《編譯原理實踐及應(yīng)用》第1章編譯原理概述

編譯原理實踐及應(yīng)用----清華大學(xué)出版社1教材及主要參考資料教材：編譯原理實踐及應(yīng)用，黃賢英，清華大學(xué)出版社主要參考資料：(1)編譯原理，陳火旺，國防工業(yè)出版社程序設(shè)計語言編譯方法，肖軍模，大連理工大學(xué)出版社編譯原理，張素琴，呂映芝，清華大學(xué)出版社編譯原理，alfred

V.Aho等著，李建中等譯，人民郵電出版社2C語言程序voidmain(){int

x,y,z;x=3;y=2;z=x+y;}內(nèi)存地址內(nèi)存內(nèi)容單元名字………………200H3x：局部變量201H2y：局部變量202H5z：局部變量…………匯編語言程序……movax,3mov

x,axmovax,2mov

y,axmov

ax,xmov

bx,yaddax,bxmovz,ax......300302304306308……序言3為什么要學(xué)習(xí)編譯原理？1、有助于深刻理解和正確使用程序設(shè)計語言，加深對高級語言程序執(zhí)行過程的理解2、有助于加深對整個計算機(jī)系統(tǒng)的理解。3、設(shè)計開發(fā)編譯程序的軟件技術(shù)同樣可以用于其他軟件的設(shè)計開發(fā)。4、隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，處理器性能在很大程度上取決于編譯器的質(zhì)量、編譯技術(shù)成為計算機(jī)的核心技術(shù)，地位變得越來越重要。4《編譯原理》課程在計算機(jī)科學(xué)中的重要地位

(1)學(xué)習(xí)編程最初是學(xué)習(xí)一門高級語言，C或Pascal，掌握編寫一些簡單程序的方法；(2)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立“算法”的概念，對編程有更深入的理解。遇到問題的時候，能夠?qū)ふ蚁鄳?yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計適當(dāng)?shù)乃惴▉斫鉀Q問題；(3)學(xué)習(xí)匯編語言，這門課程是我們真正深入了解計算機(jī)內(nèi)部工作的第一門課程。通過學(xué)習(xí)了解匯編語言如何變?yōu)闄C(jī)器語言，如何對應(yīng)于一條指令；(4)計算機(jī)組成原理課程的學(xué)習(xí)使我們了解到計算機(jī)的硬件組成，以及機(jī)器指令程序如何在計算機(jī)中運(yùn)行的過程。

(5)編譯原理課程幫助我們了解高級語言程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令程序的過程。可以幫助我們更深刻地理解高級語言程序運(yùn)行的內(nèi)部機(jī)制。5《編譯原理》課程在計算機(jī)科學(xué)中的地位高級語言程序設(shè)計離散數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編譯原理操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件軟件工程信息系統(tǒng)電子商務(wù)匯編語言計算機(jī)組成原理6學(xué)習(xí)本課程的目的和任務(wù)加深對編程語言設(shè)計和實現(xiàn)的理解，對和編程語言有關(guān)的理論有所了解，對宏觀上把握編程語言來說，起一個奠基的作用，提升自身的編程能力掌握編譯程序的基本結(jié)構(gòu)，掌握常用的編譯技術(shù)和方法，將編譯原理的理論和方法應(yīng)用于一般的軟件設(shè)計中培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作能力7本課程的特點(diǎn)(1)本課程理論性很強(qiáng)，學(xué)習(xí)時需要很強(qiáng)的邏輯思維能力(2)涉及的算法復(fù)雜，要深入地理解這些算法很困難(3)整個編譯程序的構(gòu)造方法非常精妙，就像一部走時精確的時鐘，很多齒輪、部件協(xié)調(diào)地運(yùn)轉(zhuǎn)，以驅(qū)動指針準(zhǔn)確地旋轉(zhuǎn)；編譯程序也是如此，一邊掃描源程序，一邊經(jīng)過各個部件的運(yùn)算，準(zhǔn)確地輸出為目標(biāo)語言。(4)編譯原理課程各個部分之間的獨(dú)立性很強(qiáng)，包括詞法分析、語法分析、存儲的組織與分配、中間語言、語法制導(dǎo)翻譯、代碼生成與優(yōu)化這幾大部分。詞法分析和語法分析是其中的重點(diǎn)，語言分析也是難點(diǎn)，需要掌握比較復(fù)雜的算法邏輯；其他部分相對來說知識性更強(qiáng)一些。各部分之間的方法也互相獨(dú)立，在學(xué)習(xí)時，便于逐個擊破。(5)考試考查的內(nèi)容相對來說是很穩(wěn)定的，絕大多數(shù)題目的解法都非常機(jī)械。8學(xué)習(xí)方法(1)盡可能地掌握編譯原理的思想，要站得高一點(diǎn)，盡可能理解算法的思想，而不是背固定的算法。應(yīng)該盡力理解為什么要這樣做，逐漸在頭腦中建立起編譯器的整體概念，而不是零零散散的一些算法。(2)很多題目的解法比較固定，要熟練掌握相應(yīng)的具體方法。(3)多做習(xí)題,對于編譯這樣的學(xué)科，題目的規(guī)模很大，步驟繁多，而且前面的步驟一旦出錯，后面都錯。(4)要扎扎實實地牢記重要算法，配合大量的習(xí)題進(jìn)行練習(xí)，達(dá)到拿到題目就可以動手做的地步。(5)一邊學(xué)習(xí)，一邊總結(jié)，關(guān)鍵是找差異：同一問題可以用多種方法來求解，不同方法適用于不同的文法，對文法的限制和要求，相應(yīng)的表格的構(gòu)造、使用等，各個方面的差異都要關(guān)注。(6)親自動手實現(xiàn)書上的一些算法,完成實驗指導(dǎo)書上給出的一個簡單的編譯程序，或者編譯程序的一部分，這樣能更靈活地掌握編譯程序構(gòu)造的精髓。

