编译原理
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编译原理核心：词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、优化、目标代码生成。
1. 编译器概述
1.1 编译器的阶段
编译器将源代码翻译为目标代码，分为前端和后端两个主要部分：
编译器流水线 (协议栈主线, 参见 [概述](overview) 4.2节):
源代码
|
v
+------------------+ +------------------+
| 前端 | | 后端 |
| | | |
| 词法分析 --------+--+--+-- 中间代码优化 |
| (Lexical) | | | |
| 语法分析 --------+ v +-- 目标代码生成 |
| (Syntax) | IR | |
| 语义分析 --------+--+--+-- 汇编/链接 |
| (Semantic) | | |
+------------------+ +------------------+
| |
v v
符号表/AST 目标代码
IR = Intermediate Representation (中间表示)1.2 编译器 vs 解释器
编译器 vs 解释器:
编译器: 源代码 -> [编译] -> 目标代码 -> [执行] -> 结果
一次编译, 多次执行
例: C/C++, Rust, Go
解释器: 源代码 -> [逐行解释执行] -> 结果
每次执行都需要源代码
例: Python, Ruby, Bash
混合模式 (JIT):
源代码 -> [编译] -> 字节码 -> [JIT编译] -> 机器码 -> [执行]
例: Java (javac + JIT), JavaScript (V8)跨模块引用：Java的编译模型是典型的混合模式：javac编译为字节码，JIT在运行时编译为机器码。C语言使用传统的AOT编译模型。概述的停机问题决定了编译器无法完美分析所有程序属性。
2. 词法分析
2.1 词法分析的任务
词法分析器（Lexer/Scanner）将字符流转换为Token流：
输入: int x = 42 + y;
字符流: i n t x = 4 2 + y ;
Token流:
[KW_INT] [IDENT("x")] [ASSIGN] [INT_LIT(42)] [PLUS] [IDENT("y")] [SEMI]
Token定义:
enum TokenType {
KW_INT, KW_IF, KW_WHILE, KW_RETURN,
IDENT, INT_LIT, FLOAT_LIT, STRING_LIT,
PLUS, MINUS, STAR, SLASH, ASSIGN, EQ, NEQ,
LPAREN, RPAREN, LBRACE, RBRACE, SEMI, COMMA
};
struct Token {
TokenType type;
string lexeme;
any literal;
int line;
};2.2 正则表达式与有限自动机
词法分析的理论基础是正则表达式和有限自动机（参见离散数学的自动机理论）：
正则表达式 -> NFA -> DFA -> 最小化DFA -> 词法分析器
转换流程:
1. 正则表达式 -> NFA (Thompson构造):
a -> [s0] --a--> [s1]
a|b -> [s0] --e--> [s1] --a--> [s2] --e--> [s5]
| ^
+--e--> [s3] --b--> [s4] --e----------+
ab -> [s0] --a--> [s1] --e--> [s2] --b--> [s3]
a* -> [s0] --e--> [s1] --a--> [s2] --e--> [s3]
^ |
+----------e-------------------+
2. NFA -> DFA (子集构造):
DFA状态 = NFA状态的集合 (epsilon闭包)
3. DFA最小化 (Hopcroft算法):
合并等价状态2.3 词法分析器实现
class Lexer:
def __init__(self, source):
self.source = source
self.pos = 0
self.line = 1
def next_token(self):
self.skip_whitespace()
if self.pos >= len(self.source):
return Token(EOF, "", None, self.line)
ch = self.source[self.pos]
if ch.isalpha() or ch == '_':
return self.identifier()
if ch.isdigit():
return self.number()
if ch == '"':
return self.string()
return self.symbol()
def identifier(self):
start = self.pos
while self.pos < len(self.source) and (self.source[self.pos].isalnum() or self.source[self.pos] == '_'):
self.pos += 1
lexeme = self.source[start:self.pos]
if lexeme in KEYWORDS:
return Token(KEYWORD, lexeme, None, self.line)
return Token(IDENT, lexeme, None, self.line)
def number(self):
start = self.pos
while self.pos < len(self.source) and self.source[self.pos].isdigit():
self.pos += 1
