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1、2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,1,編譯原理,華東師大計算機科學技術(shù)系 楊宗源 2008年,Principles of Compiler,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,2,課程目的、學習方法和基本要求,性質(zhì) 專業(yè)基礎(chǔ)課程，是計算機科學技術(shù)的基礎(chǔ) 前導課程 離散數(shù)學、程序設計語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng) 目的 編譯程序是計算機系統(tǒng)的基本系統(tǒng)軟件，本課程主要介紹設計、實現(xiàn)編譯程序時所涉及的基本原理、基本方法和基本技術(shù)。通過本課程的學習和上機實踐使學生掌握構(gòu)造高級程序設計語言編譯程序的基本原理、結(jié)構(gòu)、設計與實現(xiàn)技術(shù)，培養(yǎng)學生了解和掌握編譯原理的基本原理及典

2、型技術(shù)并具備相當?shù)膽媚芰Α?2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,3,課程目的、學習方法和基本要求,知識 形式語言與形式語言處理、自動機理論、形式描述方法、程序自動生成方法、數(shù)據(jù)流和控制分析方法 方法 系統(tǒng)性：前后的連接、融會貫通，避免孤立化 實踐性：可實現(xiàn)的系統(tǒng)軟件，理論與實踐相結(jié)合 多樣性：實現(xiàn)技術(shù)多樣、表示形式多樣 基本性：舉一反三，在掌握多種方法、算法和表 示形式的同時正確把握基本性,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,4,課程目的、學習方法和基本要求,本專業(yè)人員4種基本的專業(yè)能力 計算思維能力 算法的設計與分析能力 程序設計和實現(xiàn)能力 計

3、算機軟硬件系統(tǒng)的認知、分析、設計與應用能力 計算思維能力 邏輯思維能力和抽象思維能力 構(gòu)造模型對問題進行形式化描述 理解和處理形式模型,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,5,課程目的、學習方法和基本要求,主要特點 抽象和形式化、理論證明和構(gòu)造性 前半部分（詞法、語法分析） 實現(xiàn)技術(shù)、形式化 后半部分（語義分析、代碼優(yōu)化、生成） 希望,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,6,教材及主要參考書目,教材 胡倫駿等 編譯原理電子工業(yè)出版社 2005年 參考書目 侯文永、張冬茉 編譯原理 電子工業(yè)出版社 2002年 楊宗源編譯原理習題精選分析與解答清華大學出版

4、社 2003 徐國定 楊宗源 編譯程序構(gòu)造 華東師范大學出版社 1989.10 Kenneth C. Loudon Compiler Construction: Principles and Practice Pws Publishing Company 1997 Alfred V. Aho Ravi Sethi Jeffrey D. Ullman Compilers Principles, Techniques, and Tools Addison-Wesley, Reading, Mass, 1986 Charles N. Fischer Richard J. LeBlanc, Jr. C

5、rafting A Compiler The Benjamin/Cummings Publishing Company 1988 Dick Grune, Henri E Bal, Ceriel J H Jacobs,Koen G Langendoen, Modern Compiler Design John Wiley & Sons, Ltd, 2000,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,7,第一章 編譯概述,1.1 語言處理與編譯程序 1.1.1 程序設計語言的引入是解決人機對話鴻溝的一個里程碑,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,8,語言處理與編譯程序

6、,1.1.2 程序設計語言分類 程序設計語言是遵守一定規(guī)范的、描述“計算”（Computing）過程的形式語言。一般可以劃分 ： 低級語言 低級語言是面向機器的語言，它是為特定的計算機系統(tǒng)設計的語言。如：機器指令、匯編語言是低級語言。 高級語言 高級語言是與具體計算機無關(guān)的“通用”語言，它更接近于人類的自然語言和數(shù)學表示。如：FORTRAN、Pascal、C、JAVA等等高級語言 。 其他語言 如：控制命令語言、查詢語言、腳本語言等。,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,9,語言處理與編譯程序,1.1.3 語言處理程序 翻譯程序(Translator) 翻譯程序是一種語言處

7、理程序，它將輸入的用程序設計語言（源語言）書寫的程序（源程序）轉(zhuǎn)換為等價的用另一種語言書（目標語言）寫的程序（目標程序）。 若源語言是匯編語言，目標語言是機器語言，稱這種翻譯程序為匯編程序。 若源語言是高級語言，目標語言是低級語言，稱這種翻譯程序為編譯程序 。 若源語言是高級語言，目標語言是另一種高級語言，稱這種翻譯程序為轉(zhuǎn)換程序 。,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,10,語言處理與編譯程序,解釋程序（Interpreter） 解釋程序是一種語言處理程序，它對源程序逐個語句地進行分析，并根據(jù)每個語句的含義執(zhí)行語句指定的功能。 編譯程序（翻譯程序）與解釋程序主要的不同是：編

8、譯程序?qū)⑾壬赡繕顺绦颍賵?zhí)行目標程序，而解釋程序不生成目標程序，邊翻譯、邊執(zhí)行。形象地說，這類似于自然語言中的“筆譯”與“口譯”。 翻譯與解釋相結(jié)合的方法是一種不錯的方法：即先將源程序翻譯為中間語言表示的代碼，然后再解釋執(zhí)行。例如，JAVA語言的源程序翻譯為一種稱為Bytecode的中間代碼，再通過JAVA虛擬機解釋執(zhí)行。,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,11,語言處理與編譯程序,編譯程序的一個實例 FACOM M-340的C語言編譯器,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,12,語言處理與編譯程序,相關(guān)說明 CV、CPP與語言、機器相關(guān)，ASM、LIN