9編譯技術(shù)的發(fā)展1954年至1957年間，F(xiàn)ORTRAN語言及其編譯器的開發(fā)?；?8個人年。幾乎與此同時，NoamChomsky開始研究語言文法(grammar，結(jié)構(gòu)規(guī)則)的難易程度以及識別它們所需的算法來為語言分類。在60年代和70年代進(jìn)行的分析問題(parsingproblem，用于限定上下文無關(guān)語言的識別的有效算法)的研究。有窮自動機(jī)(finiteautomata)和正規(guī)式(regularexpression)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(shè)計語言的單詞的符號方式。接著又深化了生成有效的目標(biāo)代碼的方法，這就是最初的編譯器，實際上應(yīng)稱作代碼改進(jìn)技術(shù)(codeimprovementtechnique)。當(dāng)分析問題變得好懂起來時，人們就在開發(fā)程序上花費(fèi)了很大的功夫來研究這一部分的編譯器的自動構(gòu)造。Lex與Yacc。在70年代后期和80年代早期，大量的項目都關(guān)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。

10編譯器設(shè)計最近的發(fā)展

與復(fù)雜的程序設(shè)計語言的發(fā)展結(jié)合在一起。如用于函數(shù)語言編譯的Hindley-Milner類型檢查的統(tǒng)一算法。編譯器已成為基于窗口的交互開發(fā)環(huán)境(IDE)的一部分，IDE的標(biāo)準(zhǔn)并沒有多少，但已對標(biāo)準(zhǔn)的窗口環(huán)境進(jìn)行了開發(fā)。近年來對此進(jìn)行了大量研究，但是基本的編譯器設(shè)計近20年來沒有多大的改變，現(xiàn)在正迅速地成為計算機(jī)科學(xué)課程中的中心一環(huán)。由多處理機(jī)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。隨著嵌入式應(yīng)用的迅速增長，推動了交叉編譯技術(shù)的發(fā)展；對系統(tǒng)芯片設(shè)計方法和關(guān)鍵EDA技術(shù)的研究，也帶動了專用語言VHDL等及其編譯技術(shù)的不斷深化。11編譯技術(shù)的應(yīng)用語言的結(jié)構(gòu)化編輯器

:Turbo-Edit、editplus和Ultraedit等語言程序的調(diào)試工具語言程序的測試工具高級語言之間的轉(zhuǎn)換工具

交叉編譯程序

12引論第一章13本章要求主要內(nèi)容：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(jié)構(gòu)，編譯程序的構(gòu)造方法重點(diǎn)掌握：編譯程序工作的基本過程及其各階段的基本任務(wù)，編譯程序總框。14機(jī)器語言(machinelanguage)C70600000002匯編語言(assemblerlanguage)

MOVX,2高級語言(high-levellanguage)

