由于語(yǔ)言中符號(hào)所擁有的屬性可能不同，其組織就可以采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以用符號(hào)的種屬來(lái)區(qū)別每個(gè)符號(hào)的基本劃分。 根據(jù)不同的語(yǔ)言，符號(hào)的種屬可以包括：簡(jiǎn)單變量、結(jié)構(gòu)型變量、數(shù)組、過(guò)程、類型、類等。 可以依據(jù)符號(hào)種屬的劃分來(lái)組織符號(hào)表，一種方式是為每個(gè)種屬的標(biāo)識(shí)符建立一張表，這樣，可以對(duì)符號(hào)表類似地安排組織結(jié)構(gòu)、進(jìn)行同樣的操作；另外一種方式把所有種屬的標(biāo)識(shí)符統(tǒng)一安排在一張表中，根據(jù)符號(hào)的種屬進(jìn)行條件判斷，對(duì)不同種屬的特殊型執(zhí)行不同的存儲(chǔ)安排和操作。,(3)符號(hào)類型 現(xiàn)代程序語(yǔ)言中的一個(gè)重要構(gòu)造就是數(shù)據(jù)類型（類型），它是變量標(biāo)識(shí)符的重要屬性，函數(shù)的數(shù)據(jù)類型指的是該函數(shù)返回值的數(shù)據(jù)類型。 現(xiàn)代語(yǔ)言通常都有如下的基本類型：整型、實(shí)型、字符型、布爾型、邏輯型等； 符號(hào)的類型屬性從源程序中該符號(hào)的定義中得到 變量符號(hào)的數(shù)據(jù)類型屬性不但決定了該變量的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)格式，也規(guī)定了可以對(duì)該變量施加的操作運(yùn)算。,每一個(gè)變量的類型是符號(hào)表中標(biāo)識(shí)符屬性的重要信息。,(4)存儲(chǔ)類別 大多數(shù)程序語(yǔ)言對(duì)變量的存儲(chǔ)類別采用兩種方式。 一種是用關(guān)鍵字指定，例如，在FORTRAN語(yǔ)言中用COMMON來(lái)定義公共存儲(chǔ)區(qū)域，允許不同程序段都可以訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)；又如，C和C+語(yǔ)言規(guī)定static定義的變量屬于文件的靜態(tài)存儲(chǔ)變量或?qū)儆诤瘮?shù)內(nèi)部的靜態(tài)存儲(chǔ)變量，這些變量在編譯時(shí)分配存儲(chǔ)空間，如果定義時(shí)沒(méi)有初值，編譯器還需要將它們初始化為0。 另一種方式是根據(jù)定義變量的聲明在程序中的位置來(lái)決定。例如，C+規(guī)定在一個(gè)文件中定義的變量缺省為外部的，即程序的公共存儲(chǔ)變量；而在函數(shù)體內(nèi)缺省存儲(chǔ)類別關(guān)鍵字所定義的變量是內(nèi)部變量，是屬于該函數(shù)體所獨(dú)有的私有存儲(chǔ)變量，因而是動(dòng)態(tài)地分配存儲(chǔ)空間。 區(qū)別符號(hào)存儲(chǔ)類型地屬性是編譯過(guò)程中語(yǔ)義處理、檢查和存儲(chǔ)分配的重要依據(jù)。 符號(hào)的存儲(chǔ)類別同時(shí)還決定了符號(hào)變量的作用域、可見(jiàn)性和它的生命周期等性質(zhì) 。,(5)作用域 一個(gè)標(biāo)識(shí)符在程序中起作用的范圍稱為其作用域。 一般來(lái)說(shuō)，定義一個(gè)符號(hào)的位置及存儲(chǔ)類型就決定了該符號(hào)的作用域，就是它可以出現(xiàn)的場(chǎng)合，可以在程序中作為參數(shù)、表達(dá)式的運(yùn)算數(shù)等被引用。 C語(yǔ)言中外部變量的作用域是整個(gè)程序，一個(gè)外部符號(hào)的定義在整個(gè)策劃能夠許中只能出現(xiàn)一次，為了方便使用和編譯，同名標(biāo)識(shí)符的其它說(shuō)明可以多次出現(xiàn)。 FORTRAN語(yǔ)言中的COMMON變量的作用域則不是整個(gè)程序，而只能在定義這個(gè)COMMON塊的函數(shù)或過(guò)程中引用。 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，如C+，的每個(gè)類都引入了一個(gè)獨(dú)立的類域。,作用域與可見(jiàn)性 標(biāo)識(shí)符的可見(jiàn)性從另外一個(gè)角度說(shuō)明其有效性，它與作用域有一定一致性。 標(biāo)識(shí)符的作用域包含可見(jiàn)范圍，但是，可見(jiàn)范圍不會(huì)超過(guò)作用域。 可見(jiàn)性在理解同名是不是合法的作用域嵌套時(shí)十分直觀。