编译原理 订阅
编译原理是计算机专业的一门重要专业课,旨在介绍编译程序构造的一般原理和基本方法。内容包括语言和文法、词法分析、语法分析、语法制导翻译、中间代码生成、存储管理、代码优化和目标代码生成。 编译原理是计算机专业设置的一门重要的专业课程。编译原理课程是计算机相关专业学生的必修课程和高等学校培养计算机专业人才的基础及核心课程,同时也是计算机专业课程中最难及最挑战学习能力的课程之一。编译原理课程内容主要是原理性质,高度抽象 [1]  。 展开全文
编译原理是计算机专业的一门重要专业课,旨在介绍编译程序构造的一般原理和基本方法。内容包括语言和文法、词法分析、语法分析、语法制导翻译、中间代码生成、存储管理、代码优化和目标代码生成。 编译原理是计算机专业设置的一门重要的专业课程。编译原理课程是计算机相关专业学生的必修课程和高等学校培养计算机专业人才的基础及核心课程,同时也是计算机专业课程中最难及最挑战学习能力的课程之一。编译原理课程内容主要是原理性质,高度抽象 [1]  。
信息
外文名
Compilers: Principles, Techniques, and Tools [1]
领    域
计算机专业的一门重要专业课 [1]
中文名
编译原理 [1]
编译原理基本概念
编译原理即是对高级程序语言进行翻译的一门科学技术, 我们都知道计算机程序由程序语言编写而成, 在早期计算机程序语言发展较为缓慢, 因为计算机存储的数据和执行的程序都是由0、1代码组合而成的, 那么在早期程序员编写计算机程序时必须十分了解计算机的底层指令代码通过将这些微程序指令组合排列从而完成一个特定功能的程序, 这就对程序员的要求非常高了。人们一直在研究如何如何高效的开发计算机程序, 使编程的门槛降低。 [2] 
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  • 编译原理

    千次阅读 2014-09-11 23:00:28
    编译过程就是把预处理的文件进行一系列此法分析,语法分析,语义分析以及优化后生产相应的汇编代码文件。主要分为5部分,分别是:词法分析、语法分析、语义分析、中间语言生产和...本文图示介绍编译原理的整个过程。

            编译器的主要功能就是将高级语言翻译成机器语言的一个工具。平时我们对一个c文件执行gcc编译,其实该过程包括4个步骤,分别是预编译,编译,汇编,链接。

            例如对一个Hello World程序进行编译,编译过程如图:


                               


                  此博文只对第二个步骤进行详细的分析,其他三个步骤请关注后期的博文。编译过程就是把预处理的文件进行一系列此法分析,语法分析,语义分析以及优化后生产相应的汇编代码文件。主要分为5部分,分别是:词法分析、语法分析、语义分析、中间语言生产和目标代码生产与优化。

            

            1. 词法分析:先是编译的文件作为一个输入文件输入到扫描器,由扫描器进行简单的词法分析。主要是将源代码的字符序列分割成一系列的记号。

          例如源代码:array[index] =(index + 4) * (2 + 6); 进行扫描器以后,产生16个记号如下图所示,

                           

                词法分析产生的记号一般可以分为:关键字、标识符、字面量(数字、字符串等)和特殊符号(加号、等号)。扫描器还完成将标识符存放到符号表,将数字、字符串常量存放到文字表等工作。(词法扫描又一个lex程序实现)

           

           2. 语法分析:语法分析有一个语法分析器完成,语法分析器将对由扫描器产生的记号进行语法分析,从而产生语法树。整个分析过程采用了上下文无关语法的分析手段。简单的说,由语法分析器生成的语法树就是以表达式为节点的树。源代码:array[index] = (index + 4) * (2 + 6);

           经过语法分析器以后形成的的语法树,如图:

                        


               整个语句被看作是一个赋值表达式,赋值表达式的左边是一个数组表达式,右边是一个乘法表达式。符号和数字是最小的表达式,所以通常作为整个语法树的节点。从上图还可以看出,语法分析过程还确定了运算符号的优先级和含义。比如,乘法表达式的优先级比加法高,圆括号表达式比乘法高;另外还确定含义,例如星号*在C语言中可以表示乘法表达式也可以表示指针,符号含义也在此阶段进行区分。

