编译原理
编译原理 编译的过程
编译原理编译的过程编译原理是计算机科学与技术领域的一个重要学科，它研究的是将高级程序语言转化为机器语言的过程，以实现程序的运行。
编译的过程可以分为以下几个步骤。
1. 词法分析（Lexical Analysis）：将输入的源代码序列划分为一个个的词素（Token），并对每个词素进行分类。
2. 语法分析（Syntactic Analysis）：根据语法规则，利用词法分析得到的词法单元序列，生成抽象语法树（Abstract Syntax Tree），以表达程序的结构。
3. 语义分析（Semantic Analysis）：对生成的抽象语法树进行语义的验证，包括类型检查、作用域检查等。
同时，将高级语言的语句转化为中间代码表示。
4. 优化（Optimization）：对生成的中间代码进行优化，以提高程序的执行效率。
包括常量折叠、公共子表达式消除、循环优化等。
5. 中间代码生成（Intermediate Code Generation）：将优化后的中间代码转化为目标机器独立的中间代码表示，如三地址码、虚拟机指令等。
6. 目标代码生成（Code Generation）：根据目标机器的特点，将中间代码转化为目标机器代码，如汇编语言代码或机器指令。
7. 目标代码优化（Code Optimization）：对生成的目标代码进行优化，以进一步提高程序的执行效率。
8. 目标代码的链接与装载（Linking and Loading）：将编译得到的目标代码与库进行链接，生成可执行程序，并将其加载到内存中执行。
编译过程中的每个阶段都具有特定的功能和任务，它们相互协作，最终将高级语言的源代码转化为目标机器可执行的代码。
这个过程可以分为前端和后端两个部分，前端主要负责语法和语义分析等，后端主要负责中间代码的生成、目标代码生成和优化等。
编译过程需要充分考虑程序的正确性、效率和可维护性等方面的要求。
编译原理内容介绍
编译原理内容介绍编译原理是计算机科学中的一个重要领域，它研究的是如何将高级编程语言转换成计算机硬件能够直接执行的机器语言的过程。
在计算机科学中，编译原理是一个基础性的领域，涉及到计算机语言、计算机组成原理、最优化技术、算法分析等众多方面知识。
编译原理的研究旨在提高编程效率、代码可读性、运行效率和可移植性等方面，因此具有非常重要的意义。
编译原理主要包括以下几个方面的内容：1. 词法分析词法分析是将高级编程语言中的字符流转换为一系列有意义的词法符号的过程。
词法符号包括关键字、标识符、运算符、分界符等，它们是编程语言的基本组成部分。
词法分析器通常使用有限状态自动机来实现，可以通过正则表达式来定义词法规则。
2. 语法分析语法分析是将词法符号流转换为一个语法树的过程。
语法树是将编程语言的语法结构形式化的一种工具，它能够帮助编译器理解程序的结构和语义，为后续的中间代码的生成和优化提供便利。
语法分析器通常使用上下文无关文法来描述编程语言的语法规则，可以使用递归下降分析、LL分析器、LR分析器等算法来实现。
3. 语义分析语义分析是分析和检查程序的语义正确性的过程，它通常包括类型检查、变量声明的作用域和生命周期、函数调用和参数传递等方面的分析。
语义分析是编译器实现的关键步骤之一，它可以为代码生成和优化提供更准确的信息。
4. 中间代码生成中间代码生成是将语法树转换为具有一定格式的中间代码的过程，中间代码通常是一种类似于汇编语言的低级程序表示形式，它能够方便地被不同的目标平台所接受和执行。
中间代码的生成通常是由语法分析和语义分析过程直接实现，也可以采用优化算法对生成的中间代码进行优化。
5. 代码优化代码优化是对生成的中间代码进行优化的过程，它旨在提高代码的执行效率、减少代码大小和消除不必要的指令等。
代码优化是编译器设计的重要方面，这是因为优化好的代码可以使程序的性能和效率得到显著提升，在实际应用中具有非常重要的意义。
编译原理讲什么
编译原理讲什么
编译原理是研究程序编译的原理和方法的学科。
它主要涉及了程序的词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化、目标代码生成以及代码生成和目标代码优化等几个方面。
编译原理的核心思想是将高级语言编写的程序转换为机器语言，使计算机能够正确、高效地执行这些程序。
在程序编译的过程中，首先需要进行词法分析，将程序源代码按照词汇单元进行划分，并生成对应的词法单元序列。
然后进行语法分析，根据语法规则判断词法单元序列是否符合语法规定，如果符合，则进行语法分析树的生成。
接下来是语义分析，对语法分析树进行验证和修正，以确保程序语义的正确性。