return Token(INT_LIT, self.source[start:self.pos], int(self.source[start:self.pos]), self.line)3. 语法分析
3.1 上下文无关文法 (CFG)
CFG定义: G = (V, T, P, S)
V = 非终结符集合 (变量)
T = 终结符集合 (Token)
P = 产生式规则
S = 起始符号
表达式文法示例:
E -> E + T | E - T | T
T -> T * F | T / F | F
F -> ( E ) | id | num
消除左递归:
E -> T E'
E' -> + T E' | - T E' | epsilon
T -> F T'
T' -> * F T' | / F T' | epsilon
F -> ( E ) | id | num
推导 "3 + 5 * 2":
E
-> T E'
-> F T' E'
-> 3 T' E'
-> 3 E'
-> 3 + T E'
-> 3 + F T' E'
-> 3 + 5 T' E'
-> 3 + 5 * F T' E'
-> 3 + 5 * 2 T' E'
-> 3 + 5 * 2 E'
-> 3 + 5 * 23.2 语法分析树与歧义性
歧义文法: 一个句子有多棵语法树
E -> E + E | E * E | id
"3 + 5 * 2" 有两棵树:
树1 (错误): 树2 (正确):
+ *
/ \ / \
* 2 + 2
/ \ / \
3 5 3 5
= (3+5)*2 = 16 = 3+(5*2) = 13
消除歧义:
1. 改写文法 (引入优先级和结合性)
2. 使用优先级声明 (Yacc/Bison的%left, %right)3.3 LL分析 (自顶向下)
LL(1)分析:
L: 从左到右扫描
L: 最左推导
1: 向前看1个符号
FIRST集合:
FIRST(A) = { a | A =>* a... }
FOLLOW集合:
FOLLOW(A) = { a | S =>* ...Aa... }
LL(1)分析表构造:
对产生式 A -> alpha:
对每个 a in FIRST(alpha): M[A, a] = A -> alpha
若 epsilon in FIRST(alpha):
对每个 b in FOLLOW(A): M[A, b] = A -> alpha
LL(1)分析表 (表达式文法):
| id | num | + | - | * | / | ( | ) | $ |
-----+-------+-------+------+------+------+------+------+------+------+
E | TE' | TE' | | | | | TE' | | |
E' | | |+TE' |-TE' | | | | eps | eps |
T | FT' | FT' | | | | | FT' | | |
T' | | | eps | eps | *FT' | /FT' | | eps | eps |
F | id | num | | | | | (E) | | |
递归下降分析器:
每个非终结符对应一个函数递归下降分析器伪代码：
class Parser:
def __init__(self, lexer):
self.lexer = lexer
self.current = lexer.next_token()
def eat(self, token_type):
if self.current.type == token_type:
self.current = self.lexer.next_token()
else:
raise SyntaxError(f"Expected {token_type}, got {self.current.type}")
def expr(self):
node = self.term()
while self.current.type in (PLUS, MINUS):
op = self.current
self.eat(op.type)
node = BinOp(node, op, self.term())
return node
def term(self):
node = self.factor()
while self.current.type in (STAR, SLASH):
op = self.current
self.eat(op.type)
node = BinOp(node, op, self.factor())
return node
def factor(self):
if self.current.type == LPAREN:
self.eat(LPAREN)
node = self.expr()
self.eat(RPAREN)
return node
elif self.current.type == IDENT:
node = Var(self.current)
self.eat(IDENT)
return node
elif self.current.type == INT_LIT:
node = Num(self.current)
self.eat(INT_LIT)
return node3.4 LR分析 (自底向上)
LR分析:
L: 从左到右扫描
R: 最右推导的逆序 (规范归约)
LR分析器结构:
+------------------------------------------+
| Stack: s0 X1 s1 X2 s2 ... Xn sn |
| |
| Action Table: |
| sn: 移入, 压入状态n |
| rn: 用第n条产生式归约 |
| acc: 接受 |
| |
| Goto Table: |
| 状态转移 (归约后) |
+------------------------------------------+
LR(0)项目:
对产生式 A -> XYZ, 有:
A -> .XYZ
A -> X.YZ
A -> XY.Z
A -> XYZ.
