编译原理第六章
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第6章 语义分析（Semantic Analysis) 和符号表
Semantic：of or relating to meaning, especially meaning in language.
1
语义分析在编译程序中的逻辑位置
表 处 理
源 程 序
词 法 分 析
语 法 分 析
语 义 分 析
中 间 代 码 生 成
动态语义
– 目标程序运行时（run-time）才能检查的
语义 – 例如：除零溢出错误
10
如何描述程序设计语言的语义？
程序设计语言的形式语义
– 属性文法 (用于描述静态语义)
– 操作语义(Operational Semantics)
– 指称语义(Denotational Semantics)
– 代数语义(Algebra Semantics)
程序区 静态存储区 动态存储区
作用域和可视性
标识符在程序中起作用的范围，称为它的作用域。 一般地，定义该标识符的位置及存储类关键字决 定了它的作用域。如：C语言中， 动态存储： 自动变量（本函数内有效） 寄存器变量（本函数内有效） 形式参数（本函数内有效） 静态存储： 静态局部变量（函数内有效） 静态外部变量（本文件内有效） 外部变量（其他文件可引用）
34
类型的内部表示
类型表达式：
typedef float AT[10][100] ;
如： AT = ARRAY[1..10] OF ARRAY[1..100] OF RT = RECORD x : real; a : AT; CASE u : boolean OF false:( k : integer ); true :( y: real; b :boolean ) END
z 1 z z 1
x y x y
6
int i； switch （i）{ case 0：printf（“%s\n”，“auto”） ；break；
case 1：printf（“%s\n”，“static”）；break； case 2：printf（“%s\n”，“extern”）；break； case 1：printf(“%s\n”，“register”)；break； }
–
–
y+f(....)中的f是不是函数名?形参个数和实参个数是否一致?
p(....)语句中的p是不是过程名?形参个数和实参个数是否一 致?
–
子界类型中的下界和上界类型是否相容?下界是否小于等 于上界？
16
语义分析的实现
方式一：不作为独立的一遍
①
类型语义错误检查：可以安排在中间代 码生成时进行
②
struct RT {float x; AT a; int u; union {int k; struct REAL;{float y; int b; } rt2: }; };
类型的内部表示：表示类型表达式所包含的各种
信息的数据结构。
35
类型的种类属性：
标准、子界、枚举、数组、记录、
集合、文件、指针类型等等。
char a；
31 flaot a；
三种内部表示 值的内部表示 类型的内部表示 标识符的内部表示
值的内部表示
非结构类型值的内部表示：
实型： 指针： 有序类型：整数形式
33
有序类型的常量表示：
整型常量：ord(N) = N 布尔常量：ord(false)=0, ord(true) = 1 字符常量：ord(C) = ASCⅡ(C) 枚举常量：设有枚举类型(D,A,B),则有 ord(D)=0,ord(A)=1,ord(B)=2 子界常量：设有子界类型C1..C2,则值空间 为[ord(C1)...ord(C2)]
中 间 代 码 优 化
目 标 代 码 生 成
目 标 程 序
错 误 处 理
2
6.1 6.2 6.3 6.4
语义分析概述 符号表的数据结构 符号表的管理 程序设计语言符号表的实例
3
主要内容：
语义分析的功能及重要性；
标识符的内部表示； 类型的内部表示； 符号表的组织。
6.1 语义分析概述
24
个变量q对应的内存地址，则称变量p为间接存取变量；
标识符的属性（续3）
存储类别 存储类别是指数据的存储方式，存储方式可 分为两大类：静态存储方式和动态存储方式。 静态存储方式是指在程序运行前即为数据分配好存储空间( 在静态区)，在程序运行期间，数据的存储空间仍保持不变； 动态存储方式则是在程序运行期间根据函数调用(函数被激 活)和分程序语句的开始执行(分程序语句被激活)的需要进行 动态存储分配。 标识符的存储类别属性是编译过程语义处理、检查和存储分 配的重要依据。编译程序一般根据变量声明时的存储类别关键 字以及它们声明出现的位置和次序来确定每一个变量应分配的 存储区及在该区中的具体位置。 25
23
来自百度文库
体、联合、枚举、子界、集合、指针等结构类型。
标识符的属性（续2）
存取方式 因为变量标识符代表的是一个内存单元或一段
连续的内存单元，根据这些内存单元中存放信息的类别
又可以把变量分为间接存取变量和直接存取变量。
如果变量标识符p所代表的内存单元中存放的是另一 如果变量标识符p所代表的内存单元中存放的是一个 值，则称变量p为直接存取变量。
静态存储区 int a；
动态存储区float a；
// 引用
„ „ a „ „ }
float a .
