東北大學(xué)秦皇島分校編譯原理課件第二章第七章

東北大學(xué)秦皇島分校編譯原理課件第二章第七章目錄編譯原理概述第二章：詞法分析第七章：語義分析與中間代碼生成編譯優(yōu)化技術(shù)編譯原理的實踐應(yīng)用01編譯原理概述編譯原理的定義編譯原理是計算機(jī)科學(xué)的一個分支，研究如何將高級語言程序翻譯成等價的低級語言程序，同時保持原程序的語義和性能。編譯原理涉及到語言理論、算法設(shè)計、程序優(yōu)化等多個領(lǐng)域，是計算機(jī)科學(xué)中一門重要的基礎(chǔ)課程。第二階段（20世紀(jì)60年代）編譯器的快速發(fā)展階段，出現(xiàn)了許多經(jīng)典的編譯算法和技術(shù)，如語法分析、語義分析、優(yōu)化技術(shù)等。第三階段（20世紀(jì)70年代至今）編譯器的成熟和多樣化發(fā)展階段，出現(xiàn)了多種高級語言和編譯器，同時編譯器的研究和應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。第一階段（20世紀(jì)50年代）編譯器的萌芽階段，主要解決手工翻譯程序的問題，出現(xiàn)了簡單的匯編器和解釋器。編譯原理的發(fā)展歷程03語法分析研究如何根據(jù)語言的語法規(guī)則將單詞序列組合成語法正確的語句或程序結(jié)構(gòu)。01語言理論研究程序設(shè)計語言的語法、語義和語用等方面的理論，為編譯器提供理論基礎(chǔ)。02詞法分析研究如何將輸入的字符流分割成一個個有意義的單詞或符號，以供語法分析使用。編譯原理的研究內(nèi)容編譯原理的研究內(nèi)容語義分析研究如何檢查程序的語義正確性，包括類型檢查、控制流分析、數(shù)據(jù)流分析等。中間代碼生成研究如何將語法和語義分析的結(jié)果轉(zhuǎn)換成中間代碼，以便進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化和代碼生成。代碼優(yōu)化研究如何對中間代碼或目標(biāo)代碼進(jìn)行優(yōu)化，以提高程序的執(zhí)行效率。代碼生成研究如何將中間代碼轉(zhuǎn)換成目標(biāo)機(jī)器上的可執(zhí)行代碼，包括指令選擇、寄存器分配、內(nèi)存管理等。02第二章：詞法分析詞法分析的定義詞法分析是編譯過程中的一個階段，主要任務(wù)是將輸入的源程序字符串按照某種規(guī)則（通常是語言的詞法規(guī)則）進(jìn)行分割，識別出一個個的單詞符號，即詞法單元或詞素。詞法分析器是編譯器中負(fù)責(zé)執(zhí)行詞法分析的組件，它將輸入的字符流轉(zhuǎn)換為單詞流，以供后續(xù)的語法分析器使用。詞法分析器的設(shè)計設(shè)計詞法分析器時，需要定義單詞符號的種類和識別規(guī)則。這通常涉及到定義語言的詞匯表和詞法規(guī)則。詞匯表包含了語言中所有合法的單詞符號，而詞法規(guī)則則描述了如何根據(jù)輸入字符流識別出這些單詞符號。詞法分析器的實現(xiàn)可以采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、正則表達(dá)式或有限自動機(jī)等方法。正則表達(dá)式是一種描述字符串模式的強(qiáng)大工具，它可以用來定義語言的詞匯表和詞法規(guī)則。有限自動機(jī)是一種計算模型，它可以用來識別正則表達(dá)式定義的字符串模式。在詞法分析中，有限自動機(jī)常被用來實現(xiàn)詞法分析器。通過將正則表達(dá)式轉(zhuǎn)換為有限自動機(jī)，可以實現(xiàn)對輸入字符流的掃描和單詞符號的識別。正則表達(dá)式與有限自動機(jī)輸入標(biāo)題02010403詞法分析算法的實現(xiàn)詞法分析算法的實現(xiàn)可以采用多種方法，如基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的算法、基于正則表達(dá)式的算法或基于有限自動機(jī)的算法等。基于有限自動機(jī)的算法通過構(gòu)造一個有限自動機(jī)來識別輸入字符流中的單詞符號。這種方法實現(xiàn)起來相對簡單且效率較高，是實際應(yīng)用中常用的方法?；谡齽t表達(dá)式的算法利用正則表達(dá)式庫提供的函數(shù)來識別單詞符號。這種方法實現(xiàn)簡單，但需要依賴外部庫?；跔顟B(tài)轉(zhuǎn)換圖的算法通過維護(hù)一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來識別輸入字符流中的單詞符號。這種方法直觀易懂，但實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。03第七章：語義分析與中間代碼生成語義分析的定義030201語義分析是編譯過程的核心階段之一，主要負(fù)責(zé)對源程序進(jìn)行靜態(tài)語義檢查，確保程序的語法正確性和語義合法性。語義分析涉及對程序中的數(shù)據(jù)類型、變量、函數(shù)、控制結(jié)構(gòu)等元素的檢查和處理，以驗證它們是否符合語言的語義規(guī)則。