           

             3. 语义分析:语义分析由语义分析器完成,语义分析仅仅是完成了对表达式的语法层面的分析,但是它并不了解这个语句是否真正的意义。比如,C语言里面两个指针做乘法运算是没有意义的,但是这个语句在语法上是合法的。编译器所能分析的语义是静态语义,即在编译期间可以确定的语义,而相对应的动态语义就是只是在运行期才能确定的语义。静态语义包括声明和类型的区配以及类型的转换。比如将一个浮点型赋值给一个指针的时候,语义分析程序会发现这个类型不区配,编译器将会报错。再如,将0作为除数是一个运行期间语义错误,这是动态语义问题。经过语义分析阶段以后,整个语法树的表达式都被标识类型,如果有些类型需要做转换,语义分析程序会在语法树中插入相应的转换节点。上例经过语义分析后成为的形式,如图:

                                               

            通过上图可以看到,每个表达式(包括符号和数字)都被标识了类型。

            

           4. 中间语言生成:编译器在源代码级别会有一个优化过程,由源码级优化器完成。源码级优化器在不同编译器中可能会有不同的定义或一些差异。上例中的(2+6)这个表达式可以被优化,因为它的值在编译期间就可以被确定。类似其他级别的代码优化这里不详细描述。经过优化的语法树如图:

                                 

              表达式(2+6)优化成8,事实上是源代码优化器通过将整个语法树转换成中间代码,而不是直接在语法树上做优化的。中间代码已经非常接近目标代码,但是其与目标机器和运行环境都是无关的,例如它不包含数据的尺寸、变量地址和寄存器的名字等。中间代码有很多种类型,比较常见的有:三地址码和P-代码。

           下面分析三地址码,最基本的三地址码为:x = y OP z

           这个三地址码表示将变量y和z进行OP操作以后,赋值给x,这里OP操作可以是算数运算,也可以是其他任何应用到y和z的操作。三地址也由此得名。上例的语法树可以被翻译成三地址码后为:

            t1 = 2 + 6

            t2 = index + 4

             t3 = t2 * t1

             array[index] = t3

             为了是操作都符合三地址码形式,上例利用三个临时变量t1、t2和t3.在三地址码的基础上进行优化得到t1 = 8。然后把8替换t1,因为t2可以重复利用,最后优化的结果为:

            t2 = index + 4

            t2 = t2 * 8

            array[index] = t2

            中间代码可以说是编译过程的一个分水岭,编译器前段负责产生机器无关的中间代码,编译器后端将中间代码转换成目标机器代码。从中可以看出,中间代码之前的代码在任何机器都是通用的。

          

            5.目标代码生成与优化:处理完源代码后接下来都是属于编译器后端的内容。后端主要包括代码生成器和目标代码优化器。代码生成器将中间代码转换成目标机器代码,这个过程十分依赖于目标机器,因为不同的机器有着不同的字长、寄存器、整数数据类型和浮点数数据类型等。对于上例子中的中间代码,经过代码生成器后可能会生成如下代码(不同平台有所不同,以下是X86平台):

    movl index ,%ecx

    addl $4,%ecx

    mull $8,%ecx

    movl index ,%ecx

    movl %ecx,array(,eax,4)

           最后目标代码优化器对上述的目标代码进行优化,比如选择合适的寻址方式、使用移位来代替乘法运算、删除多余的指令等。上面的例子,乘法由一条相对复杂的基址比例变址寻址的lea指令完成。最后优化为:

    movl index ,%edx

    leal 32(,%edx,8),%eax

    movl %eax,array (,%edx,4)

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  • 编译原理总结

    2018-06-11 08:53:39
    编译原理是计算机专业的一门重要课程,主要介绍在编译程序构造的一般原理和方法,其中有, 编译原理是计算机专业的一门重要专业课,旨在介绍编译程序构造的一般原理和基本方法。内容包括语言和文法、词法分析、语法...

