摘要：隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，編譯器面臨極大的挑戰(zhàn)。這要求我們進一步加強和發(fā)展編譯教學(xué)，在研究生階段開設(shè)編譯高階課程。本文介紹國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生高級編譯技術(shù)課程，包括課程內(nèi)容、安排和實踐，給出了國際其他大學(xué)開設(shè)研究生階段編譯課程的情況介紹。
　　關(guān)鍵詞：高級編譯技術(shù)；編譯優(yōu)化；并行編譯
　　
　　為了保證國家安全，提高計算機核心競爭力，國家對CPU、基礎(chǔ)軟件研制的支持力度不斷增強，863計劃、“核高基”重大專項都包含編譯器項目，以開發(fā)自主可控、支持國產(chǎn)CPU的高效編譯器。
　　隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展，編譯器在未來50年，主要面臨兩個挑戰(zhàn)：一是程序優(yōu)化，尤其是多核/眾核體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使并行程序成為主流；二是提高程序的正確性和安全性[1]。
　　《編譯器研究：未來50年》[1]指出：為了迎接編譯器研究中的挑戰(zhàn)，編譯器領(lǐng)域需要一個由全球工業(yè)界、國家實驗室和大學(xué)聯(lián)合參加的研究計劃，并給出了四項建議。其中一項就是開發(fā)與編譯技術(shù)相關(guān)的課程，即除了本科編譯課程外，開設(shè)高級編譯技術(shù)課程作為計算機科學(xué)與技術(shù)高年級研究生選修課程，或者在一些計算機科學(xué)課程中，討論編譯算法，關(guān)注基于編譯器的分析。例如在可信計算中，討論如何通過編譯技術(shù)提高程序的可信性。在體系結(jié)構(gòu)中，關(guān)注體系結(jié)構(gòu)如何與編譯器進行交互。
　　本文介紹了我校面向研究生的高級編譯技術(shù)課程設(shè)置和組織，并和國際上的同類課程進行了比較。
　　1課程定位
　　國內(nèi)外大學(xué)計算機專業(yè)在本科階段都開設(shè)了編譯課程，這些課程多數(shù)重點講述與語言分析相關(guān)的部分(詞法分析、語法分析、語義分析等)，對程序分析和優(yōu)化的介紹則比較簡單。這樣的課程可以讓學(xué)生理解一般性的編譯過程及其原理，但對于需要深入掌握計算機系統(tǒng)軟/硬件核心技術(shù)的研究生而言則顯不足。因為一個現(xiàn)代的優(yōu)化編譯器不只是將源語言編譯為目標(biāo)語言，重要的是將其編譯為能充分發(fā)揮計算機性能的高質(zhì)量目標(biāo)語言。這一目標(biāo)主要依靠編譯優(yōu)化來完成。在現(xiàn)代編譯器中，編譯優(yōu)化部分占的比重往往是最大的，例如，GCC4.5中，2/3左右的代碼都是優(yōu)化和運行時庫。此外，編譯優(yōu)化也是編譯研究中最具挑戰(zhàn)性的內(nèi)容，計算機體系結(jié)構(gòu)的每一個重大變化都需要編譯優(yōu)化來應(yīng)對。為此，我們?yōu)檠芯可鷮ｉT開設(shè)了高級編譯技術(shù)課程。
　　高級編譯技術(shù)課程主要介紹優(yōu)化編譯器的設(shè)計與實現(xiàn)的基礎(chǔ)理論與方法，重點是編譯優(yōu)化和代碼生成技術(shù)，并使學(xué)生了解編譯領(lǐng)域的最新研究進展。通過本課程的學(xué)習(xí)和實踐，學(xué)生將掌握編譯構(gòu)建和編譯優(yōu)化技術(shù)，包括程序分析、編譯優(yōu)化、代碼生成以及運行時系統(tǒng)。本課程將為學(xué)員較快進入編譯相關(guān)科研課題、完成科研工作提供良好的基礎(chǔ)。
　　2課程設(shè)置和安排
　　國防科大一直從事巨型機的研制，這要求必須研制針對并行體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化編譯器。因此，我院從2000年開始，就設(shè)置了高級編譯技術(shù)這一課程。課程設(shè)置伊始，以沈志宇等撰寫的《并行編譯方法》[2]作為教材，主要講授并行編譯的相關(guān)知識，重點是依賴關(guān)系分析、循環(huán)并行化和向量化、并行編譯和運行時庫優(yōu)化。隨著計算機的不斷發(fā)展，針對目前編譯領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，從2007年開始，我們重新修訂了高級編譯技術(shù)的教學(xué)大綱，將重點從并行編譯轉(zhuǎn)向更通用的編譯優(yōu)化，把并行編譯作為一個專題講座，不僅面向未來從事編譯研究的學(xué)生，也為學(xué)生從事體系結(jié)構(gòu)、可信計算等方向的研究打下良好的基礎(chǔ)。
　　2.1課程內(nèi)容
　　高級編譯技術(shù)課程講授包括兩個部分：編譯優(yōu)化基礎(chǔ)和專題講座。
　　編譯優(yōu)化可以看作是“分析+轉(zhuǎn)換”，即通過分析編譯過程中的中間表示，對其進行轉(zhuǎn)換，以便生成“更好”的目標(biāo)代碼。其中，程序分析是基礎(chǔ)，課程涵蓋了優(yōu)化所需的關(guān)鍵分析技術(shù)：控制流/數(shù)據(jù)流分析、別名分析和依賴關(guān)系分析，如圖1所示。
　　編譯優(yōu)化可以分為與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)(或者關(guān)系較少)的優(yōu)化和與體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的優(yōu)化。前者一般在較高一層的中間表示進行，例如剖視指導(dǎo)的優(yōu)化、循環(huán)優(yōu)化等，后者在低層次的中間表示進行，例如寄存器分配、指令調(diào)度等。
　　在與體系結(jié)構(gòu)無關(guān)的優(yōu)化方面，課程選取了：
　　1) (部分)冗余刪除優(yōu)化，包括經(jīng)典的標(biāo)量優(yōu)化(如常數(shù)傳播、激進的死代碼刪除等)、部分冗余刪除等；
　　2) 針對占程序大部分執(zhí)行時間的高級循環(huán)變換，例如，循環(huán)分布和合并、循環(huán)分塊、向量化等；
　　3) 面向“存儲墻”的局部性優(yōu)化，例如，提高指令局部性的代碼重排、提高數(shù)據(jù)局部性的數(shù)據(jù)墊塞等。
　　與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的優(yōu)化，課程選取了代碼生成階段的寄存器分配、指令選擇與調(diào)度。寄存器分配給出了經(jīng)典的基于化簡-合并的圖著色法外，還介紹了針對靜態(tài)單一賦值(Static Single Assignm