X=2為什么要使用編譯器？15計算機(jī)中的語言層次和轉(zhuǎn)換關(guān)系16高級語言語言處理程序操作系統(tǒng)匯編語言編譯程序所處的層次計算機(jī)硬件C編譯程序C語言Basic解釋程序Basic語言Fortran編譯程序Fortran語言............171.1什么叫編譯程序翻譯程序：能夠?qū)⒛撤N語言寫的程序轉(zhuǎn)換成另一種語言的程序，而且后者與前者在邏輯上是等價的。編譯程序：是一種將高級語言程序(源程序)翻譯成低級語言(目標(biāo)程序)的程序解釋程序：接受某高級語言的一個語句輸入，進(jìn)行解釋并控制計算機(jī)執(zhí)行，馬上得到這句的執(zhí)行結(jié)果，然后再接受下一句。181.1什么叫編譯程序編譯程序（Compiler）——將高級程序設(shè)計語言程序翻譯成邏輯上等價的低級語言(匯編語言,機(jī)器語言)程序的翻譯程序。功能編譯程序源程序目標(biāo)程序計算機(jī)運(yùn)行輸入數(shù)據(jù)結(jié)果19解釋程序解釋程序（Interpreter）——將高級程序設(shè)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(chǎn)生目標(biāo)程序的翻譯程序。功能解釋程序源程序輸入數(shù)據(jù)結(jié)果20對編譯程序的一些說明編譯程序?qū)嵸|(zhì)上是一個翻譯程序，要注意等價變換本課程的任務(wù)就是講解在這個轉(zhuǎn)換過程中所涉及到的一些理論和方法，最后，使用這些理論和方法，自己編寫一個小的編譯器轉(zhuǎn)換是一個總體的功能，要抓住總體結(jié)構(gòu)，逐層細(xì)分，寫編譯器時要體現(xiàn)軟件工程中軟件設(shè)計的原則，自頂向下，逐層分解。編譯器要完成的轉(zhuǎn)換任務(wù)相當(dāng)復(fù)雜，實現(xiàn)編譯器時必須分步驟分階段實現(xiàn)。分階段實現(xiàn)的好處是能夠簡化程序的設(shè)計，當(dāng)然也可以不分階段實現(xiàn)。21編譯程序的分類診斷編譯程序優(yōu)化編譯程序可變目標(biāo)編譯程序交叉編譯程序22與編譯程序相關(guān)的程序解釋程序(Interpreter)匯編程序(assembler)連接程序(linker)連接系統(tǒng)函數(shù)與系統(tǒng)資源裝入程序(loader)重定位(relocation)預(yù)處理器(Preprocessor)編輯器(editor)Debugger,Profiler,ProjectManager23編譯原理是討論編譯程序設(shè)計的基本理論、基本概念、基本方法什么是編譯原理241.2編譯過程概述1、邏輯上分五個階段：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(biāo)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(biāo)代碼生成25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原因是：每個階段的復(fù)雜程度不同，所依據(jù)的理論基礎(chǔ)不同，實現(xiàn)時采用的方法也不同。主要是方便理解和實現(xiàn)。劃分階段的依據(jù)是什么？每個階段所實現(xiàn)的功能相對獨(dú)立。26第一階段：詞法分析任務(wù):從左到右掃描源程序，識別出每個單詞附加任務(wù)：a、濾掉空格b、識別單詞

單詞符號是語言的基本組成成分詞法分析的工作主要依據(jù)語言的詞法規(guī)則，描述詞法規(guī)則的有效工具是正規(guī)式和有限自動機(jī)。單詞的種類：（1）標(biāo)識符（2）關(guān)鍵字（char、int、if、else、switch、while、for等）（3）運(yùn)算符（即運(yùn)算符號+、－、*、/、&等）（4）界符（常見的有；，：（）等）（5）常數(shù)

27beginresult:=5＋B*C＋B*Cend;單詞類型內(nèi)部形式begin關(guān)鍵字$beginresult標(biāo)識符id1:=界符:=5常數(shù)int1+算符+B標(biāo)識符id1*算符*C標(biāo)識符id2+算符+B標(biāo)識符id2*算符*C標(biāo)識符id3end關(guān)鍵字$end;界符;例:28第二階段：語法分析任務(wù):在詞法分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)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(dá)式)。確定整個輸入串是否構(gòu)成語法上正確的程序。根據(jù)規(guī)則判定：賦值語句：標(biāo)識符：＝表達(dá)式表達(dá)式：標(biāo)識符、常數(shù)是表達(dá)式；表達(dá)式的運(yùn)算也是表達(dá)式

例：識別符號串id1:=int1+id2*id3+id2*id3（即result:=5＋B*C＋B*C）是一個賦值語句，而int1+id2*id3+id2*id3

（5＋B*C＋B*C）是一個表達(dá)式29語法分析所依據(jù)的是語言的語法規(guī)則，表示語法規(guī)則的工具是上下文無關(guān)文法,用下推自動機(jī)實現(xiàn)。id1:=int1+id2*id3+id2*id330第三階段：語義分析和中間代碼生成任務(wù)：對語法分析所識別出的各類語法范疇分析其含義，進(jìn)行初步的翻譯(翻譯成中間代碼)。靜態(tài)語義審查變量定義類型匹配類型轉(zhuǎn)換例：C:=A*B(檢查C與Ａ、Ｂ類型)中間代碼的翻譯