          编译原理主要介绍在编译程序构造的一般原理和方法,其中有语法、词法分析、语法分析、语法制导翻译、语义分析和中间代码生成等等,通过一种类型的句子形成的一种文法,通过文法的共通性,构造词法分析器,语法分析器,等等一系列的分析方法,通过一个流水线一样的东西将一个句子翻译成机器可以理解并执行的语言。也就是编译器一样的存在吧,这种联系软件和机器之间的编译器,涉及的范围很广,涉及的知识也很广,其中要了解机器硬件的东西,了解机器的内部实现原理,才好对症下药,在这些基础上主要的就是算法,实现各个阶段的分析器都需要很复杂的算法,这就涉及到了数据结构和算法这门课程,学好编译原理真的需要将很多的相关课程学好的。

       总结

          编译器实现的是扫描源代码通过词法分析实现有条理的分析单词的合法性,并实现处理方法,将合法的单词输出,然后交给语法分析器,语法分析器会分析一个句子的合法性,将合法的代码交给语义分析器,语义分析器其实是在分析语法的时候边给单词一个个的赋“值”,给其一个意义然后生成中间代码,后期通过代码优化,生成最终代码,交给机器执行。

          在词法分析器的部分,是基于正规文法的,实现源代码的输入、预处理,在识别单词的时候,有些形式相同但是会根据后面所跟得单词的不同而含有不同的意义,这时候就需要超前搜索(看下一个单词符号来分析此单词符号的意义)来实现单词符号的识别,不同的输入字符可能会造成结果不同,我们可以通过状态图来直观的看到状态之间的转化,有利于我们程序的实现,而且为了我们程序的有效编写,将状态转换图更加的规范化,出现了正则表达式,然后很容易就可以实现NFA和DFA,通过三者之间的转化,来实现词法分析器的功能。

            语法分析器是基于上下文无关文法的基础上,主要有两种方式一种是自上而下分析,就是从文法的开始符号触发,自上而下的为输入串建立一棵语法树,或者说,为输入串寻找一个最左推导,这是一个试探的过程,就是要反复使用不同的产生式来匹配,知道找到正确的那个。其中最重要的是利用LL(1)分析法,LL(1)分析需要的文法是LL(1)文法,无回溯和左公共因子,保证俩俩first集不相交,非终结符的first和follow集也不相交,在此文法的基础上,可以生成一个预测分析表,根据此表对一个句子预测分析,判定其是否合法。再有就是自底向上分析,这和自上而下分析正好相反,是根据句子一步步向上规约出开始符号,但是为了规约方便,使用的一般都是规范规约,也就是最右推导的逆过程。比较简单的规范规约是算符优先分析,利用算符优先集的定义,构造firstvt和lastvt集合生成算符优先表,利用此表根据算符优先运算规约句子,但是并不是所有的句子都可以通过这种简单的方法进行规约的,还有一种方法就是LR分析法,通过移进的字符,可以判断出下一步的动作是规约还是移进,通过找到各个状态集,然后构造出LR分析表,通过LR分析表的动作来实现句子的规范规约。SLR要比LR更加准确一些,LR出现的移进和规约的冲突比较多,SLR通过follow集来实现判断下一个字符的输入,然后判断到底是移进还是规约,会将冲突减少。

           在分析完成之后就要为一个合法的句子赋值(综合属性,继承属性)也就是添加语义,让其产生意义,供机器识别,通常属性是作为一部分加到树中,在分析的过程中就被赋值了,然后就是产生中间代码,中间代码的表示方式常用的有三种主要是逆波兰式,三元式,四元式,表示方式还算是比较简单。