int b;
28
为了在函数中也能看 int a，C的新版本中增加了文法记 号“::”，如： int a； // 外部定义的整型变量a int func(a ,b) { float a； // 函数内部定义的局部变量a, 屏闭了外部定义的变量a. int b;
26
通常一个变量的作用域就是该变量可以出现的 场合，也就是说在某个变量作用域范围内该变 量是可以引用的，这就是变量可视性的作用域 规则。 有两种情况也将影响变量的可视性。
27
1、函数的形式参数和函数外部定义的变量重名：函 数的形式参数在函数内可见 。 int a； // 外部定义的整型变量a int func(a ,b) { float a； // 函数内部定义的局部变量a, 屏闭了外部定义的变量a. int b; 程序区
标识符的属性 （续1）
类型 除过程标识符之外，其他标识符都具有类型属 性，函数的数据类型指的是函数返回值的数据类 型。 基本类型有整型、实型、字符型以及布尔型等。
在基本类型的基础上，还可以定义数组、结构 标识符的类型是在程序中该标识符的定义部分
得到的。 变量标识符的类型属性决定了变量所占存储空 间的大小以及能够施于变量上的操作等。
6.1 语义分析概述
语法和语义的区别
语法：
描述一个合法定义的程序结构的规则。
语义：
说明一个合法定义的程序的含义的规则。
5
PASCAL语言的条件语句： if x>y then z := z+1 else z := z -1
C语言的条件语句： if (x>y) { z = z+1; } else { z=z-1; }
常见的语义错误（续1）
类型相关的语义错误
– 各种条件表达式的类型是不是boolean型? – 运算符的分量的类型是否相容? – 赋值语句的左右部的类型是否相容? – 形参和实参的类型是否相容? – 下标表达式的类型是否为所允许的类型?
常见的语义错误（续2）
– – – –
函数说明中的函数类型和返回值的类型是否一致? V[E]中的V是不是变量,而且是不是数组类型？ V.id中的V是不是变量,而且是不是结构体类型? id是不是该 记录类型中的成员? V↑(*V)中的V是不是指针或文件变量？
一般的语义检查：与语法分析相结合
17
方式二 独立一遍的语义分析的功能图示
语法分析树 TokenList 语义定义 自然语言描述的规定
18
语义分析
符号表
判定
类C语言的抽象语法树
程序Root 节点 Node2 …… 常量声明 类型声明 节点 Node 节点 Noden FunNode1 节点 Node1
30
„ ｛int a； // 第一层头,定义的局部整型变量a „ ｛char a； // 第二层头,定义的局部字符型变量a „ ｛ // 第三层头 „ ｛float a； // 第四层头,定义的局部实型变量a ... a ... ｝ // 第四层尾 „a„ // 引用第二层定义的局部字符型变量a ｝ // 第三层尾 程序区 „ ｝ // 第二层尾 静态存储区 .... 动态存储区： ｝ // 第一层尾 int a；
– 公理语义(Axiomatic Semantics)
形式语义描述技术没有形式语法描述技术成熟 硕士研究生的课程-《形式语义学》
11
语义分析的主要任务
根据声明部分建立符号表
符号表（symbol table）：是一种供编译器用于保 存有关源程序的各种信息的数据结构。符号表的每 个条目中包含与一个标识符相关的信息，这些信息 全面地反映该名字的属性及它们在编译过程中的特 征。 符号表的作用：
7
1. 2. 3. 4.
5.
int x=10; Main( ) { printf( “%d”,x+x );
符合变量声明的语法、语义
x( );
f = x;
符合函数调用的语法、不符合语义
6.
}
符合赋值语句的语法、不符合语义
7.
8. 9. 10. 11.