語義分析還需要處理符號表的管理和優(yōu)化，確保符號信息的正確性和高效性。語義分析器是編譯器中實現(xiàn)語義分析功能的模塊，它需要與詞法分析器、語法分析器等其他模塊進(jìn)行交互。語義分析器的設(shè)計需要考慮語言的語義規(guī)則、符號表的管理方式、錯誤處理機(jī)制等因素。常見的語義分析器設(shè)計方法有基于屬性文法的語義分析方法、基于抽象語法樹的遍歷方法等。010203語義分析器的設(shè)計中間代碼是編譯器在源程序和目標(biāo)程序之間生成的一種中間表示形式，它獨(dú)立于具體的硬件和操作系統(tǒng)。中間代碼生成算法的實現(xiàn)需要考慮語言的語法和語義規(guī)則，以及目標(biāo)程序的特性和要求。常見的中間代碼生成算法有三地址代碼生成算法、靜態(tài)單賦值（SSA）形式化方法等。中間代碼生成算法的實現(xiàn)符號表的管理需要考慮符號的創(chuàng)建、存儲、查找、更新等操作，以及符號的作用域和生命周期等因素。符號表的優(yōu)化可以通過采用高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、減少不必要的符號信息、進(jìn)行符號折疊等方式實現(xiàn)，以提高編譯器的性能和效率。符號表是編譯器中用于存儲程序中各種符號信息的表格，包括變量、函數(shù)、類型等信息。符號表的管理與優(yōu)化04編譯優(yōu)化技術(shù)編譯優(yōu)化是指在編譯過程中，通過對程序進(jìn)行分析、轉(zhuǎn)換和重構(gòu)，提高程序執(zhí)行效率、減少程序體積或改進(jìn)程序其他性能的技術(shù)。編譯優(yōu)化是編譯器設(shè)計的重要組成部分，其目標(biāo)是生成高效、可靠的目標(biāo)代碼。編譯優(yōu)化的定義優(yōu)化器架構(gòu)編譯優(yōu)化器通常采用多階段架構(gòu)，包括中間代碼生成、優(yōu)化算法應(yīng)用、目標(biāo)代碼生成等階段。優(yōu)化算法庫編譯優(yōu)化器需要集成多種優(yōu)化算法，如常量折疊、公共子表達(dá)式消除、死代碼刪除等。優(yōu)化策略選擇針對不同的程序特點和優(yōu)化目標(biāo)，編譯優(yōu)化器需要選擇合適的優(yōu)化策略進(jìn)行應(yīng)用。編譯優(yōu)化器的設(shè)計ABCD優(yōu)化算法的實現(xiàn)常量折疊在編譯時計算常量表達(dá)式的值，并用計算結(jié)果替換原表達(dá)式，從而減少運(yùn)行時計算量。死代碼刪除刪除永遠(yuǎn)不會被執(zhí)行的代碼，減少程序體積和提高執(zhí)行效率。公共子表達(dá)式消除識別并消除計算結(jié)果相同的子表達(dá)式，避免重復(fù)計算。循環(huán)展開將循環(huán)體中的代碼復(fù)制多次，以減少循環(huán)次數(shù)和提高執(zhí)行效率。執(zhí)行時間優(yōu)化后程序的執(zhí)行時間是評價優(yōu)化效果的重要指標(biāo)之一。代碼體積優(yōu)化后程序的代碼體積可以反映優(yōu)化器對程序空間的優(yōu)化效果。內(nèi)存占用優(yōu)化后程序運(yùn)行時所占用的內(nèi)存空間也是評價優(yōu)化效果的重要指標(biāo)之一。其他性能指標(biāo)根據(jù)具體應(yīng)用場景和需求，還可以考慮其他性能指標(biāo)，如能耗、可靠性等。優(yōu)化效果的評價指標(biāo)05編譯原理的實踐應(yīng)用代碼優(yōu)化編譯器通過優(yōu)化算法對源代碼進(jìn)行等價變換，提高目標(biāo)代碼的運(yùn)行效率。錯誤檢查編譯器在編譯過程中能夠發(fā)現(xiàn)源代碼中的語法錯誤和類型錯誤，減少程序運(yùn)行時的錯誤。代碼生成編譯器將源代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的目標(biāo)代碼，實現(xiàn)了從高級語言到機(jī)器語言的轉(zhuǎn)換。編譯器在軟件開發(fā)中的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)資源有限，編譯器需要優(yōu)化目標(biāo)代碼的大小和執(zhí)行效率，以適應(yīng)硬件環(huán)境。資源受限嵌入式系統(tǒng)對實時性要求高，編譯器需要支持實時操作系統(tǒng)和實時任務(wù)調(diào)度。實時性要求嵌入式系統(tǒng)硬件平臺多樣，編譯器需要具備跨平臺編譯的能力?？缙脚_支持編譯器在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用深度學(xué)習(xí)模型編譯編譯器可以將深度學(xué)習(xí)模型轉(zhuǎn)換為高效的計算圖，提高模型的推理速度。并行計算優(yōu)化編譯器可以優(yōu)化并行計算任務(wù)，提高人工智能算法的運(yùn)算效率。自動代碼生成利用編譯器技術(shù)，可以實現(xiàn)自動代碼生成，降低人工智能算法的開發(fā)難度。編譯器在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用多核并行編譯隨著多核處理器的普及，編譯器需要支持多核