    感悟

            编译原理我最后在复习的时候主要的还是知识点有些太零碎了,而且用起来比较灵活,比较简单的都是一些套路,但是要说起真正的应用的话还是其实很难得,尤其是将其编写成程序,涉及的算法很复杂,要想吃透编译原理,大学所有的科目都可以整懂了,挺难得,现在学的还都是皮毛上的东西感觉想要发现比较深的问题要应用到实践上,才能发现问题的吧,比如编写一个分析器,确实在复习的时候遇到了一些问题,比如说是LL分析表的构造再找follow集的时候做做就越来越迷糊,同学一起讨论了之后才彻底明白,产生式右边的非终结符的follow集要大一些。后来就差不多没有什么问题,理论上的皮毛太多,以后有时间一定要多了解编译原理,对自己的专业能力一定会有很大的帮助的。


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  • 编译原理第三版课后习题

    万次阅读 多人点赞 2018-12-22 11:12:47
    编译原理课后习题 都是编译原理老师上课布置的课后习题的整理 第二章 1.P34-4 证明G(E)是二义的。 E->EOE|(E)|v|d O->+|* 2.P34-8 上下文无关文法G[S] :S->SS*|SS+|a 答:(1)S=>SS*=...

    编译原理课后习题

    都是编译原理老师上课布置的课后习题的整理

    第二章

    1.P34-4
    证明G(E)是二义的。
    E->EOE|(E)|v|d O->+|*
    在这里插入图片描述
    2.P34-8
    上下文无关文法G[S] :S->SS*|SS+|a
    答:(1)S=>SS*=>SS+S*=>aS+S*=>aa+S*=>aa+a*
    (语法树略)
    (2)*和+的后缀表达式,即逆波兰式

    3.P34-10
    证明右句型
    存在最右推导:E=>E+T=>E+TF
    在这里插入图片描述
    答:短语:T
    F, E+TF
    直接短语: T
    F
    句柄: TF
    P35-13
    构造上下文无法
    (1) { anbmC2m | n, m ≥0 }
    S→AB A→aA|ε B→bBcc|ε
    (2) { wcwR | w属于{a,b}
    }
    S→c|aSa|bSb

    P36-18(2)
    构造3型无法
    (2) { anbm | n,m≥1 }
    思路:改写成 a an-1bm 或 an-1 abm
    S→aA, A→aA|B, B→bB|b
    或 S→aB|aS, B →bB|b

    第三章

    P64-1(1)
    题目:1(0|1)*101,构造相应的DFA
    思路: (0|1)*的两种构造方法
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    这里我就不一个一个的写出来了,主要是太麻烦了,如果想看具体的内容的话,就去用积分下载吧,里面都有详细的解释
    链接: [https://download.csdn.net/download/qq_42711971/10868725].
    文档名:编译原理课后习题
    说明:这个编译原理的书是第三版的书,清华大学出版社的,里面主要是课后习题P34 4、8、10、13(1),(2)、18(2) P64 1 (1) 2、 4 (b) 14,P99练习 1、 2(1),P121 1、3 (1)(2)的内容。

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  • 编译原理实验:词法分析

    万次阅读 多人点赞 2018-09-29 21:17:16
    编译原理实验:词法分析1. 实验题目:词法分析实验目的实验内容实验要求输入输出2. 设计思想3.算法流程4. 源程序5. 调试数据 1. 实验题目:词法分析 实验目的 根据PL/0语言的文法规范,编写PL/0语言的词法分析...

    1. 实验题目:词法分析

    实验目的

    1. 根据PL/0语言的文法规范,编写PL/0语言的词法分析程序;或者调研词法分析程序的自动生成工具LEX或FLEX,设计并实现一个能够输出单词序列的词法分析器。
    2. 通过设计调试词法分析程序,实现从源程序中分出各种单词的方法;加深对课堂教学的理解;提高词法分析方法的实践能力。
    3. 掌握从源程序文件中读取有效字符的方法和产生源程序的内部表示文件的法。
    4. 掌握词法分析的实现方法。上机调试编出的词法分析程序。

    实验内容

     已给PL/0语言文法,输出单词符号(关键字、专用符号以及其它标记)。

    实验要求

    1. 把词法分析器设计成一个独立一遍的过程。
    2. 词法分析器的输出形式采用二元式序列,即:(单词种类,单词的值)