float f( )
{int x=20,y; float x; printf( “%d”,x ); }
– 存储标识符的属性；
– 便于检查语义错误；
– 代码生成阶段作为地址分配的依据。
12
语义分析的主要任务（续1）
在整个程序范围内检查常见语义错误
– 声明和使用相关的错误 – 类型相关的语义错误
13
常见的语义错误
声明和使用相关的语义错误 常见的语义错误： – 每个使用性标识符是否都有声明?在同层内有无标识符被声 明多次? – 标号是否有声明?有无重复声明和重复定位错误?有无非法 转入错误？ 如何检查? – 每当遇到新声明的标识符,查符号表： 如果当前有效的所有标识符中有相同名字的,则是重复声 明错误; 否则生成它的属性信息,保存到符号表中; – 每当遇到标识符的使用,查符号表 如果没有找到,说明该标识符没有声明; 如果找到,则可获取该标识符的属性,进行进一步分析; 14
符合函数声明的语法、语义 符合变量声明的语法、语义 符合变量声明的语法、不符合语义
8
语义分析的必要性
一个语法正确的程序不能保证它是有意义 的. 程序中容易出现各种语义错误：
– 标识符未声明 – 操作数的类型与操作符的类型不匹配
– ……
9
程序设计语言语义的分类
静态语义
– 编译时(compile-time)可以检查的语义 – 例如：标识符未声明
TypeKind = ( intTy，boolTy，charTy，realTy， enum TypeKind {intTy，boolTy，charTy，realTy， enumTy，subTy，arrayTy， enumTy，subTy，arrayTy,structTy，setTy，fileTy， structTy，setTy，fileTy，pointerTy) pointerTy};
语句
变量声明
函数声明 语句
20
6.2 符号表的数据结构
标识符的属性
名字
类型 存取方式 存储类别
作用域和可视性
21
标识符的属性
名字 在程序语言中，标识符可以作为变量的名字、 函数的名字或过程的名字，是变量、函数或过程的 唯一标志，因此在符号表中标识符的名字一般不允 许重名。 若程序中出现重名标识符： 1.将根据语言的定义，按照该标识符在程序 中的作用域和可视性规则进行相应的处理。 2.在一些允许操作重载（Operator Overload）的语言中，函数名、过程名是可以重名 的，对于这类标识符要通过它们的参数个数和类型、 函数返回值类型来区别，以达到它们在符号表中的 唯一性。 22
程序区
„ „ a „ // „ „ ::a „ }
引用
float a .
int a .
静态存储区 int a； 动态存储区float a；
// 引用
int b;
29
2、分程序结构 ：C语言中分程序语句的语法是:
{ 声明 语句 } 分程序的一个特点是它的嵌套结构。 分程序结构的声明作用域由下面的最近嵌套规则给出： （1）分程序B中声明的作用域包括B。 （2）如果名字x没有在B中声明，那么B中x的出现 是在外围分程序B 的x声明的作用域中，且满足： （a）B 有x的声明； （b）B 比其它任何含x声明的分程序更接近被 嵌套的B。
Semantic：of or relating to meaning, especially meaning in language.
1
语义分析在编译程序中的逻辑位置
表 处 理
源 程 序
词 法 分 析
语 法 分 析
语 义 分 析
中 间 代 码 生 成
动态语义
– 目标程序运行时（run-time）才能检查的
语义 – 例如：除零溢出错误
10
如何描述程序设计语言的语义？
程序设计语言的形式语义
– 属性文法 (用于描述静态语义)
– 操作语义(Operational Semantics)
– 指称语义(Denotational Semantics)
– 代数语义(Algebra Semantics)
程序区 静态存储区 动态存储区
作用域和可视性
标识符在程序中起作用的范围，称为它的作用域。 一般地，定义该标识符的位置及存储类关键字决 定了它的作用域。如：C语言中， 动态存储： 自动变量（本函数内有效） 寄存器变量（本函数内有效） 形式参数（本函数内有效） 静态存储： 静态局部变量（函数内有效） 静态外部变量（本文件内有效） 外部变量（其他文件可引用）
34
类型的内部表示
类型表达式：
typedef float AT[10][100] ;
如： AT = ARRAY[1..10] OF ARRAY[1..100] OF RT = RECORD x : real; a : AT; CASE u : boolean OF false:( k : integer ); true :( y: real; b :boolean ) END
z 1 z z 1
x y x y
6
int i； switch （i）{ case 0：printf（“%s\n”，“auto”） ；break；
case 1：printf（“%s\n”，“static”）；break； case 2：printf（“%s\n”，“extern”）；break； case 1：printf(“%s\n”，“register”)；break； }
–
–
y+f(....)中的f是不是函数名?形参个数和实参个数是否一致?
p(....)语句中的p是不是过程名?形参个数和实参个数是否一 致?
