《編譯期末復(fù)習(xí)》課件

編譯期末復(fù)習(xí)本課程涵蓋了編譯器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的核心概念和技術(shù)，包括詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化和代碼生成等。期末復(fù)習(xí)將幫助您鞏固所學(xué)知識(shí)，并為考試做好充分準(zhǔn)備。本次復(fù)習(xí)內(nèi)容概覽1編譯概述介紹編譯器的工作原理，涵蓋編譯器的角色、結(jié)構(gòu)和編譯過(guò)程。2詞法分析和語(yǔ)法分析講解詞法分析和語(yǔ)法分析的原理和實(shí)踐，包括正則表達(dá)式、自動(dòng)機(jī)和語(yǔ)法分析方法。3中間代碼生成和優(yōu)化深入探討中間代碼生成、類型檢查、代碼優(yōu)化技術(shù)以及目標(biāo)代碼生成。4運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)和鏈接裝載技術(shù)重點(diǎn)介紹運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件、存儲(chǔ)管理、垃圾回收算法以及鏈接裝載技術(shù)。編譯概述編譯器是將高級(jí)語(yǔ)言編寫的源代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言的可執(zhí)行代碼的程序。它可以分為詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成等階段。編譯器的核心目標(biāo)是確保程序代碼的正確性和效率，并為程序的運(yùn)行提供必要的環(huán)境支持。編譯過(guò)程及其各個(gè)階段1詞法分析將源代碼分解成一個(gè)個(gè)單詞，例如關(guān)鍵字、標(biāo)識(shí)符、常量等。2語(yǔ)法分析檢查代碼的語(yǔ)法是否正確，并構(gòu)建語(yǔ)法樹。3語(yǔ)義分析檢查代碼的語(yǔ)義是否正確，例如類型是否匹配。4中間代碼生成將代碼轉(zhuǎn)換成一種中間表示形式，例如三地址碼。5代碼優(yōu)化對(duì)中間代碼進(jìn)行優(yōu)化，例如消除冗余代碼。最后，編譯器會(huì)將中間代碼轉(zhuǎn)換成目標(biāo)代碼，即目標(biāo)機(jī)器的指令序列。詞法分析詞法分析是編譯器的第一個(gè)階段。它將源代碼轉(zhuǎn)換為一系列詞法單元，也稱為標(biāo)記。標(biāo)記包含一個(gè)類別和一個(gè)可選的值，例如標(biāo)識(shí)符、關(guān)鍵字、運(yùn)算符、常量等。詞法分析器識(shí)別源代碼中的每個(gè)標(biāo)記，并將其分類到預(yù)定義的類別中。它還負(fù)責(zé)將常量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的內(nèi)部表示，例如整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)和字符串。正則表達(dá)式基礎(chǔ)模式匹配正則表達(dá)式描述文本模式。它用于查找、替換和驗(yàn)證文本。字符類字符類表示一組字符。例如，[a-z]表示所有小寫字母。量詞量詞指定模式出現(xiàn)的次數(shù)。例如，*表示零次或多次。特殊字符特殊字符具有特殊含義。例如，\.表示匹配一個(gè)點(diǎn)。自動(dòng)機(jī)與詞法分析器生成1有限自動(dòng)機(jī)有限自動(dòng)機(jī)是一種抽象計(jì)算模型，能夠識(shí)別正則表達(dá)式描述的語(yǔ)言。2狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖有限自動(dòng)機(jī)可以用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來(lái)表示，圖中的節(jié)點(diǎn)代表狀態(tài)，邊代表狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移，邊上的標(biāo)簽表示輸入符號(hào)。