    输入输出

    输入:
      const a=10;
      var b,c;
      begin
      read(b);
      c:=a+b;
      write( c);
      end.
    输出:
      (constsym, const)
      (ident , a)
      (eql, =)
      (number, 10)
      (semicolon, ; )
      (varsym, var)
      (ident,b)
      (comma, ,)
      (ident, c)
      (semicolon, ; )
      (beginsym, begin)
      (readsym, read )
      (lparen,( )
      (ident, b)
      (rparen, ))
      (semicolon, ; )
      (ident, c)
      (becomes, := )
      (ident, a)
      (plus, +)
      (ident,b )
      (semicolon, ; )
      (writesym,write)
      (lparen, ( )
      (ident, c)
      (rparen,) )
      (endsym, end )
      (period, .)

    2. 设计思想

    基本字:

    单词(编码) 正规式r
    begin(beginsym) begin
    call(callsym) call
    const(constsym) const
    do(dosys) do
    end(endsym) end
    if(ifsym) if
    odd(oddsym) odd
    procedure(proceduresym) procedure
    read(readsym) read
    var(varsym) var
    while(whilesym) while
    write(writesym) write
    then(thensym) then

    标识符:

    单词(编码) 正规式r
    <标识符>(ident) (字母)(字母 |数字)*

    常数:

    单词(编码) 正规式r
    <常数>(ident) (数字)(数字)*

    运算符:

    单词(编码) 正规式r
    +(plus) +
    -(minus) -
    *(times) *
    /(slash) /
    =(eql) =
    <>(neq) <>
    <(lss) <
    <=(leq) <=
    >(gtr) >
    >=(geq) >=
    :=(becomes) :=

    界符:

    单词(编码) 正规式r
    ( (lparen) (
    ) (rparen) )
    , (comma) ,
    ; (semicolon) ;
    . (period) .

    3.算法流程

    在这里插入图片描述

    1. 词法分析程序打开源文件,读取文件内容,直至遇上文件结束符,然后读取结束。
    2. 接下来就要对源文件从头到尾进行扫描了,从头开始扫描,这个时候扫描程序首先要询问当前的字符是不是空格,若是空格,则继续扫描下一个字符,直至不是空格。然后询问这个字符是不是字母,若是则进行标识符和保留字的识别;若这个字符为数字,则进行数字的判断。否则,依次对这个字符可能的情况进行判断(界符和运算符),若将所有可能都走了一遍还是没有知道它是谁,则认定为错误符号,输出该无法识别error,程序结束。每次成功识别了一个单词后,单词都会存在word1[]数组中,然后字符指针往后移,进行下一个单词的识别。
    3. 主控程序需要负责对每次识别的种别码进行判断,对于不同的单词种别做出不同的反应,直至文件结束。
    4. 本次实验我采用了map这个STL关联容器,主要是考虑到词法分析中的数据映射的关系,因此采用这种结构。map提供一对一的数据处理能力,其中第一个可以称为关键字,每个关键字只能在map中出现一次,第二个可能称为该关键字的值。这个容器是非常方便使用的,对于查找可以直接使用迭代器进行,利用find()函数,若一直到末尾都未找到,则是不能识别或为标识符。

