编译原理[入门]–编译器compiler

参考：https://www.youtube.com/watch?v=cxNlb2GTKIc&list=PLTd6ceoshpreZuklA7RBMubSmhE0OHWh_编译原理入门

文章目录

编译原理[入门]--编译器compiler
- - 编译器作用
  - 编译过程
- 1. 词法分析(scanner)
- - 编译器进行扫描
  - 符号表
  - Lexical Analysis summary
- 2.语法分析(parser)
- - 上下无关法（BNF）
  - 构造数据结构
  - 语义分析(Semantic Analysis)
  - 数学表达式
  - parser summary
- 3.中间代码生成(Intermediate Code)
- - 三位址码(Three Address Code)
  - 反向修补(Backpatching)
  - 基本块(Basic Blocks)
  - 基本块优化(Basic Blocks Optimization)
  - Intermediate Code Summary
- 4.目标代码生成(Object Code)
- - RISC VS CISC
  - 指令选择(Instruction selection)
  - 寄存器分配和赋值(Register allocation and assignment)
  - 窥孔优化(Peephole optimization)
  - Object Code Generation Summary

编译器作用

将高级语言转化为机器语言
正确运行
发现所有错误
快速编译
易用

编译过程

词法分析Lexical Analysis(scanner)：将词句分割
语法分析Syntax Analysis(parser): 分析语义
机器码生成Code Generation and Optimization: 翻译成另一个语言

1. 词法分析(scanner)

编译器进行扫描

目的：明确源码中每个词的含义

if temperayion <= 0 then\n\t Description = "Freeziong"\n
end if

符号表

对比---->建立符号表：对信息进行快速访问

Lexical Analysis summary

Done by the lexer,also know as the scanner
identifies lexemes within the source code
White space and comments are discarded
Generates a stream of tokens
Each token passed to the parser on request
creates a symbol table of ‘names’ used in the source code
may also create a string table

2.语法分析(parser)

作用：发现已标记化的程序中的任何语法错误

上下无关法（BNF）

<if_statement>::=If<condition>Then<statement>|If<condition>Then<statement>End If|If<condition>Then<statement>Else<statement>Enf If

if temperayion <= 0 then\n\t Description = "Freeziong"\n
end if

构造数据结构

词法分析>>token>>分析>>调用>>插入分析树>>分析语法是否正确

语义分析(Semantic Analysis)

对句子的意思进行分析

抽象语法树

简化语法树
访问\修改表
分配地址(堆)

数学表达式

parser summary

Undeclared variables
未定义变量
Multiple declarations within the same scope
重复定义
Misuse of reserved identifiers
滥用保留关键字
Attempting to access a variable that is out of scope
尝试在超出变量作用域范围访问
Type mismatches
类型不匹配
Parameter type mismatches when calling functions and procedures
执行函数和程序时参数类型不匹配

3.中间代码生成(Intermediate Code)

Intermediate code generation

在抽象语法树生成或者生成完之后生成中间代码
Three Address Code(TAC) 三位址码
Allows for significant machine independent optimizations

三位址码(Three Address Code)

Common intermediate representation of a program
- 中间表达形式
- Front Ende
Each assignment instruction can only have one operator
- 每条赋值指令只能有一个操作符，总共最多三个地址
- e.g. x = (y+z) * w —> t1 = y+z, t2 = t1 * w , x = t2
Instructions may be implemented as objects or records
- 可以以面向对象的方式实现三位指令、不同类型如int、long
- 作为记录包含地址字段的数据结构进行实现
- 使用三元组和四元组（运算子，算子1，算子2 ，结果）进行记录
Each name actually a pointer to an entry to a symbol table
- 变量名被替换成指向符号表中某个条目的指针

//使用跳转到行的方式来替代跳转到代码标签
If x<= 0 Then   --->     If x<= 0 Then goto L1   y = z                  goto L2
End If                  L1:y=zL2:...

反向修补(Backpatching)

维护暂时没确定目标的跳转指令列表
编译器只需通过遍历一次代码，就能生成三位指令序列

基本块(Basic Blocks)

始终在一起执行的指令所组成的序列
为编译器提供各种类型优化的机会，不依赖于目标机器的体系结构
分析改进程序中的流程控制
- e.g.从三位码中消除多余的跳转指令
让寄存器分配和将变量分配给寄存器更容易
- 将变量分配给cpu寄存器或者主内存
  [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-lHTdITqI-1662963358142)(C:\Users\Shiwe\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220911193811333.png)]
扫描中间代码查找块边界,跳转到基本块而不是标签或者行号
从第一个块进入,从最后一个块退出

基本块优化(Basic Blocks Optimization)

减少cpu寄存器中保存的定时器变量值,释放这些以方便寄存器获取其他内容
- 在某时访问另一个块,优化调整后就可能不需要了
消除重复子表达式
- t = x + y, u = x + y -----> t = x + y, u = t
复写传播
- y = 12 + 5能直接由编译器计算
- 复写传播和常数折叠能一直继续计算
- 仅适用于常量值的赋值任务
删除dead code(死码)
- e.g. x = x +1,但是从未使用
代数变换
- e.g. t = x + 0 ----> t = x; t = x^2 -----> t = x * x; t = x * 8 ---->t = x << 3
优化块之间的信息流动方式
- 一个块无法被跳转或者使用，那么可以被删除
- goto L1\n L1:goto L2----> goto L2\n L1:goto L2

Intermediate Code Summary

中间码是高级源码的低级线性表示
中间代码独立于目标机器(target machine)
- 由编译器前端创建
三位址码是编译器实现中间代码的一种形式
Backpatching用于生成前跳指令
中间代码被分为基本块
窥孔优化(Peephole optimization)用于改进基本块的代码
中间代码会被优化多次，但中间代码也不太可能是完美的。但以接近有效的目标代码
- 已为最后编译阶段做好准备，即生成可执行的二进制机器码

4.目标代码生成(Object Code)

指令选择
寄存器分配和赋值
指令顺序
- 大部分由中间代码完成

RISC VS CISC

指令选择(Instruction selection)

将三址码转换为汇编代码
- LD :load; ST: store; …
会出现不必要的冗余(红框内多余)

寄存器分配和赋值(Register allocation and assignment)

通过数据结构跟踪程序变量在寄存器中的值，以避免不必要的加载(load)和储存(store)
寄存器描述符:保存当前在寄存器中所储存值对应变量的名称
地址描述符：跟踪变量更新后的位置; 储存在符号表(symbol table)中

窥孔优化(Peephole optimization)

Code examined through a sliding window
去除冗余标识符
常量评估
删除无法识别的代码段
识别常见子表达式
展开循环
Eliminating procedures 消除过程

Object Code Generation Summary

依赖于机器架构(machine architecture) [RISC or CISC]
- 对精简指令集(RISC)相对简单
通过简单的替换来选择指令
通过抽象语法树指定匹配树重写规则来得到更高效的代码
Instruction selection based on processing cost
寄存器分配和赋值通过寄存器描述符和地址描述符来完成
Peephole optomization
- 在中间码生成时也可能使用
  (machine architecture) [RISC or CISC]
- 对精简指令集(RISC)相对简单
通过简单的替换来选择指令
通过抽象语法树指定匹配树重写规则来得到更高效的代码
Instruction selection based on processing cost
寄存器分配和赋值通过寄存器描述符和地址描述符来完成
Peephole optimization
- 在中间码生成时也可能使用

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