在语义分析之后，就需要生成中间代码，以便通过后续的编译过程进行处理。
中间代码是一种抽象的计算机指令集，它与特定的计算机体系结构无关。
在中间代码生成之后，就可以进行代码优化，以提高程序的执行效率和资源利用率。
目标代码生成是将中间代码翻译为目标机器平台上的机器代码的过程。
在目标代码生成之后，还可以进行目标代码优化，以进一步提高代码的执行效率和资源利用率。
编译原理的研究不仅能够帮助理解程序设计语言的工作原理，还有助于开发高效、可靠的编译器和解释器。
它对于提高程序的执行效率、减少资源消耗以及简化程序设计过程都具有重要的意义。
编译原理目录
编译原理目录一、引言。
1.1 编译原理概述。
1.2 编译器的作用和原理。
二、词法分析。
2.1 词法分析的任务和原理。
2.2 正规表达式和有限自动机。
2.3 词法分析器的实现。
三、语法分析。
3.1 语法分析的任务和原理。
3.2 自顶向下分析和自底向上分析。
3.3 语法分析器的实现。
四、语义分析。
4.1 语义分析的任务和原理。
4.2 语义动作和语法制导翻译。
4.3 语义分析器的实现。
五、中间代码生成。
5.1 中间代码的作用和原理。
5.2 三地址码和四元式。
5.3 中间代码生成器的实现。
六、代码优化。
6.1 代码优化的目标和原理。
6.2 基本块和流图。
6.3 代码优化器的实现。
七、目标代码生成。
7.1 目标代码生成的任务和原理。
7.2 寄存器分配和指令选择。
7.3 目标代码生成器的实现。
八、汇编与链接。
8.1 汇编的作用和原理。
8.2 静态链接和动态链接。
8.3 汇编器和链接器的实现。
九、实践与应用。
9.1 编译原理在实际开发中的应用。
9.2 前端与后端的协同工作。
9.3 实践案例分析。
十、总结与展望。
10.1 编译原理的发展历程。
10.2 未来编译原理的发展趋势。
10.3 结语。
在编译原理的学习过程中，我们将深入了解编译器的工作原理和实现方法。
从词法分析到目标代码生成，每个环节都承担着特定的任务，而它们又相互协作，共同完成将源代码翻译成目标代码的过程。
通过本文档的学习，读者将能够全面了解编译原理的核心概念和具体实现，为日后的编译器开发和优化工作打下坚实的基础。
编译原理-第一章 概述
蒋凌云
My E-mail: jianglingyun@
教材：《编译技术原理及其实现方法》王汝传 编著
第一章 概 述
§1.1 程序设计语言 一、语言的概念和分类 二、程序设计语言简述 §1.2 翻译程序 一、汇编程序 二、解释程序 三、编译程序 §1.3 编译程序简史 一、汇编语言阶段 二、高级程序语言出现 三、编译程序理论开始确定 四、编译程序技术方法进一步发展 §1.4 编译过程简述 一、编译步骤 二、编译过程简述 三、趟程(遍) §1.5 编译程序的生成 一、编写编译程序的一般方法 二、编译程序开发技术 三、编译程序的自动生成
第一章 概 述
§1.1 程序设计语言
一、语言的概念和分类
1.语言的分类
自然 语言
以数理逻辑、集合论 和统计数学来描述的 一种语言。例如，用 计算机进行几何定理 的证明就得以数理语 言形式进行描述 程序 设计语言
人与人之间交流 信息的一种语言 动物之间通过动 物语言交流信息
数理 语言
是人和计算机进行信息交流的一种 语言，它遵循一定的语法和语义的 规则，而编译程序的功能正是 1）讨论语法，检查程序正确性 2）讨论语义，生成目标代码
计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自 动地执行程序。 计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序 的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中 的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任 务为止。
John von Neumann 冯· 诺依曼
1949 EDSAC
多范型程序设计语言时期(2/4)
① 函数式语言 也称作用式语言，纯函数式语言中不使用赋值 语句，其语法形式类似于数学上的函数，典型 函数式语言，如LISP、APL、ML等。 ② 逻辑式语言 也称说明式语言，基于规则式语言，它以逻辑 程序设计思想为理论基础，主要核心是事实规 则与推理机制，其代表语言是 PROLOG(PROgramming in LOGic)，PROLOG语 言主要用于人工智能，于1972年由法国马塞大 学人工智能研究中心开发。
学编译原理的作用