    4. 源程序

    #include<bits/stdc++.h>
    using namespace std;
    map<string,string> word;//应用map数据结构形成一个string->string的对应
    std::map<string,string>::iterator it;//用来遍历整个对应关系的迭代器
    void map_init(){//对应关系进行初始化
        word["begin"]="beginsym";
        word["call"]="callsym";
        word["const"]="constsym";
        word["do"]="dosym";
        word["end"]="endsym";
        word["if"]="ifsym";
        word["odd"]="oddsym";
        word["procedure"]="proceduresym";
        word["read"]="readsym";
        word["then"]="thensym";
        word["var"]="varsym";
        word["while"]="whilesym";
        word["write"]="writesym";
        word["+"]="plus";
        word["-"]="minus";
        word["*"]="times";
        word["/"]="slash";
        word["="]="eql";
        word["<>"]="neq";
        word["<"]="lss";
        word["<="]="leq";
        word[">"]="gtr";
        word[">="]="geq";
        word[":="]="becomes";
        word["("]="lparen";
        word[")"]="rparen";
        word[","]="comma";
        word[";"]="semicolon";
        word["."]="period";
    }
    int main(){
        map_init();//初始化
        char ch;
        char a;
        string word1;//string变量识别单词
        string str;//string变量进行字符识别
        ifstream infile("F:\\编译原理\\第一次实验\\analysis.txt");//文件输入流
        ofstream outfile("F:\\编译原理\\第一次实验\\result.txt");//文件输出流
        ostringstream buf;
        while(buf&&infile.get(ch)) buf.put(ch);//将文件中的字符读出来
        str= buf.str();//将得到的字符储存到string类型变量中
        int csize=str.length();
        for(int i=0;i<csize;i++){//对整个字符串进行遍历
            while(str[i]==' '||str[i]=='\n') i++;//若最开始为空格或换行符,则将指针的位置往后移
            if(isalpha(str[i])){//对标识符和基本字进行识别,调用库函数isalpha()
                word1=str[i++];
                while(isalpha(str[i])||isdigit(str[i])){
                    word1+=str[i++];
                }
                it=word.find(word1);
                if(it!=word.end()){//判断是不是基本字,若为基本字则进行输出
                    cout<<"("<<word[word1]<<","<<word1<<")"<<endl;
                }
                else{//否则直接输出
                    cout<<"(ident"<<","<<word1<<")"<<endl;
                }
                i--;
            }
            else if(isdigit(str[i])){//判断是不是常数,调用库函数isdigit()
                word1=str[i++];
                while(isdigit(str[i])){
                    word1+=str[i++];
                }
                if(isalpha(str[i])){
                    cout<<"error!"<<endl;
                    break;
                }
                else{
                    cout<<"(number"<<","<<word1<<")"<<endl;
                }
                i--;
            }else if(str[i]=='<'){//对<,<=分别进行判断
                word1=str[i++];
                if(str[i]=='>'){
                    word1+=str[i];
                    cout<<"("<<word[word1]<<","<<word1<<")"<<endl;
                }else if(str[i]=='='){
                    word1+=str[i];
                    cout<<"("<<word[word1]<<","<<word1<<")"<<endl;
                }else if(str[i]!=' '||!isdigit(str[i])||!isalpha(str[i])){
                    cout<<"("<<word[word1]<<","<<word1<<")"<<endl;
                }else{
                    cout<<"error!"<<endl;
                    break;
                }
                i--;
            }else if(str[i]=='>'){//对>,>=分别进行判断
                word1=str[i++];
                if(str[i]=='='){
                    word1+=str[i];
                    cout<<"("<<word[word1]<<","<<word1<<")"<<endl;
                }else if(str[i]!=' '||!isdigit(str[i])||!isalpha(str[i])){
                    cout<<"("<<word[word1]<<","<<word1<<")"<<endl;
                }else{
                    cout<<"error!"<<endl;
                    break;
                }
                i--;
            }else if(str[i]==':'){//对:=进行判断
                word1=str[i++];
                if(str[i]=='='){
                    word1+=str[i];
                    cout<<"("<<word[word1]<<","<<word1<<")"<<endl;
                }else{
                    cout<<"error!"<<endl;
                    break;
                }
                i--;
            }else{//对其他的基本字依次进行判断
                word1=str[i];
                it=word.find(word1);
                if(it!=word.end()){
                    cout<<"("<<word[word1]<<","<<word1<<")"<<endl;
                }else{
                    cout<<"error!"<<endl;
                    break;
                }
            }
        }
        infile.close();
        return 0;
    }
    

    5. 调试数据

    待输入的文件流:
    在这里插入图片描述
    输出数据:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    说明:如上实验仅符合当时实验要求的相关条件,其他的需求略微进行更改就行,思想是一样的,还是很简单的。输入输出自己按自己需求更改即可。

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