–
子界类型中的下界和上界类型是否相容?下界是否小于等 于上界？
16
语义分析的实现
方式一：不作为独立的一遍
①
类型语义错误检查：可以安排在中间代 码生成时进行
②
struct RT {float x; AT a; int u; union {int k; struct REAL;{float y; int b; } rt2: }; };
类型的内部表示：表示类型表达式所包含的各种
信息的数据结构。
35
类型的种类属性：
标准、子界、枚举、数组、记录、
集合、文件、指针类型等等。
char a；
31 flaot a；
三种内部表示 值的内部表示 类型的内部表示 标识符的内部表示
值的内部表示
非结构类型值的内部表示：
实型： 指针： 有序类型：整数形式
33
有序类型的常量表示：
整型常量：ord(N) = N 布尔常量：ord(false)=0, ord(true) = 1 字符常量：ord(C) = ASCⅡ(C) 枚举常量：设有枚举类型(D,A,B),则有 ord(D)=0,ord(A)=1,ord(B)=2 子界常量：设有子界类型C1..C2,则值空间 为[ord(C1)...ord(C2)]
中 间 代 码 优 化
目 标 代 码 生 成
目 标 程 序
错 误 处 理
2
6.1 6.2 6.3 6.4
语义分析概述 符号表的数据结构 符号表的管理 程序设计语言符号表的实例
3
主要内容：
语义分析的功能及重要性；
标识符的内部表示； 类型的内部表示； 符号表的组织。
6.1 语义分析概述
24
个变量q对应的内存地址，则称变量p为间接存取变量；
标识符的属性（续3）
存储类别 存储类别是指数据的存储方式，存储方式可 分为两大类：静态存储方式和动态存储方式。 静态存储方式是指在程序运行前即为数据分配好存储空间( 在静态区)，在程序运行期间，数据的存储空间仍保持不变； 动态存储方式则是在程序运行期间根据函数调用(函数被激 活)和分程序语句的开始执行(分程序语句被激活)的需要进行 动态存储分配。 标识符的存储类别属性是编译过程语义处理、检查和存储分 配的重要依据。编译程序一般根据变量声明时的存储类别关键 字以及它们声明出现的位置和次序来确定每一个变量应分配的 存储区及在该区中的具体位置。 25
23
来自百度文库
体、联合、枚举、子界、集合、指针等结构类型。
标识符的属性（续2）
存取方式 因为变量标识符代表的是一个内存单元或一段
连续的内存单元，根据这些内存单元中存放信息的类别
又可以把变量分为间接存取变量和直接存取变量。
如果变量标识符p所代表的内存单元中存放的是另一 如果变量标识符p所代表的内存单元中存放的是一个 值，则称变量p为直接存取变量。
静态存储区 int a；
动态存储区float a；
// 引用
„ „ a „ „ }
float a .
int b;
28
为了在函数中也能看 int a，C的新版本中增加了文法记 号“::”，如： int a； // 外部定义的整型变量a int func(a ,b) { float a； // 函数内部定义的局部变量a, 屏闭了外部定义的变量a. int b;
26
通常一个变量的作用域就是该变量可以出现的 场合，也就是说在某个变量作用域范围内该变 量是可以引用的，这就是变量可视性的作用域 规则。 有两种情况也将影响变量的可视性。
27
1、函数的形式参数和函数外部定义的变量重名：函 数的形式参数在函数内可见 。 int a； // 外部定义的整型变量a int func(a ,b) { float a； // 函数内部定义的局部变量a, 屏闭了外部定义的变量a. int b; 程序区
标识符的属性 （续1）
类型 除过程标识符之外，其他标识符都具有类型属 性，函数的数据类型指的是函数返回值的数据类 型。 基本类型有整型、实型、字符型以及布尔型等。
在基本类型的基础上，还可以定义数组、结构 标识符的类型是在程序中该标识符的定义部分
得到的。 变量标识符的类型属性决定了变量所占存储空 间的大小以及能够施于变量上的操作等。
6.1 语义分析概述
语法和语义的区别
语法：
描述一个合法定义的程序结构的规则。
语义：
说明一个合法定义的程序的含义的规则。
5
PASCAL语言的条件语句： if x>y then z := z+1 else z := z -1
C语言的条件语句： if (x>y) { z = z+1; } else { z=z-1; }
常见的语义错误（续1）
类型相关的语义错误
– 各种条件表达式的类型是不是boolean型? – 运算符的分量的类型是否相容? – 赋值语句的左右部的类型是否相容? – 形参和实参的类型是否相容? – 下标表达式的类型是否为所允许的类型?