對(duì)于外層塊域內(nèi)層塊定義的同名標(biāo)識(shí)符，在外層作用域中，內(nèi)層所定義的標(biāo)識(shí)符時(shí)不可見(jiàn)的，即外層所引用的是外層所定義的標(biāo)識(shí)符； 同樣，在內(nèi)層作用域中，外層的標(biāo)識(shí)符將被內(nèi)層的同名標(biāo)識(shí)符所屏蔽，變得不可見(jiàn)，即外層中同名標(biāo)識(shí)符的可見(jiàn)范圍是作用域中挖去內(nèi)層塊的范圍，在內(nèi)存塊形成了作用域洞 。,(6 )存儲(chǔ)分配信息 編譯程序需要根據(jù)符號(hào)的存儲(chǔ)類別定義以及它們?cè)诔绦蛑谐霈F(xiàn)的位置和順序來(lái)確定每一個(gè)符號(hào)應(yīng)該分配的存儲(chǔ)區(qū)域及其具體位置。 通常情況下，編譯為每個(gè)符號(hào)分配一個(gè)相對(duì)于某個(gè)基址的相對(duì)位移，而不是絕對(duì)的內(nèi)存地址。,(7)其它屬性 數(shù)組內(nèi)情向量 需要把描述數(shù)組屬性的信息如數(shù)組類型、維數(shù)、每個(gè)維的上下界、數(shù)組元素的首地址等登錄在符號(hào)表中，以便確定數(shù)組在存儲(chǔ)器占用的空間和數(shù)組元素的確定，并且完成數(shù)組的翻譯。 記錄結(jié)構(gòu)型的成員信息 一個(gè)記錄結(jié)構(gòu)型的變量包含若干成員，每個(gè)成員的數(shù)據(jù)類型可以彼此不同，因此，一個(gè)記錄結(jié)構(gòu)型變量在存儲(chǔ)分配時(shí)所占空間的大小由其成員來(lái)確定，而且，對(duì)每個(gè)成員的訪問(wèn)還需要它所屬成員排列次序的屬性信息。 函數(shù)或過(guò)程的形參 函數(shù)或過(guò)程的形參作為其局部變量，同時(shí)又是對(duì)外部調(diào)用的接口。每個(gè)函數(shù)或過(guò)程形參的個(gè)數(shù)、類型、排列順序都體現(xiàn)了調(diào)用函數(shù)或過(guò)程時(shí)的屬性，它們都應(yīng)該反映在符號(hào)表中，以便在過(guò)程調(diào)用的時(shí)候進(jìn)行參數(shù)傳遞，并且執(zhí)行語(yǔ)義檢查（如處理函數(shù)名的重載）。 在面相對(duì)象語(yǔ)言中，還必須把一個(gè)類或其超類所定義同名方法存放在一個(gè)方法表中，指向每個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)操作，以便實(shí)現(xiàn)面相對(duì)象的繼承性質(zhì)。,5.3 符號(hào)表的組織結(jié)構(gòu),一個(gè)編譯程序從詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析到代碼生成的整個(gè)過(guò)程中，都要不斷地訪問(wèn)和管理符號(hào)表。因此，符號(hào)表的組織管理直接關(guān)系到編譯程序的效率。 三種常見(jiàn)的符號(hào)表的結(jié)構(gòu)： 線性表、搜索樹和散列表組織 線性表組織是按照符號(hào)被掃描到的先后順序填寫各個(gè)表項(xiàng)，可以用一個(gè)多維數(shù)組或多個(gè)一維數(shù)組來(lái)存放符號(hào)的信息。 線性表需要兩個(gè)指針來(lái)方便管理和操作：一個(gè)指針指向該符號(hào)表的開始位置，另一個(gè)指針指向符號(hào)表的下一個(gè)可用位置。 線性表是最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以方便、直接地實(shí)現(xiàn)上述的插入、查找和刪除三種基本操作，而且每種的操作時(shí)間都是符號(hào)表大小的線性函數(shù)，對(duì)于有N個(gè)表項(xiàng)的符號(hào)表，這些操作的平均時(shí)間都是N/2左右（算法時(shí)間復(fù)雜性為(N)）。 由于線性表無(wú)需附加空間，比較節(jié)省存儲(chǔ)。如果編譯器對(duì)處理時(shí)間要求不高，或者符號(hào)個(gè)數(shù)不大（如關(guān)鍵字），符號(hào)表就可以采用線性表結(jié)構(gòu)。,搜索樹結(jié)構(gòu) 搜索樹可以在構(gòu)造符號(hào)表的同時(shí)，按照符號(hào)名的字典順序把表項(xiàng)整理排列，提高符號(hào)表查找操作的速度。 這樣就可以采用折半查找的方式，加快搜索的速度。 對(duì)于有N個(gè)表項(xiàng)的符號(hào)表，每次查找最多只需要做logN次比較（因此這種查找法也叫對(duì)數(shù)查找法）。 但是，由于符號(hào)表在編譯過(guò)程中是邊填寫邊引用，動(dòng)態(tài)地建立、更新以及刪除表項(xiàng)，這樣，每增加和刪除一個(gè)表項(xiàng)都需要對(duì)符號(hào)表進(jìn)行重新排序，這同樣浪費(fèi)時(shí)間。 