SLR(1)归约条件:
仅当当前Token in FOLLOW(A)时才归约 A -> alpha
LALR(1):
合并同心项目集 (相同核心, 不同向前看符号)
比SLR(1)更强, 比LR(1)状态少
Yacc/Bison使用LALR(1)4. 语义分析
4.1 语法制导翻译
语法制导定义 (SDD):
综合属性: 从子节点向父节点传递
继承属性: 从父节点/兄弟节点向子节点传递
表达式求值的SDD:
产生式 语义规则
E -> E1 + T E.val = E1.val + T.val
E -> E1 - T E.val = E1.val - T.val
E -> T E.val = T.val
T -> T1 * F T.val = T1.val * F.val
T -> F T.val = F.val
F -> ( E ) F.val = E.val
F -> num F.val = num.lexval4.2 类型检查
类型系统:
类型表达式:
basic: int, float, bool, char
constructed: array(n, T), pointer(T), function(T1 -> T2)
type_name: struct, class
类型等价:
名字等价: 类型名相同才等价
结构等价: 内部结构相同即等价
类型检查规则:
算术运算:
E1.op E2: E1.type = numeric AND E2.type = numeric
结果类型: max(E1.type, E2.type) (int < float)
赋值:
E1 = E2: E2.type 可隐式转换为 E1.type
函数调用:
f(E1,...,En): f.type = function(T1,...,Tn -> R)
Ei.type 可转换为 Ti
结果类型: R
类型转换示例:
int + float -> float (int隐式提升为float)
int = float -> error (需要显式转换)4.3 符号表
符号表管理:
作用域嵌套:
{ Scope 0
int x; x: int, scope=0
{ Scope 1
float x; x: float, scope=1
int y; y: int, scope=1
{ Scope 2
x = y + 1; x: float (scope 1), y: int (scope 1)
}
}
}
符号表实现:
方案1: 链式作用域栈
每进入一个作用域, 压入新表
查找: 从栈顶向下搜索
方案2: 哈希表 + 作用域链
每个符号条目包含 scope_level
查找: 匹配名字且 scope_level <= 当前level
符号表条目:
struct SymbolEntry {
string name;
Type type;
int scope_level;
int offset; // 栈帧偏移
Category category; // VAR, FUNC, PARAM, TYPE
};跨模块引用：C++的模板类型检查在编译期完成，是编译器最复杂的部分之一。Java的泛型使用类型擦除，类型检查也在编译期。C语言的类型系统相对简单，隐式转换规则较少。
5. 中间代码生成
5.1 中间表示 (IR)
常见中间表示:
1. 三地址码 (TAC / 3AC):
x = y op z
x = op y
x = y
goto L
if x relop y goto L
例: a = b + c * d
t1 = c * d
t2 = b + t1
a = t2
2. 静态单赋值 (SSA):
每个变量只被赋值一次
使用 phi 函数在控制流汇合处选择值
例:
if (cond) {
x = 1;
} else {
x = 2;
}
y = x + 1;
SSA形式:
if (cond) {
x1 = 1;
} else {
x2 = 2;
}
x3 = phi(x1, x2); // 根据来源路径选择值
y1 = x3 + 1;
3. LLVM IR:
@main:
%1 = add i32 %a, %b
%2 = mul i32 %1, %c
ret i32 %25.2 表达式翻译
表达式 a = b + c * d 的翻译:
AST:
=
/ \
a +
/ \
b *
/ \
c d
三地址码生成:
t1 = c * d
t2 = b + t1
a = t2
控制流语句翻译:
if (a < b) then S1 else S2
if a >= b goto L_else
S1的代码
goto L_end
L_else:
S2的代码
L_end:
while (a < b) do S
L_begin:
if a >= b goto L_end
S的代码
goto L_begin
L_end:5.3 函数调用翻译
函数调用约定 (参见 [体系结构](architecture) 的ABI):
f(a, b, c) 的调用序列:
调用者 (Caller):
1. 保存caller-saved寄存器
2. 将参数压栈/放入寄存器 (按ABI约定)
3. call f (压入返回地址, 跳转)
被调用者 (Callee):
