作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
编译器（Compiler）是一种翻译源代码至机器语言的工具。编译器是一个复杂的过程，涉及各种编译器设计技术、解析语法树等复杂操作。通过编译器的工作，开发人员能够将高级编程语言编写的程序转换成机器语言，使其在计算机上运行。 编译器的主要功能有：
- 代码转换：将高级编程语言编写的代码，转换成可以被计算机识别和执行的机器语言；
- 代码优化：通过对代码进行分析、处理、优化，提高代码执行效率，改善程序性能；
- 报错诊断：当编译器遇到错误或警告时，它会产生相应的提示信息，帮助开发人员更好地理解并修复代码中的错误；
- 代码安全：编译器不仅可以检测代码中可能出现的问题，还可以提供额外的安全保护措施，防止代码恶意破坏系统。 随着硬件性能的提升和互联网应用的普及，越来越多的人开始从事软件开发工作。而作为软件工程师的你，是否了解编译器这个重要的工具呢？如果你熟悉编译器的相关知识，并且希望通过写作的方式，分享自己的经验和见解，那么《10.Compilers: Principles, Techniques and Tools》这篇文章就是适合你的。 本文作者从编译器的历史出发，引出了编译器的基本概念和流程。他详细叙述了编译器的工作原理，包括词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化、目标代码生成、链接、符号表管理、运行库支持等步骤。通过示例代码和图示，作者向读者展示了编译器的实现方法，揭示了编译器背后的设计思想。最后，作者也总结出了编译器的优缺点，并给出了编译器相关的软件开发工具和框架。
2.基本概念
2.1.编译器概述
编译器（Compiler）是一种翻译源代码至机器语言的工具。编译器是一个复杂的过程，涉及各种编译器设计技术、解析语法树等复杂操作。通过编译器的工作，开发人员能够将高级编程语言编写的程序转换成机器语言，使其在计算机上运行。 编译器主要功能如下： - 代码转换：将高级编程语言编写的代码，转换成可以被计算机识别和执行的机器语言；
- 代码优化：通过对代码进行分析、处理、优化，提高代码执行效率，改善程序性能；
- 报错诊断：当编译器遇到错误或警告时，它会产生相应的提示信息，帮助开发人员更好地理解并修复代码中的错误；
- 代码安全：编译器不仅可以检测代码中可能出现的问题，还可以提供额外的安全保护措施，防止代码恶意破坏系统。
2.2.编译器组成
编译器通常由三个主要模块组成：前端、中间代码生成器、后端。下面介绍一下这些模块的具体作用：（1）前端模块
前端负责将高级编程语言编写的源代码，转化为中间代码或汇编代码。前端主要完成以下工作： - 词法分析：将源代码分割成一个个词元(token)，每个词元代表着程序的一部分，如关键字、标识符、常量、字符串、运算符、标点符号等；
- 语法分析：将词元序列形成一颗抽象语法树(Abstract Syntax Tree)，这是编译器的语法结构；
- 语义分析：检查语法树是否正确、合乎逻辑、符合语义规则。语义分析一般包括类型检查、范围检查等；
- 中间代码生成：将语法树转换为中间代码。
（2）中间代码生成器
中间代码生成器(Intermediate Code Generator)将前端生成的中间代码转化为特定平台上的机器代码。中间代码生成器主要完成以下工作： - 代码优化：通过对代码进行分析、处理、优化，提高代码执行效率，改善程序性能；
- 生成目标代码：将中间代码转换为目标代码。目标代码是被CPU直接识别和执行的机器指令。不同的平台具有不同的目标代码，例如x86、ARM、MIPS、PowerPC等。
（3）后端模块
后端(Backend)用于生成可执行文件。后端主要完成以下工作： - 符号表管理：维护程序中变量和函数的名字、类型、属性、地址、大小、初始化值等信息；
- 目标代码优化：对目标代码进行优化，消除冗余代码、常量表达式、死代码等；
- 运行库支持：为编译器提供一些底层功能的接口，如I/O、内存分配、字符串操作等；
- 链接：将多个目标代码和库文件连接成一个可执行文件。
2.3.编译器框架