因此，搜索樹結(jié)構(gòu)不適合用于構(gòu)造符號(hào)表，除了需要額外的空間構(gòu)造搜索樹以外，整體而言，它們實(shí)現(xiàn)這三類操作效率不是最優(yōu)，而且刪除操作的實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜。,符號(hào)表處理的關(guān)鍵問(wèn)題 散列組織統(tǒng)一了查詢與插入操作技術(shù)，相對(duì)來(lái)說(shuō)具有較高的時(shí)空效率，為上述三種操作提供的時(shí)間基本上是常數(shù)。 特別是散列表結(jié)構(gòu)符合編譯過(guò)程邊填寫邊引用符號(hào)表的特性，是實(shí)現(xiàn)符號(hào)表的最佳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在實(shí)踐中的使用最多。,線性表結(jié)構(gòu)填表快，查詢慢；搜索樹結(jié)構(gòu)查詢快，填表慢。,如何保證查詢與插入表項(xiàng)這兩個(gè)基本操作的都能高效地完成。,散列方法 散列方法在表項(xiàng)的存儲(chǔ)位置與它的關(guān)鍵碼之間建立一個(gè)確定的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系（哈希函數(shù)，雜湊函數(shù)，hash），使每個(gè)關(guān)鍵碼symbol與散列結(jié)構(gòu)（散列表，哈希表，雜湊表）中的唯一的存儲(chǔ)位置相對(duì)應(yīng)，即hash(symbol)。 在搜索時(shí)，首先對(duì)表項(xiàng)的關(guān)鍵碼用哈希函數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)的存儲(chǔ)位置，在散列表中按此位置取出表項(xiàng)進(jìn)行比較，若關(guān)鍵碼相等，則搜索成功。 在填入表項(xiàng)時(shí)，依同樣函數(shù)計(jì)算存儲(chǔ)位置，并按此位置存放表項(xiàng)。由于使用這種方法進(jìn)行搜索時(shí)不必多次比較關(guān)鍵碼，因此搜速速度比較快，可以到達(dá)逼近具有此關(guān)鍵碼的表項(xiàng)的實(shí)際存放地址。,對(duì)哈希函數(shù)的基本要求 計(jì)算簡(jiǎn)單、高效； 函數(shù)值能均勻地分布在1和N之間， 對(duì)不同的關(guān)鍵碼都返回一個(gè)代表存儲(chǔ)位置的不同值。 構(gòu)造哈希函數(shù)的算法有許多，例如，若取N為素?cái)?shù)，就可以定義哈希函數(shù)為symbol/N的余數(shù)，其中symbol是某個(gè)符號(hào)的代碼。由于語(yǔ)言中的標(biāo)識(shí)符可以相互區(qū)別，它們的代碼值都是不同的。,散列沖突的解決 不同的關(guān)鍵碼經(jīng)過(guò)雜湊運(yùn)算以后，有可能得到相同的雜湊值，這種現(xiàn)象稱為散列沖突。 一種常用的方法是鏈地址法。 把有N個(gè)地址的散列表改為N個(gè)桶，桶號(hào)與散列地址一一對(duì)應(yīng)，第i（1iN）個(gè)桶號(hào)即為第i個(gè)散列地址，每個(gè)桶則是一個(gè)線性鏈表（稱為同義詞表），鏈表中的表項(xiàng)具有相同的散列函數(shù)值。 若出現(xiàn)了沖突，即一個(gè)表項(xiàng)的散列值所對(duì)應(yīng)的地址已經(jīng)被占據(jù)，則需把這個(gè)表項(xiàng)放到該桶的鏈尾或鏈?zhǔn)住?5.4 名字的作用范圍,名字的聲明和作用域 程序語(yǔ)言中的聲明是把信息聯(lián)系到名字（標(biāo)識(shí)符）的一種語(yǔ)法結(jié)構(gòu)。 編程語(yǔ)言中一般包括5類聲明： 常量聲明、變量聲明、類型聲明和過(guò)程/函數(shù)聲明以及類聲明 常量聲明把值聯(lián)解到名字 。 類型聲明把名字綁定到新構(gòu)造的類型或者為已經(jīng)存在的名字創(chuàng)建一個(gè)別名。 變量聲明通常把名字綁定到一個(gè)類型，同時(shí)還隱式地綁定了其它屬性。 一個(gè)聲明起作用的程序部分稱為該聲明的作用域。過(guò)程中出現(xiàn)的名字，如果是在該過(guò)程的一個(gè)聲明的作用域內(nèi)，就稱為局部于該過(guò)程的；否則叫做非局部的。,先聲明后使用是一條在大多數(shù)程序中普遍采用的規(guī)則，它要求一個(gè)名字的聲明在程序的正文中在它的引用之前。 這條規(guī)則允許編譯器一邊分析程序一邊建立符號(hào)表： 一旦在程序代碼中遇到了名字引用才執(zhí)行符號(hào)表的查找操作； 如果查找失敗，就出現(xiàn)了違反先聲明后使用的規(guī)則，編譯器就能發(fā)出一個(gè)適當(dāng)?shù)腻e(cuò)誤消息。 所以，