1. push ebp / mov ebp, esp (建立栈帧)
2. 保存callee-saved寄存器
3. 分配局部变量空间
4. 执行函数体
5. 将返回值放入eax/rax
6. 恢复callee-saved寄存器
7. mov esp, ebp / pop ebp (销毁栈帧)
8. ret (弹出返回地址, 跳回)
栈帧布局:
高地址
+------------------+
| 参数n |
| ... |
| 参数1 |
| 返回地址 |
| 保存的ebp | <-- ebp
| 局部变量1 |
| 局部变量2 |
+------------------+ <-- esp
低地址6. 代码优化
6.1 基本块与控制流图
基本块 (Basic Block):
连续的指令序列, 只有一个入口和一个出口
入口: 第一条指令
出口: 最后一条指令
控制流图 (CFG):
节点 = 基本块
边 = 可能的控制转移
例:
B1: t1 = a + b
if t1 < c goto B3
B2: t2 = c - d
goto B4
B3: t2 = a + d
B4: x = t2
CFG:
B1 -> B2
B1 -> B3
B2 -> B4
B3 -> B46.2 数据流分析
数据流分析框架:
到达定义 (Reaching Definitions):
定义d到达点p: 从d到p存在路径, 且d未被杀死
IN[B] = U OUT[P] (P in pred(B))
OUT[B] = gen_B U (IN[B] - kill_B)
活跃变量 (Live Variables):
变量v在点p活跃: 从p出发存在使用v的路径, 且v未被重定义
IN[B] = use_B U (OUT[B] - def_B)
OUT[B] = U IN[S] (S in succ(B))
可用表达式 (Available Expressions):
表达式x op y在点p可用: 所有到达p的路径都计算了x op y
IN[B] = n OUT[P] (P in pred(B))
OUT[B] = gen_B U (IN[B] - kill_B)6.3 常见优化技术
1. 常量折叠 (Constant Folding):
x = 3 + 5 => x = 8
2. 常量传播 (Constant Propagation):
x = 5
y = x + 3 => y = 8
3. 死代码消除 (Dead Code Elimination):
x = 5 // x未被使用
=> (删除)
4. 公共子表达式消除 (CSE):
t1 = a + b
t2 = a + b => t2 = t1
5. 循环不变量外提 (LICM):
for (i = 0; i < n; i++) {
t = a * b; // 循环不变
c[i] = t + i;
}
=>
t = a * b;
for (i = 0; i < n; i++) {
c[i] = t + i;
}
6. 强度削弱 (Strength Reduction):
i * 4 => i << 2 (乘法变移位)
for循环中的 i++ => 地址 += 4 (乘法变加法)
7. 内联 (Inlining):
int square(int x) { return x * x; }
y = square(5) => y = 5 * 5
8. 尾调用优化 (Tail Call Optimization):
int f(int n) {
if (n <= 1) return 1;
return f(n - 1); // 尾调用
}
=> 复用当前栈帧, 转为循环6.4 优化级别
编译优化级别:
-O0: 无优化
便于调试, 代码与源码一一对应
-O1: 基本优化
死代码消除, 常量折叠, 基本块重排
-O2: 标准优化
循环优化, 内联, CSE, 指令调度
-O3: 激进优化
自动向量化, 函数克隆, 更激进的内联
-Os: 优化代码大小
禁用增加代码大小的优化
-Oz: 最小化代码大小
更激进的大小优化跨模块引用：体系结构的流水线和缓存特性影响指令调度的优化策略。操作系统的虚拟内存影响代码布局优化的决策。C++的模板元编程在编译期执行计算，是编译器优化的极端案例。
7. 目标代码生成
7.1 寄存器分配
寄存器分配问题:
将无限虚拟寄存器映射到有限物理寄存器
无法映射的虚拟寄存器溢出(spill)到内存
图着色寄存器分配:
1. 构建干涉图:
若两个变量同时活跃, 则它们干涉
干涉图中连一条边
2. 图着色:
使用K种颜色着色 (K = 物理寄存器数)
相邻节点颜色不同
3. 简化:
若节点度数 < K: 删除该节点, 压栈
否则: 选择溢出候选
4. 选择:
弹栈, 为每个节点分配颜色
若无可用颜色: 溢出到内存
干涉图示例 (3个寄存器):
a --- b --- c
| |
+-----d-----+
简化: d(度数2) -> c(度数2) -> a(度数1) -> b(度数0)
着色: b=R0, a=R1, c=R0, d=R27.2 指令选择
指令选择: 将IR映射到目标机指令
模式匹配方法:
IR: t1 = a * 4
x86: shl eax, 2 // 移位比乘法快