学编译原理的作用
学习编译原理的作用有以下几点：
1. 理解编译过程：编译原理是研究将高级程序语言翻译成机器语言的过程。
学习编译原理可以帮助我们深入了解编译过程中各个阶段的原理和实现方法，包括词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、优化和目标代码生成等，从而更好地理解编译的工作原理。
2. 改善程序设计能力：学习编译原理可以使我们更加深入地理解高级语言的语法和语义规则，理解编译器如何分析和转换程序代码。
这有助于我们提高程序设计能力，写出更高效、可读性更好、可维护性更高的代码。
3. 掌握语言设计技巧：编译原理涉及到编程语言的设计和实现，学习编译原理可以帮助我们掌握一些语言设计的技巧和原则，了解各种编程语言中常用的语法结构和语义规则，并能够根据需要设计新的语言或对现有语言进行扩充和改进。
4. 优化程序性能：编译器在编译过程中可以对程序进行一系列的优化，包括代码优化、存储器优化和并行化等，学习编译原理可以了解各种优化技术和优化原理，掌握如何通过编译器优化来提高程序的性能和效率。
5. 开发领域特定语言（DSL）：学习编译原理可以了解如何设计和实现领域特定语言（Domain-Specific Language，DSL）。
DSL是专门为特定领域或特定问题而设计的编程语言，学习
编译原理可以帮助我们了解如何根据特定需求设计和实现DSL，从而在特定领域中提高开发效率和代码质量。
编译原理教学大纲
编译原理教学大纲一、课程介绍本课程主要介绍编译原理的相关概念、理论和实践技术，旨在培养学生对编译原理的理解和应用能力。
通过本课程的学习，学生将了解到编译器的工作原理、设计流程和实现方法，掌握常见编程语言的词法分析、语法分析、语义分析和代码生成等基本技术。
二、教学目标1. 熟悉编译原理的基本概念和基础知识；2. 掌握编译器的各个模块的设计和实现方法；3. 能够使用现有编译器工具进行编译器开发和优化；4. 培养学生的编程能力、分析问题和解决问题的能力。
三、教学大纲1. 编译原理基础1.1 编译器的作用和概念- 编译过程及其阶段- 编译器的核心功能1.2 语言文法和自动机理论- 正则文法和有限自动机- 上下文无关文法和下推自动机1.3 词法分析- 正则表达式和有限自动机实现词法分析器 - 关键字、运算符、标识符、字面量的识别 2. 语法和语义分析2.1 自顶向下语法分析- LL(1)文法及其分析方法- 预测分析表和递归下降分析2.2 自底向上语法分析- LR(0)文法及其分析方法- SLR(1)文法和LR(1)文法分析2.3 语义分析与语法制导翻译- 语义动作和属性文法- 语法制导翻译的实现方法3. 中间代码生成与优化3.1 中间代码的表示和生成- 三地址码和虚拟机- 递归下降翻译的中间代码生成3.2 基本块和流图- 基本块的概念和划分- 控制流的分析和优化3.3 数据流分析与优化- 活性变量分析- 常量传播和复写传播优化4. 目标代码生成和优化4.1 目标代码生成的基本原理- 寄存器分配和指令选择- 代码布局和指令调度4.2 目标代码优化- 数据流分析在目标代码优化中的应用- 循环优化和内存优化四、教学方法本课程采用理论课与实践相结合的教学方法。
理论课重点讲解编译原理的基本概念和原理，实践课通过编写实际编译器项目，培养学生的编程和问题解决能力。
五、考核方式1. 平时成绩占比：40%包括课堂参与、作业完成情况和实验报告等。
编译原理的前置课程
编译原理的前置课程编译原理作为计算机科学和软件工程中的重要课程，涉及到许多前置知识。
下面将介绍一些编译原理的前置课程和它们的重要性。
1.数据结构与算法：数据结构与算法是编译原理的基础，它们提供了实现编译器中各种数据结构和算法的基本工具。
在编译原理中，需要使用到诸如栈、队列、链表、二叉树等数据结构，以及诸如递归、图算法、排序算法等常用算法。
掌握良好的数据结构与算法知识，能够方便地理解和实现编译器的各个模块。
2.计算机体系结构：计算机体系结构是理解计算机内部工作原理的重要课程。
在编译原理中，需要了解计算机的指令集体系结构、寄存器的使用、内存访问等相关知识。
此外，还需要了解一些计算机硬件的实现原理，如处理器的流水线设计、高速缓存的工作方式等。
通过学习计算机体系结构，能够更好地理解编译器与底层硬件之间的关系，并优化编译器的性能。
3.操作系统：操作系统是编译原理的另一个重要前置课程。
编译器在生成目标代码时需要与操作系统紧密合作，例如进行文件操作、进程管理和内存管理等。
了解操作系统的基本概念和机制，如进程调度、内存分配、进程间通信等，能够更好地设计和实现编译器的各个模块。