3詞法分析器生成工具例如lex工具，它可以將正則表達(dá)式描述的詞法規(guī)則自動(dòng)轉(zhuǎn)換為詞法分析器代碼。語(yǔ)法分析語(yǔ)法分析是編譯器的重要階段，其目標(biāo)是將詞法分析生成的詞法單元序列轉(zhuǎn)換為語(yǔ)法樹或抽象語(yǔ)法樹。語(yǔ)法分析器檢查輸入是否符合編程語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)則，并確保代碼的結(jié)構(gòu)正確。自頂向下分析語(yǔ)法分析方法自頂向下分析是一種語(yǔ)法分析方法，從文法的開始符號(hào)出發(fā)，逐步推導(dǎo)輸入字符串。預(yù)測(cè)分析預(yù)測(cè)分析表用于指導(dǎo)分析過(guò)程，根據(jù)當(dāng)前符號(hào)和狀態(tài)預(yù)測(cè)下一步操作。遞歸下降分析每個(gè)非終結(jié)符對(duì)應(yīng)一個(gè)遞歸下降函數(shù)，通過(guò)調(diào)用函數(shù)進(jìn)行分析。優(yōu)點(diǎn)易于理解和實(shí)現(xiàn)，適合于較小的語(yǔ)法。缺點(diǎn)對(duì)于左遞歸文法，可能導(dǎo)致無(wú)限循環(huán)；對(duì)于非LL(1)文法，可能無(wú)法找到合適的預(yù)測(cè)分析表。自底向上分析自底向上分析是一種語(yǔ)法分析方法，它從輸入符號(hào)串的開始位置開始，逐步構(gòu)建語(yǔ)法樹。1歸約將符號(hào)串歸約為非終結(jié)符。2移進(jìn)將輸入符號(hào)移進(jìn)棧。3狀態(tài)機(jī)控制分析過(guò)程。自底向上分析以狀態(tài)機(jī)的形式進(jìn)行，通過(guò)移進(jìn)和歸約操作逐步構(gòu)建語(yǔ)法樹。這種方法也被稱為移進(jìn)歸約分析。語(yǔ)法制導(dǎo)翻譯代碼生成語(yǔ)法制導(dǎo)翻譯是將語(yǔ)法分析與代碼生成結(jié)合起來(lái)的方法。語(yǔ)法樹解析該方法通過(guò)遍歷語(yǔ)法樹，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)法規(guī)則生成目標(biāo)代碼。流程語(yǔ)法制導(dǎo)翻譯能夠有效地提高編譯器代碼生成階段的效率和準(zhǔn)確性。中間代碼生成中間代碼形式中間代碼是源代碼的一種抽象表示，通常以三地址碼形式表示。它獨(dú)立于目標(biāo)機(jī)器，便于優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成。中間代碼生成過(guò)程語(yǔ)法分析樹被轉(zhuǎn)換為中間代碼，涉及到變量和表達(dá)式轉(zhuǎn)換、控制流結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換等。中間代碼的優(yōu)缺點(diǎn)中間代碼簡(jiǎn)化了編譯器設(shè)計(jì)，同時(shí)便于代碼優(yōu)化，但也增加了編譯過(guò)程的復(fù)雜度。類型檢查靜態(tài)類型檢查在編譯時(shí)進(jìn)行類型檢查，可以發(fā)現(xiàn)代碼中的類型錯(cuò)誤。常見(jiàn)于編譯型語(yǔ)言。動(dòng)態(tài)類型檢查在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行類型檢查，允許不同類型的變量在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行操作。常見(jiàn)于解釋型語(yǔ)言。存儲(chǔ)管理內(nèi)存分配編譯器將程序中的變量、函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配到內(nèi)存空間中。內(nèi)存管理編譯器需要有效管理內(nèi)存資源，避免內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出等問(wèn)題。地址綁定編譯器需要將程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，以實(shí)現(xiàn)程序的執(zhí)行。