系列文章目录

学习笔记

【学习笔记】编译原理——第一章编译引论

【学习笔记】编译原理——第二章词法分析

实验

【实验】编译原理——编译器认知实验

文章目录

系列文章目录
- 学习笔记
- 实验
一、实验目的
二、实验内容
三、实验步骤
实验结果
- 4.1 G++
- 4.2 LLVM
- 4.3 G++编译器优化
- 4.4 LLVM编译器优化
- 4.5 G++和LLVM优化对比
五、实验心得

一、实验目的

本实验的目的是了解工业界常用的编译器 GCC 和 LLVM，熟悉编译器的安装和使用过程，观察编译器工作过程中生成的中间文件的格式和内容，了解编译器的优化效果，为编译器的学习和构造奠定基础。

二、实验内容

本实验主要的内容为在 Linux 平台上安装和运行工业界常用的编译器 GCC 和 LLVM，如果系统中没有安装，则需要首先安装编译器，安装完成后编写简单的测试程序，使用编译器编译，并观察中间输出结果。
对于 GCC 编译器，完成编译器安装和测试程序编写后，按如下步骤完成：
查看编译器的版本
使用编译器编译单个文件
使用编译器编译链接多个文件
查看预处理结果：g++ -E hello.c -o hello.i
查看语法分析树：g+±fdump-tree-all hello.c
查看中间代码生成结果：Code generation result: g+±fdump-rtl-all hello.c
查看生成的目标代码（汇编代码）：g++–S hello.c –o hello.s

对于 LLVM 编译器，完成编译器安装和测试程序编写后，按如下步骤完成：
查看编译器的版本
使用编译器编译单个文件
使用编译器编译链接多个文件
查看编译流程和阶段：clang -ccc-print-phases test.c -c
查看词法分析结果：clang test.c -Xclang -dump-tokens
查看词法分析结果 2：clang test.c -Xclang -dump-raw-tokens
查看语义分析结果：clang test.c -Xclang -ast-dump
查看语义分析结果 2：clang test.c -Xclang -ast-view
查看编译优化的结果：clang test.c -S -mllvm -print-after-all
查看生成的目标代码结果： clang test.c –S

三、实验步骤

编译器安装
在Linux系统下安装GCC、Clang、LLVM。
```
sudo apt-get install Clang
sudo apt-get install LLVM
```
编写测试程序
需要注意的是，不但要求对单个 C 文件进行编译，还要求对多个 C 文件一起编译和链接。
运行编译器进行观测
分别运行 GCC 和 LLVM 编译器，首先要学习编译器的基本使用方法，其次要通过编译选项查看分析编译器的中间结果，及其与输入源码之间的对应关系，最后使用-O0、-O1、-O2 和-O3 分别使用两个编译器对输入程序进行优化编译，并对比 GCC 和 LLVM 优化后程序的运行效率。
编写实验报告
根据观测结果编写实验报告。

实验结果

4.1 G++

①查看编译器版本
在Visual Studio Code中查看G++编译器版本

②编译单个文件

③编译链接多个文件

④查看预处理结果：g++ -E hello.cpp -o hello.i

⑤查看语法分析树：g+±fdump-tree-all hello.cpp
在hello.cpp.001t.tu中生成相关语法树，部分文件内容

⑥查看中间代码生成结果： g++ -fdump-rtl-all hello.cpp
编译生成如下文件：

在hello.cpp.192r.expand文件中可以看到如下代码，目的是使得内存边界对齐。

⑦查看生成的目标代码（汇编代码）：g++ -S hello.cpp -o hello.s
运行命令生成hello.s文件，虽然目前还未学过汇编代码，但是能够看到我们在源码中定义的变量name和number均以.string的形式在汇编代码中出现。

4.2 LLVM

①查看编译器的版本
运行clang –version 和clang++ --version都能查看到编译器的版本。

②使用编译器编译单个文件
略

③使用编译器编译链接多个文件
略

④查看编译流程和阶段：clang++ -ccc-print-phases hello.cpp -c

⑤查看词法分析结果：clang++ -c hello.cpp -Xclang -dump-tokens

Loc=XXXX 表示该字符或字符串所对应的行数及位置
Int ‘int’ , 表⽰ int 代表整型
Identifier ‘main’，表⽰ main 是⼀个标识符
numeric_constant ‘XXXXXX’，表⽰数值常量
l_paren ‘(‘ , 表示左括号

⑥查看词法分析结果 2：clang test.c -Xclang -dump-raw-tokens

可以看到词法分析2比词法分析1更加详细，比如对空格‘ ’也同样进行了分析。

⑦查看语义分析结果：clang test.c -Xclang -ast-dump
语义分析部分终端显示较多，以下截取部分进行展示：

可以看到，从命名空间开始分析
UsingDirectiveDecl 0x35e7158 <hello.cpp:4:1, col:17> col:17 Namespace 0x2fa7ab8 ‘std’
再到分析函数，FunctionDecl 0x35e71c8 <line:6:1, col:16> col:5 BubbleSort ‘int (void)’
层层分析，最后到定义的字符串
StringLiteral 0x35e73a8 col:19 ‘const char [12]’ lvalue “XXXXXX”

⑧查看编译优化的结果：
部分代码如图所示：

⑨查看生成的目标代码结果： clang++ hello.cpp –S
查看生成的汇编代码：

4.3 G++编译器优化

⽤编写的100*100矩阵相乘的C++代码，使用G++编译器并⽤不同编译优化选项，如分别运行以下命令：

g++ matrix.cpp -O0 -o matrix0
g++ matrix.cpp -O1 -o matrix1
g++ matrix.cpp -O2 -o matrix2
g++ matrix.cpp -O3 -o matrix3

运行结果如图所示：

时间对比如下：

可以看出 O1，O2，O3 三种优化选择能够明显提升矩阵乘法运算的效率。

4.4 LLVM编译器优化

⽤编写的100*100矩阵相乘的C++代码，使用LLVM编译器并⽤不同编译优化选项，如分别运行以下命令：

clang++ matrix.cpp  -o clang_matrix
clang++ matrix.cpp -O0 -o clang_matrix0
clang++ matrix.cpp -O1 -o clang_matrix1
clang++ matrix.cpp -O2 -o clang_matrix2
clang++ matrix.cpp -O3 -o clang_matrix3

运行结果如下图所示：