4.离散数学：编译原理中的许多概念和算法都与离散数学有关。
离散数学中的集合论、图论、逻辑和布尔代数等知识在编译原理中都有广泛应用。
例如，有限状态自动机和正则表达式的理论基础就是离散数学中的有限自动机和正则语言理论。
5.编程语言：对于编译原理来说，理解编程语言的语法和语义是至关重要的。
因此，掌握一门或多门编程语言，了解其语法、语义、类型系统等，能够帮助理解和实现编译器的各个模块。
特别提醒的是，对于一门高级语言（如C++、Java）的掌握，对于理解和实现编译器有着重要的帮助。
综上所述，编译原理的前置课程包括数据结构与算法、计算机体系结构、操作系统、离散数学以及编程语言等。
通过学习这些课程，能够为学习和理解编译原理打下坚实的基础。
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例如：记录每一个符号的位置（行、列） 比如识别宏（macro）, 宏的扩展
可能要进行一些预处理工作
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《编译技术》课程
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Token的类别和属性
1．关键字(保留字) (Keyword)
begin, end, if, then, for, while … 用来表示各种名字 256，3 .14159，1E+3, true, abc 如 ＋、－、*、/ 等 如逗号，分号，冒号等
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示例
前面例子中的源程序经词法分析器的输出：
〈while，—— 〉 〈id，指向i的符号表入口的指针〉 〈relational-op , NE 〉 〈id，指向j的符号表入口的指针〉 〈do，—— 〉 〈if，—— 〉 〈id，指向i的符号表入口的指针〉 〈id，指向j的符号表入口的指针〉
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示例
例: =a,b a b (a) a b (b) (ab ) (ab ) (c) a* (d) (ab) b)* 或 (a (a*b*)* b) (e) a a*b a,b aa,ab,ba,bb aa ab ba bb ,a,aa,aaa,aaaa,… ,a,b,aa,ab,ba,bb,aaa,... a b aa ab ba bb aaa a,b,ab,aab,aaab,……
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正则表达式的性质
设e1, e2和e3均是某字母表上的正则表达式, 则有:
单位正则表达式: ε εe = eε = e 交换律: e1 | e2 = e2 | e1 结合律: e1 | (e2 | e3) = (e1| e2) | e3 e1(e2e3) = (e1e2)e3 分配律: e1(e2 | e3) = e1e2 | e1e3 (e1| e2)e3 = e1e3 | e2e3
此外: r* = (r|ε)* r** =r* (r|s)* = (r*s*)*
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正则表达式与3型文法等价
例 1： 正则表达式：ba ba* 3型文法：S ::= Sa | b a(a|b) a(a|b)* S::=Sa | Sb | a
例：Pascal 语言标识符的定义可表示为： [A-Za-z] ([A-Za-z0-9])*
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北京大学信息科学技术学院 2011年春季学期 《编译技术》
3.4 有限自动机 FA (Finite Automata)
确定的有限自动机 DFA
例：Pascal 语言标识符的定义： letter digit id A | B | · · · | Z | a| b| c · · · | z 0 | 1 | ... | 9 letter ( letter | digit ) *
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number b digit+ di it+ (.digit+)? ( di it+)? (E (+ | )? di digit+)? it+)?