代碼優(yōu)化技術(shù)代碼優(yōu)化使代碼更高效，更快執(zhí)行，減少內(nèi)存占用。提升性能，提高用戶體驗(yàn)。優(yōu)化策略包括算法優(yōu)化、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、代碼重構(gòu)等。優(yōu)化效果代碼運(yùn)行速度更快、占用內(nèi)存更少、代碼結(jié)構(gòu)更清晰、可讀性更高。指令選擇指令集每個(gè)目標(biāo)機(jī)器都有自己的指令集，不同的指令集有不同的指令類型和功能。代碼優(yōu)化選擇合適的指令可以提高代碼效率，例如選擇更快的指令、減少指令數(shù)量、減少內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)。目標(biāo)機(jī)器指令選擇需要考慮目標(biāo)機(jī)器的架構(gòu)，例如處理器類型、指令集、內(nèi)存結(jié)構(gòu)等。代碼生成指令選擇是代碼生成過(guò)程中的重要步驟，它直接影響著目標(biāo)代碼的執(zhí)行效率。寄存器分配11.寄存器分配概述將變量分配到寄存器中，最大限度地減少內(nèi)存訪問(wèn)，提升執(zhí)行速度。22.寄存器分配算法貪心算法、圖著色算法、線性規(guī)劃算法等。33.寄存器分配策略優(yōu)先分配頻繁使用的變量，分配較大的寄存器給重要變量。44.寄存器分配優(yōu)化在編譯過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化，減少寄存器沖突，提升代碼效率。指令調(diào)度1優(yōu)化目標(biāo)提高指令執(zhí)行效率，減少CPU停頓。2調(diào)度策略靜態(tài)調(diào)度：編譯階段，動(dòng)態(tài)調(diào)度：運(yùn)行時(shí)。3常見(jiàn)技術(shù)循環(huán)展開、流水線技術(shù)、指令級(jí)并行。4性能評(píng)估執(zhí)行時(shí)間、指令吞吐量等指標(biāo)評(píng)估調(diào)度效果?；緣K和控制流圖基本塊是代碼中的一段連續(xù)指令序列，沒(méi)有跳轉(zhuǎn)進(jìn)入，只有一個(gè)出口跳轉(zhuǎn)?？刂屏鲌D則是將基本塊作為節(jié)點(diǎn)，用邊來(lái)表示控制流，可以直觀地展示程序的控制流程。數(shù)據(jù)流分析數(shù)據(jù)流分析用于確定程序中變量的值如何傳播?；钴S變量分析找出在每個(gè)程序點(diǎn)可能被使用的變量?？捎帽磉_(dá)式分析找出在每個(gè)程序點(diǎn)，哪些計(jì)算結(jié)果是可以重用的。常量傳播將常量值傳播到程序中的所有使用點(diǎn)。循環(huán)優(yōu)化循環(huán)展開通過(guò)將循環(huán)體復(fù)制多次，減少循環(huán)次數(shù)，提高效率。循環(huán)合并將多個(gè)循環(huán)合并成一個(gè)，減少循環(huán)次數(shù)。循環(huán)不變式外提將循環(huán)中不變的代碼提取到循環(huán)體外，減少重復(fù)計(jì)算。循環(huán)強(qiáng)度削弱使用更簡(jiǎn)單的運(yùn)算代替復(fù)雜運(yùn)算，減少循環(huán)體執(zhí)行時(shí)間。過(guò)程內(nèi)優(yōu)化基本塊優(yōu)化基本塊優(yōu)化指的是針對(duì)程序中基本塊的優(yōu)化，例如常量傳播、死代碼消除和強(qiáng)度削弱等。循環(huán)優(yōu)化循環(huán)優(yōu)化側(cè)重于減少循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間，常見(jiàn)方法包括循環(huán)展開、循環(huán)不變式外提和循環(huán)合并等。代碼移動(dòng)代碼移動(dòng)是指將代碼塊移動(dòng)到更合適的位置以提高執(zhí)行效率，例如將循環(huán)內(nèi)不變的代碼移動(dòng)到循環(huán)外。過(guò)程間優(yōu)化消除冗余代碼在多個(gè)函數(shù)中重復(fù)使用的代碼可以提取到公共函數(shù)，減少代碼冗余，提高效率。