ARM: LSL r0, r1, #2
IR: t1 = a + b * c
x86: imul ecx, edx // b * c
add eax, ecx // + a
ARM: MLA r0, r1, r2, r3 // 乘加一条指令
树模式匹配:
IR树: 目标指令模式:
+ ADD r1, r2
/ \
a * MUL r3, r4 (子树)
/ \
b c
最优覆盖: MUL + ADD = 2条指令
若有MLA指令: 1条指令7.3 指令调度
指令调度: 重排指令顺序, 减少流水线停顿
调度前 (有停顿):
LOAD r1, [addr] // 延迟3周期
ADD r2, r1, r3 // 依赖r1, 停顿2周期
SUB r4, r5, r6 // 独立指令
调度后 (消除停顿):
LOAD r1, [addr] // 延迟3周期
SUB r4, r5, r6 // 填充延迟槽
ADD r2, r1, r3 // r1已就绪
列表调度算法:
1. 计算每个操作的最早开始时间 (依赖约束)
2. 按优先级排序 (关键路径优先)
3. 逐周期调度: 选择优先级最高且资源可用的操作7.4 链接
链接过程:
编译: source.c -> object.o
汇编: source.s -> object.o
链接: object1.o + object2.o + libs -> executable
目标文件格式 (ELF):
+------------------+
| ELF Header |
| Section Headers |
| .text | 代码段
| .data | 已初始化数据
| .bss | 未初始化数据
| .symtab | 符号表
| .rel.text | 代码重定位
| .rel.data | 数据重定位
| .strtab | 字符串表
+------------------+
符号解析:
强符号: 函数和已初始化全局变量
弱符号: 未初始化全局变量
规则:
不允许两个强符号同名
一个强符号+一个弱符号 -> 选择强符号
两个弱符号 -> 任选一个
重定位:
修改代码和数据中的地址引用
绝对地址: R_X86_64_32
PC相对: R_X86_64_PC32跨模块引用：体系结构的ISA决定了指令选择和调度的策略。操作系统的虚拟内存和进程地址空间布局影响链接器的设计。C语言的编译模型是经典的分离编译+链接模型。
8. 速查表
8.1 编译阶段速查
| 阶段 | 输入 | 输出 | 核心算法 |
|---|---|---|---|
| 词法分析 | 字符流 | Token流 | DFA/正则表达式 |
| 语法分析 | Token流 | AST | LL/LR分析 |
| 语义分析 | AST | 标注AST | 类型检查/作用域 |
| IR生成 | 标注AST | IR(TAC/SSA) | 语法制导翻译 |
| 优化 | IR | 优化IR | 数据流分析 |
| 代码生成 | 优化IR | 目标代码 | 寄存器分配/指令选择 |
8.2 文法层次速查 (Chomsky层次)
| 类型 | 文法 | 识别器 | 应用 |
|---|---|---|---|
| Type-3 | 正则文法 | DFA/NFA | 词法分析 |
| Type-2 | 上下文无关 | PDA | 语法分析 |
| Type-1 | 上下文有关 | LBA | 语义分析 |
| Type-0 | 无限制 | 图灵机 | 通用计算 |
8.3 分析方法速查
| 方法 | 方向 | 向前看 | 能力 | 工具 |
|---|---|---|---|---|
| LL(1) | 自顶向下 | 1 | 较弱 | ANTLR |
| LL(*) | 自顶向下 | 无限 | 中等 | ANTLR4 |
| SLR(1) | 自底向上 | 1 | 弱 | - |
| LALR(1) | 自底向上 | 1 | 中 | Yacc/Bison |
| LR(1) | 自底向上 | 1 | 强 | - |
| GLR | 自底向上 | - | 最强 | Elkhound |
8.4 优化技术速查
| 优化 | 作用 | 阶段 |
|---|---|---|
| 常量折叠 | 编译期计算 | 局部 |
| 常量传播 | 传播已知值 | 全局 |
| 死代码消除 | 删除无用代码 | 全局 |
| CSE | 消除重复计算 | 局部/全局 |
| LICM | 循环不变量外提 | 循环 |
| 强度削弱 | 替换昂贵操作 | 循环 |
| 内联 | 消除调用开销 | 过程间 |
| 尾调用优化 | 复用栈帧 | 过程间 |
延伸阅读
- Compilers: Principles, Techniques, and Tools — Aho, Lam, Sethi, Ullman (龙书)
- Modern Compiler Implementation in C/Java/ML — Andrew W. Appel
- Engineering a Compiler — Cooper & Torczon
- Advanced Compiler Design and Implementation — Steven Muchnick