常见的语义错误（续2）
– – – –
函数说明中的函数类型和返回值的类型是否一致? V[E]中的V是不是变量,而且是不是数组类型？ V.id中的V是不是变量,而且是不是结构体类型? id是不是该 记录类型中的成员? V↑(*V)中的V是不是指针或文件变量？
一般的语义检查：与语法分析相结合
17
方式二 独立一遍的语义分析的功能图示
语法分析树 TokenList 语义定义 自然语言描述的规定
18
语义分析
符号表
判定
类C语言的抽象语法树
程序Root 节点 Node2 …… 常量声明 类型声明 节点 Node 节点 Noden FunNode1 节点 Node1
30
„ ｛int a； // 第一层头,定义的局部整型变量a „ ｛char a； // 第二层头,定义的局部字符型变量a „ ｛ // 第三层头 „ ｛float a； // 第四层头,定义的局部实型变量a ... a ... ｝ // 第四层尾 „a„ // 引用第二层定义的局部字符型变量a ｝ // 第三层尾 程序区 „ ｝ // 第二层尾 静态存储区 .... 动态存储区： ｝ // 第一层尾 int a；
– 公理语义(Axiomatic Semantics)
形式语义描述技术没有形式语法描述技术成熟 硕士研究生的课程-《形式语义学》
11
语义分析的主要任务
根据声明部分建立符号表
符号表（symbol table）：是一种供编译器用于保 存有关源程序的各种信息的数据结构。符号表的每 个条目中包含与一个标识符相关的信息，这些信息 全面地反映该名字的属性及它们在编译过程中的特 征。 符号表的作用：
7
1. 2. 3. 4.
5.
int x=10; Main( ) { printf( “%d”,x+x );
符合变量声明的语法、语义
x( );
f = x;
符合函数调用的语法、不符合语义
6.
}
符合赋值语句的语法、不符合语义
7.
8. 9. 10. 11.
float f( )
{int x=20,y; float x; printf( “%d”,x ); }
– 存储标识符的属性；
– 便于检查语义错误；
– 代码生成阶段作为地址分配的依据。
12
语义分析的主要任务（续1）
在整个程序范围内检查常见语义错误
– 声明和使用相关的错误 – 类型相关的语义错误
13
常见的语义错误
声明和使用相关的语义错误 常见的语义错误： – 每个使用性标识符是否都有声明?在同层内有无标识符被声 明多次? – 标号是否有声明?有无重复声明和重复定位错误?有无非法 转入错误？ 如何检查? – 每当遇到新声明的标识符,查符号表： 如果当前有效的所有标识符中有相同名字的,则是重复声 明错误; 否则生成它的属性信息,保存到符号表中; – 每当遇到标识符的使用,查符号表 如果没有找到,说明该标识符没有声明; 如果找到,则可获取该标识符的属性,进行进一步分析; 14
符合函数声明的语法、语义 符合变量声明的语法、语义 符合变量声明的语法、不符合语义
8
语义分析的必要性
一个语法正确的程序不能保证它是有意义 的. 程序中容易出现各种语义错误：
– 标识符未声明 – 操作数的类型与操作符的类型不匹配
– ……
9
程序设计语言语义的分类
静态语义
– 编译时(compile-time)可以检查的语义 – 例如：标识符未声明
TypeKind = ( intTy，boolTy，charTy，realTy， enum TypeKind {intTy，boolTy，charTy，realTy， enumTy，subTy，arrayTy， enumTy，subTy，arrayTy,structTy，setTy，fileTy， structTy，setTy，fileTy，pointerTy) pointerTy};
语句
变量声明
函数声明 语句
20
6.2 符号表的数据结构
标识符的属性
名字
类型 存取方式 存储类别
作用域和可视性
21
标识符的属性
名字 在程序语言中，标识符可以作为变量的名字、 函数的名字或过程的名字，是变量、函数或过程的 唯一标志，因此在符号表中标识符的名字一般不允 许重名。 若程序中出现重名标识符： 1.将根据语言的定义，按照该标识符在程序 中的作用域和可视性规则进行相应的处理。 2.在一些允许操作重载（Operator Overload）的语言中，函数名、过程名是可以重名 的，对于这类标识符要通过它们的参数个数和类型、 函数返回值类型来区别，以达到它们在符号表中的 唯一性。 22
程序区
„ „ a „ // „ „ ::a „ }
引用
float a .
int a .
静态存储区 int a； 动态存储区float a；
// 引用
int b;
29
2、分程序结构 ：C语言中分程序语句的语法是:
{ 声明 语句 } 分程序的一个特点是它的嵌套结构。 分程序结构的声明作用域由下面的最近嵌套规则给出： （1）分程序B中声明的作用域包括B。 （2）如果名字x没有在B中声明，那么B中x的出现 是在外围分程序B 的x声明的作用域中，且满足： （a）B 有x的声明； （b）B 比其它任何含x声明的分程序更接近被 嵌套的B。