E digit 开始
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digit .
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digit E
16
digit digit
18
digit
13
digit
15
+/
17
other
other
other
注:（1）正则表达式描述的集合称作正则集（正 则表达式的计算描述如何构造正则集）。 （2）“*”，连接，“”运算左结合，优先 级由高到低。删除冗余括号(不改变运算次序 的括号)的正则式也是正则式, 相应的正则集合 不变.
例： = A,B,…,Z,a,b,…,z,0,1,…,9 AB Zab z01 9 • A B... Z a b... z L( A)L( B)…L( Z) L( a) L( b)... L(z) = A,B,…,Z,a,b,…,z • 0 1 .. . 9 L(0) L(1) ... L(9)= L(9) 0,1,…,9 01 9
具体的分类设计以方便语法分析程序使用为原则。
关键字：可统归为一类，也可以一个关键字分成一类。 常数：可统归为一类，也可按类型（整型、实型、布尔 型等），每个类型的常数划分成一类。 属性值：词法单元属性值的内容，是由词法分析和语义 分析的任务划分决定的。
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2．标识符 (Identifier)
3．字面常数 (Literal) (Lit l)
4．运算符 (Operator)
5．分界符 (Delimiter)
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词法分析器的输出
Token的基本输出格式： <类别编码，词法单元自身的属性值> 其中，类别提供给语法分析程序使用；词法单元自 身的属性值提供给语义分析程序使用。
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第3章 词法分析
Lexical Analysis
内容提要
3.1 3 1 词法分析器的设计 3.2 正则表达式与正则集合
Token的描述方法 NFA到DFA的转换 DFA的最小化
3.3 有限自动机 ( (Finite Automata) )
源程序
词法分析程序的功能举例
while i＜＞j do if i＞j then i:＝i-j i j else j:=j-i j: j i
词法分析器
while ， i ， ＜＞ ， j ， do ， if ，i ， ＞ ， j , then , 'i ', ':= , 'i', '-' , 'j ' , 'else', 'j ' , ':= ', 'j ', '- ', ' i '
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手动编写词法分析程序
见教材p p21－p p28
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3 3 正则表达式与正则集合 3.3
正则表达式的递归定义， 是字母表 正则表达式 1. ， 2. a , a 相应的正则集合 {}， {a} L( ( r ) L( (s) L( r ) L( s ) ( L( r ) )* L(r) 正则集合不变
正则表达式的扩展形式
为了表达的方便，通常可以对正则表达式做 如下的扩展：
1次或多次出现: (r)+ ( ) 用来表示 (L(r))+ (L( ))
r* = r+ | ε; r+ = rr* = r*r 也就是 L(r) U {ε}
0次或1次出现: r? 用来表示 r |ε
字符类: [abc] 表示 a|b|c; [a-z] 表示 a|b|c|…|z
3.4 正则表达式与FA的等价性 3.5 正则文法与FA的等价性 3.6 词法分析器的自动构造工具—LEX
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3.1 词法分析器的设计
Token(词法单元) 词法分析器 语法分析器 取下一个Token 符号表
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把词法分析设计成一个独立程序 把词法分析设计成 个独立程序
（1）词法分析可以实现为单独的一遍扫描(pass)； （2）词法分析也可以作为语法分析和语义分析的子程序 （每调用一次getToken()函数可以获得一个token） 错 误 的 诊 查 处 理 语法分析 中间代码 源程序
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关系算符的转换图
= 1 < 开始 0 = > other > 2 3 4 return(relop, LE) return(relop, t ( l NE) * return(relop, LT)
p EQ) 5 return(relop, = 6 other 8 7 * return(relop, GE) return(relop, GT)
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*
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识别空白的转换图 识别空白 的转换图
delim d li blank bl k | tab t b | newline li ws delim+ d li delim 开始
20
delim
21
other
*
22
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2011 年春季学期
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标识符和保留字的转换图
letter或digit 开始
9
letter
10
other
* return(getToken(), 11 installId( ))
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