编译器的设计

一、引言

编译器的设计涉及到编译程序构造的一般原理、基本设计方法、主要实现技术和一些自动构造工具。尽管“编译程序”是特指将高级程序设计语言翻译成低级语言的软件，但编译程序构造的基本原理和技术也广泛应用于一般的设计和实现，因此，是一门对实践性要求较高的课程。

目前，世界上存在着数千种源语言，既有Fortran和Pascal这样的传统程序设计语言，也有各计算机应用领域中出现的专用语言。目标语言也同样广泛，目标语言可以是另一种程序设计语言或者是从微处理机到计算机的任何计算机的机器语言。不同语言需要不同的编译器。根据编译器的构造方法或者它们要实现的功能，编译器被分为一遍编译器、多遍编译器、装入并执行编译器、调试编译器、优化编译器等多种类别。从表面上看，编译器的种类似乎千变万化，多种多样，实质上任何编译器所要完成的基本任务都是相同的。通过理解这些任务，我们可以利用同样的基本技术为各种各样的源语言和目标机器构建编译器。

中间代码生成在进行了上述的语法分析和语义分析的工作之后，有的编译程序将源程序变成一种内部表示形式，这种内部表示形式叫做中间语言或中间代码。所谓“中间代码”是一种结构简单、含义明确的记号系统，这种记号系统可以设计为多种多样的形式，重要的设计原则为两点：一是容易生成；二是容易将它翻译成目标代码。很多编译程采用了一种近似“三地址指令”的“四元式”中间代码，这种四元式的形式为：（运算符，运算对象1，运算对象2，结果）。

二、编译器的基础知识

一个编译程序就是一个语言翻译程序。它把一种语（称作源语言）书写的程序翻译成另一种语言（称作目标语言）的等价的程序。比如汇编程序是一个翻译程序，它把汇编语言程序翻译成机器语言程序。如果源语言是像FORTRAN，PASCAL，或C那样的高级语言，目标语言是像汇编语言或机器语言那样的低级语言，则这种翻译程序称作编译程序。

2.1 编译器的发展背景

编译程序是现代计算机系统的基本组成部分之一，而且多数计算机系统都含有不止一个高级语言的编译程序，对有些高级语言甚至配置了几个不同性能的编译程序。从功能上看，一个编译程序就是一个语言翻译程序。它把一种语（称作源语言）书写的程序翻译成另一种语言（称作目标语言）的等价的程序。比如汇编程序是一个翻译程序，它把汇编语言程序翻译成机器语言程序。如果源语言是像FORTRAN，PASCAL，或C那样的高级语言，目标语言是像汇编语言或机器语言那样的低级语言，则这种翻译程序称作编译程序。

词法分析阶级是编译过程的第一个阶级。这个阶级的任务是从左到右一个字符一个字符地读入源程序，对构成源程序的字符流进行扫描和分解，从而识别一个个单词（也称为单词符号或符号）。这里所谓的单词是指逻辑上紧密相连的一组字符，这些字符具有集体含义。比如标识是由字母开头，后跟字母、数字字符序列组成的一种单词，。保留字是一种单词，此外还有算符，界符等等。

语法分析是编译过程的第二个阶段。语法分析的任务是在词法分析的基础上将单词序列分解成各类语法短语。如“程序”，“语句”，“表达式”等等。一般这种语法短语也称为语法单位，可表示成语法树。语法分析所依据的是语言的语法规则，即描述程序结构的规则。通过语法分析确定整个输入串是否构成一个语法上正确的程序。由于代码生成较复杂，所以编译器一般将这一阶段分成几个涉及不同中间数据结构步骤，其中包括了某种称作中间代码的抽象代码。编译器也可能没有生成真正的可执行代码，而是生成了某种形式的汇编代码，这必须由汇编器、链接器和装入器进行进一步处理。汇编器、链接器和装入器可由操心系统提供或由编译器自带。在翻译期间，中间表示或IR代表了源程序和数据结构。虽然抽象语法树是源代码完美充分的表达，即使对于代码生成也不过这样，但是它与目标代+码极不相像，在控制流构造上尤为如此。在控制流构造上，目标代码使用转移语句而不是if和while语句。因此，编译器编写者可能希望从语法树生成一个更接近目标代码的中间表示形式，或者用这样一个中间表示代替语法树，然后再从这个新的中间表示生成目标代码。这种类似目标代码的中间表示称为中间代码。

2.2编译器研发的可行性分析

编写编译器的原理和技术具有十分普遍的意义，以致于在每一个计算机科学家的研究生涯中，许多原理和技术都会反复用到。编译器的编写涉及到程序设计语言、计算机体系结构、语言理论、算法和软件工程等学科。简单的说，编译器是一个程序，它读入用某种语言（源语言）编写的程序并将其翻译成一个与之等价的以另一种语言（目标语言）编写的程序。作为这个翻译过程匠一个重要组成部分，编译器能够向用户报告被编译的源程序中

许多操纵源程序的软件工具都首先完成某种类型的分析。下边是这类工具的示例：

1．结构编辑器，结构编辑器将一个命令序列作为输入一构造程序。

2．智能打印机，智能打印机能够对程序进行分析，打印出结构清晰的程序。

3．静态检查器，静态检查器读入一个程序，分析这个程序，并在不运行这个程序的条件试图发现程序的潜在错误。

4．解释器，解释器不是通过翻译来产生目标程序，而是直接执行源程序中蕴含的操作。

研究编译程序是有意义在于：

1）编译程序构造是计算机科学中的一个非常成功的分支，也是最早获的成功的分支之一；

2）它与文件转换程序关系密集，且不仅仅适用于编译程序；

3）它包含许多在实际应用中有用的算法。

2．3编译过程概述

编译程序是现代计算机系统的基本组成部分之一，而且多数计算机系统都含有不止一个高级语言的编译程序，对有些高级语言甚至配置了几个不同性能的编译程序。从功能上看，一个编译程序就是一个语言翻译程序。它把一种语（称作源语言）书写的程序翻译成另一种语言（称作目标语言）的等价的程序。如果源语言是像FORTRAN，PASCAL，或C那样的高级语言，目标语言是像汇编语言或机器语言那样的低级玉器言，则这种翻译程序称作编译程序。

高级语言程序的处理过程如图：

需处理的源程序

源程序

目标汇编程序

可再装配的机器代码

可在装配的目标文件

绝对机器代码

一个源程序有时可能分成几个模块存放在不同的文件里，将这些源程序汇集在一起的任务，由一个叫做预处理程序的程序完成，有些预处理程序也负责宏展开，像C语言和预处理程序要完成文件合并、宏展开等任务。也就是说，一个编译程序的输入可能要一个或多个预处理程序来产生，另外，为得到能运行的机器代码，编译程序的输出可能仍需要进一步地处理。