中間代碼有多種形式，如：

四元式:(運(yùn)算符，運(yùn)算對象1，運(yùn)算對象2，結(jié)果)31例：對賦值語句：id1:=int1+id2*id3+id2*id3

1.檢查result、Ｂ、C是否定義、類型

2.生成中間代碼(運(yùn)算符，運(yùn)算對象1，運(yùn)算對象2，結(jié)果)

(*,id2,id3,T1)(+,int1,T1,T2)(*,id2,id3,T3)(+,T2,T3,T4)(:=,T4,_,id1)id1:=int1+id2*id3+id2*id332第四階段：代碼優(yōu)化任務(wù)：對已產(chǎn)生的中間代碼進(jìn)行加工變換，使生成的目標(biāo)代碼更為高效(時間和空間)。優(yōu)化方法包括：公共子表達(dá)式的提取、循環(huán)優(yōu)化、刪除無用代碼等。代碼的優(yōu)化依據(jù)的是程序的等價變換規(guī)則。序號四元式1(*,id2,id3,T1)2(+,int1,T1,T2)3(*,id2,id3,T3)4(+,T2,T3,T4)5(:=,T4,_,id1)序號

四元式1(*,id2,id3,T1)2

(+,int1,T1,T2)3(+,T2,T1,id1)33第五階段：目標(biāo)代碼的生成任務(wù)：把中間代碼(或經(jīng)優(yōu)化的中間代碼)變換成特定機(jī)器上的低級語言代碼。依賴于機(jī)器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機(jī)器指令的含義目標(biāo)代碼可以是：絕對指令代碼、可重定位的指令代碼、匯編指令代碼序號

四元式1(*,id2,id3,T1)2

(+,int1,T1,T2)3(+,T2,T1,id1)（1）movAX,id2（2）mulAX,id3（3）movBX,AX（4）addAX,int1（5）addAX,BX（6）movid1,AX341.3編譯程序的結(jié)構(gòu)

由左圖可以看出，詞法分析是實現(xiàn)編譯器的基礎(chǔ)，語法分析是實現(xiàn)編譯器的關(guān)鍵。因此按照這個順序來實現(xiàn)編譯器每一步的實現(xiàn)都依賴于一定的理論基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)，尤其是離散數(shù)學(xué)是程序設(shè)計方法學(xué)的理論基礎(chǔ)351.3編譯程序的結(jié)構(gòu)(續(xù))幾個概念符號表：登記源程序中出現(xiàn)的名字以及名字的各種屬性遍：對源程序或源程序的中間結(jié)果從頭到尾掃描一次，并作有關(guān)的加工處理，生成新的中間結(jié)果或目標(biāo)程序。編譯前端：主要指與源語言有關(guān)，與目標(biāo)語言無關(guān)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(jī)器無關(guān)部分的代碼優(yōu)化編譯后端：指與目標(biāo)機(jī)器有關(guān)的部分。如與機(jī)器有關(guān)的優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成36編譯階段的組合37為什么生成中間代碼381.3編譯程序的結(jié)構(gòu)(續(xù))

(1)記號(token)

當(dāng)掃描程序?qū)⒆址占揭粋€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(shù)據(jù)類型的值來表示源程序的記號集。編譯程序中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):39編譯程序中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(2)語法樹（syntaxtree）如果分析程序確實生成了語法樹，它的構(gòu)造通常為基于指針的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行分析時動態(tài)分配該結(jié)構(gòu)，則整棵樹可作為一個指向根節(jié)點(diǎn)的單個變量保存。結(jié)構(gòu)中的每一個節(jié)點(diǎn)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。40(3)符號表（symboltable）這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的信息與標(biāo)識符有關(guān)：函數(shù)、變量、常量以及數(shù)據(jù)類型。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?qū)?biāo)識符輸入到表格中的語義分析程序；語義分析程序?qū)⒃黾訑?shù)據(jù)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(dāng)?shù)拇a。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。盡管可以使用各種樹的結(jié)構(gòu)，但雜湊表卻是達(dá)到這一要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。有時在一個列表或棧中可使用若干個表格。編譯程序中的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):41(4)常數(shù)表（literaltable）常數(shù)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(shù)表中也十分重要。但是，在其中卻無需刪除，這是因為它的數(shù)據(jù)全程應(yīng)