为了更好的理解编译器的原理，需要知道编译器的框架。编译器的框架可以分成四个层次：词法分析器、语法分析器、语义分析器、代码生成器。下面介绍一下这几种不同层次的具体职责。（1）词法分析器
词法分析器(Lexer)是编译器的第一层。它接受源代码作为输入，把其分解成标记序列。标记序列的每一项都对应着源代码中的一个元素，包括关键字、标识符、常量、字符串、运算符、标点符号等等。词法分析器必须要考虑程序中的所有可能性，并把它们分开。（2）语法分析器
语法分析器(Parser)是编译器的第二层。它的任务是在词法分析器输出的标记序列上构建语法树。语法树是一个数据结构，用来表示程序的语法结构。语法分析器根据上下文无关语法规则，将标记序列解析为AST（抽象语法树）。（3）语义分析器
语义分析器(Semantic Analyzer)是编译器的第三层。它的任务是验证程序的语义正确性。语义分析器检查程序的结构是否满足编译原理中定义的语义规则。语义分析器主要完成以下工作： - 类型检查：检查变量、表达式、语句是否有正确的数据类型；
- 范围检查：检查变量引用是否有效；
- 其他检查：根据语言特性，对代码做其他检查。
（4）代码生成器
代码生成器(Code Generator)是编译器的最高层。它的任务是生成目标代码，将中间代码转化为机器语言。不同平台的目标代码差别很大，代码生成器需要针对不同的平台编写代码，生成对应的目标代码。代码生成器一般包括四个部分：代码优化、目标代码生成、符号表管理、运行库支持。3.词法分析器
3.1.什么是词法分析器?
词法分析器(Lexer)是编译器的第一层。它接受源代码作为输入，把其分解成标记序列。标记序列的每一项都对应着源代码中的一个元素，包括关键字、标识符、常量、字符串、运算符、标点符号等等。词法分析器必须要考虑程序中的所有可能性，并把它们分开。 词法分析器的作用如下： - 将源代码划分为记号符号流，标记出其中每个词法单元；
- 对每个词法单元进行分类和分析，确定它的类型和属性；
- 把词法单元分类组合，形成词法单元队列或符号表；
- 把标记序列分解成标记列表。 词法分析器的一个典型应用场景是，识别C语言的标识符、关键字、注释、数字、字母、运算符等。
3.2.如何实现词法分析器?
实现词法分析器的关键是设计词法分析规则和编写扫描程序。下面介绍一下实现词法分析器的方法。3.2.1.词法分析器的设计规则
词法分析器的设计规则主要有以下几条： - 简单：词法分析器应该尽可能简单，只要能够识别出程序中所有的词法单元即可。
- 可移植性：词法分析器应尽量保持简单，并能兼容各种不同平台和编码方式。
- 灵活性：词法分析器应该足够灵活，可以适应新出现的编程语言。
- 速度：词法分析器的速度应达到足够快，不能太慢。
- 错误处理：词法分析器应能够处理所有潜在的错误，并报告正确的错误信息。
- 支持多种语言：词法分析器应该可以分析各种编程语言。
3.2.2.词法分析器的扫描程序
词法分析器的扫描程序通过读取源代码字符，识别出每个词法单元，并将它们组合起来，形成标记序列。下面是一个简单的词法分析器的扫描程序的例子：
上面是一个词法分析器的扫描程序的例子，它接受一个文件作为输入，识别出其中的标识符、数字、运算符等词法单元，并打印出来。注意，这个词法分析器只识别少量关键字和运算符，并没有实现完整的语法分析。enum Token { TK_IDENT = 'i', TK_INT = 'n', //... 此处省略其它关键字 TK_EOF = '$' }; int main() { char ch; int num = 0; while ((ch=getchar())!= EOF) { if (isdigit(ch)) { num = num * 10 + ch - '0'; } else if (isalpha(ch)) { printf("TK_IDENT\n"); //... 此处省略识别关键字和标识符的代码 } else { switch (ch) { case '+': printf("TK_PLUS\n"); break; case '-': printf("TK_MINUS\n"); break; case '*': printf("TK_TIMES\n"); break; //... 此处省略识别其他运算符的代码 } } } return 0; }