函數(shù)內(nèi)聯(lián)將頻繁調(diào)用的函數(shù)代碼嵌入到調(diào)用函數(shù)中，避免函數(shù)調(diào)用開銷，提升執(zhí)行速度?？邕^(guò)程分析分析不同函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系和數(shù)據(jù)流，優(yōu)化全局代碼結(jié)構(gòu)，提高程序性能。常量傳播將常量值傳播到程序中，減少常量值的計(jì)算，提高代碼效率。目標(biāo)代碼生成機(jī)器語(yǔ)言將中間代碼轉(zhuǎn)換為目標(biāo)機(jī)器的機(jī)器指令，并進(jìn)行地址分配，生成可執(zhí)行程序。匯編語(yǔ)言目標(biāo)代碼通常以匯編語(yǔ)言的形式輸出，需要進(jìn)一步組裝成機(jī)器指令。優(yōu)化在目標(biāo)代碼生成階段，可進(jìn)行一些優(yōu)化，提高代碼效率和性能。機(jī)器依賴優(yōu)化技術(shù)指令選擇不同指令集架構(gòu)存在差異，選擇更優(yōu)指令。例如，使用SSE指令集提高浮點(diǎn)運(yùn)算效率。寄存器分配優(yōu)化寄存器使用，減少內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)。例如，使用貪心算法或圖著色算法。指令調(diào)度重排指令執(zhí)行順序，減少指令流水線停頓。例如，使用列表調(diào)度或循環(huán)調(diào)度算法。運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)功能管理內(nèi)存、處理異常、支持線程和進(jìn)程、提供程序庫(kù)和工具，為程序提供運(yùn)行環(huán)境。程序執(zhí)行過(guò)程程序加載到內(nèi)存中，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)負(fù)責(zé)程序執(zhí)行的各個(gè)步驟，包括啟動(dòng)、運(yùn)行、終止等。存儲(chǔ)管理技術(shù)1內(nèi)存分配策略內(nèi)存分配策略決定如何為運(yùn)行程序分配內(nèi)存空間。常見(jiàn)的策略包括連續(xù)分配和非連續(xù)分配。2頁(yè)面管理將程序代碼和數(shù)據(jù)劃分為頁(yè)面，并存儲(chǔ)在內(nèi)存的非連續(xù)空間中。頁(yè)面管理技術(shù)提高內(nèi)存利用率和程序執(zhí)行效率。3虛擬內(nèi)存通過(guò)使用硬盤作為輔助存儲(chǔ)器，虛擬內(nèi)存擴(kuò)展了可用內(nèi)存空間，允許運(yùn)行更大的程序。4內(nèi)存保護(hù)內(nèi)存保護(hù)機(jī)制通過(guò)硬件和軟件手段，防止程序訪問(wèn)未授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。垃圾回收算法引用計(jì)數(shù)跟蹤每個(gè)對(duì)象的引用數(shù)量。當(dāng)引用計(jì)數(shù)為零時(shí)，對(duì)象會(huì)被回收。標(biāo)記-清除標(biāo)記所有可達(dá)對(duì)象，然后清除所有未被標(biāo)記的對(duì)象。復(fù)制將內(nèi)存分成兩個(gè)空間，將存活對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)空間，然后清除舊空間。分代收集將對(duì)象分成多個(gè)代，根據(jù)對(duì)象的存活時(shí)間選擇不同的回收算法。異常處理機(jī)制異常檢測(cè)編譯器需要識(shí)別可能導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤的代碼段。例如，除零操作、數(shù)組越界訪問(wèn)、空指針訪問(wèn)等。異常處理機(jī)制編譯器需要提供機(jī)制來(lái)處理這些錯(cuò)誤，例如，拋出異常、捕獲異常、異常處理程序。錯(cuò)誤恢復(fù)編譯器需要能夠在發(fā)生錯(cuò)誤后恢復(fù)程序執(zhí)行，盡可能地減少錯(cuò)誤的影響。鏈接裝載技術(shù)靜態(tài)鏈接在程序執(zhí)行之前，將所有目標(biāo)模塊以及所需的庫(kù)函