9、K與機器相關(guān)，而CSA、CSG組成了編譯程序的主體。 稱CSA為編譯器的前端獨立于目標語言，稱CSG為編譯器的后端面向目標語言。 遍 在編譯過程中，掃描一遍源程序（輸入文件），經(jīng)處理形成一個輸出文件，稱為一遍。 合理地決定“遍數(shù)”，可提高效率（時/空） LINK程序 linker：連接程序： 多個不同的目標文件 一個 可執(zhí)行文件 loader：裝配程序：相對地址 絕對地址,,,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,13,語言處理與編譯程序,編譯器所在的集成環(huán)境 編輯器（Editor) 調(diào)試器（Debugger) 描述器（Profiler) 項目管理器（Project Man

10、ager)等,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,14,編譯程序概貌,1.2 編譯過程和編譯程序的基本結(jié)構(gòu) 抽象地看：,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,15,,這是一個邏輯模型,獨立于具體的語言和機器,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,16,以賦值語句 pos:=init+rate*60 為例來了解編譯的全過程 詞法分析 (Lexical Analysis) 功能： a) 掃描源程序的字符串，識別出意義獨立的最小的詞法單位單詞（Token）。 b) 刪除注解、空格、回車及與輸入介質(zhì)有關(guān)的符號。 c) 報告詞法錯誤。 如上述賦值語句經(jīng)過

11、詞法分析后輸出為如下單詞： (ID,pos) (OP,:=) (ID,init) (OP,+) (ID,rate) (OP,*) (CONST,60),2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,17,語法分析 (Syntax Analysis) 功能：對輸入的單詞串，按程序設計語言的語法規(guī)則，檢查源程序句法正確性。 例如某語言關(guān)于賦值語句的語法規(guī)則是： 賦值語句是：ID:=EXP ID、CONST是EXP 若EXP1和EXP2是EXP，則EXP1+EXP2、 EXP1*EXP2、 (EXP1)是EXP。 可以通過自頂向下或自底向上的句法分析方法，建立分析樹（又稱 句法樹、推導樹）進

12、行句法分析。,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,18,對此例，分析樹為：,,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,19,語義分析 (Semantic Analysis) 功能：檢查語義的正確性，完成語義解釋及必要的轉(zhuǎn)換。 例如：此例中各變量的數(shù)據(jù)類型是float，由于rate與60的類型不同就應該進行轉(zhuǎn)換，即將60轉(zhuǎn)換為60.0。 中間代碼生成 （Intermediate Code Generation） 功能：將單詞串轉(zhuǎn)換為等價的中間代碼串。 常見的中間代碼有：四元組、三元組、 逆波蘭（后綴）表示等。 上例中的賦值語句可翻譯為（四元組形式）： (f

13、loat， ，60，t1) (*，ID.rate，t1，t2) (+，ID.init，t2，t3) (:=,t3, ,ID.pos) 其中t1，t2，t3是臨時變量、ID.x是x在符號表中的位置。,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,20,代碼優(yōu)化 (Code Optimization) 功能：以提高目標代碼運行的時/空間效率為目的 的對中間代碼進行等價變換。 常見的方法有：刪除無用賦值和多余運算、常量合并、運算強度削弱、代碼外提、復寫傳播等等。 此例中的中間代碼通過優(yōu)化可為： (*，ID.rate，60.0，t1) (+，ID.init，t1，t2) (:=，t2， ，ID

14、.pos) 代碼生成 （Code Generation） 功能：將中間代碼串轉(zhuǎn)換為匯編代碼或機器指令。,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,21,代碼生成,此例中優(yōu)化后的中間代碼可生成如下的匯編代碼： LOAD R0, drate(R3) LOAD R1, d60.0(R3) MULT R0, R1 LOAD R0, dinit(R3) ADD R0, R1 STORE R1, dpos(R3) 其中R3是基地址寄存器，dx是x的位移（相對于R3的內(nèi)容）。,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,22,出錯處理 (Error Handle) 功能：顯示出錯的位置

15、、性質(zhì)，限制出錯的影響，為盡可能多地發(fā)現(xiàn)錯誤做些恢復工作。 符號表管理 (Symbol-Table Management) 功能：管理源程序中各種數(shù)據(jù)對象及其各種屬性，提供包括生成、查詢、更新等各種功能。,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,23,編譯程序的生成方法,1.3 編譯程序的生成方法 1.3.1 手工生成 完全由人采用低級語言開發(fā)編譯程序，工作量很大。 1.3.2 自動生成 利用自動生成工具開發(fā)編譯程序。如： LEX 詞法分析程序的自動生成程序 YACC、LLgen 語法分析程序的自動生成程序 GAG、CGSS 代碼生成程序的自動生成程序,2020/8/31,華東師大信息學院計算機科學技術(shù)系,24,1.3.3 其他編譯模式 前面討論的編譯模式稱為“完全編譯”。 其他編譯模式有： 交互式編譯允許通過交互方式處理源程序中的錯誤，及時改錯。允許部分或逐步測試。 增量編譯允許在修改了部分程序結(jié)構(gòu)后僅對該修改部分重新編譯，而不一定對整個程序進行編譯。 問題：如何實現(xiàn)？,