徐冰楠

（天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300387）

一個(gè)編譯程序的重要性體現(xiàn)在它使得多數(shù)計(jì)算機(jī)用戶不必考慮與機(jī)器有關(guān)的繁瑣細(xì)節(jié)，使程序員和程序設(shè)計(jì)專家獨(dú)立于機(jī)器，這對(duì)于當(dāng)今機(jī)器的數(shù)量和種類持續(xù)不斷地增長(zhǎng)的年代尤為重要。

1.研究背景

C語(yǔ)言是在20世紀(jì)70年代初問世的，但目前仍舊沒有一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言，后由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)制定了一個(gè)C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。C語(yǔ)言屬于一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，易于調(diào)試、層次清晰、便于維護(hù)，能夠按照模塊化方式組織程序。在實(shí)際應(yīng)用中，C語(yǔ)言的處理能力和表現(xiàn)能力極強(qiáng)，既有豐富的數(shù)據(jù)類型和運(yùn)算符，便于各類復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，又可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存物理地址的直接訪問，方便于位一級(jí)的操作。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，C語(yǔ)言能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的操作，集低級(jí)語(yǔ)言與高級(jí)語(yǔ)言為一體，同時(shí)還可以應(yīng)用于軟件的開發(fā)。另外，C語(yǔ)言還具有較高的可移植性、高效率等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)能夠廣泛應(yīng)用于各型各類的計(jì)算機(jī)中。

2.C語(yǔ)言編譯器前端設(shè)計(jì)

編譯是從源代碼到能直接被計(jì)算或者虛擬機(jī)執(zhí)行的目標(biāo)代碼的翻譯過程。一般而言，編譯器包含著入口點(diǎn)的地址和名字、及外部調(diào)用機(jī)器代碼。編譯器是程序員使用的關(guān)鍵工具，以下針對(duì)編譯器的前端設(shè)計(jì)進(jìn)行具體的分析：

（1）詞法分析。這個(gè)階段主要是根據(jù)相應(yīng)的詞法規(guī)則，將源程序中的各個(gè)記號(hào)一一標(biāo)記出來，其中，每一個(gè)記號(hào)所代表著一類的單詞，通常情況下，主要涉及到的記號(hào)常見的有標(biāo)識(shí)符、關(guān)鍵字、特殊符號(hào)、字面量等等，利用詞法分析器，輸入源程序，輸出識(shí)別記號(hào)符，最終將字號(hào)流轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的單詞。

（2）語(yǔ)法分析。對(duì)于語(yǔ)法分析，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，主要根據(jù)相應(yīng)的語(yǔ)法規(guī)則而將記號(hào)中的結(jié)構(gòu)一一標(biāo)識(shí)出，如句子、短語(yǔ)等，并且在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造出能夠準(zhǔn)確地反映此結(jié)構(gòu)的語(yǔ)法樹。

（3）語(yǔ)義分析。在這個(gè)過程中，主要是根據(jù)語(yǔ)法規(guī)則實(shí)施語(yǔ)法單元的靜態(tài)語(yǔ)義檢查，比如轉(zhuǎn)換、類型檢查等，其最為根本的目的就是可以保證其在語(yǔ)法結(jié)構(gòu)上的合法性。

3.C語(yǔ)言編譯器總體設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作中，要想完成一個(gè)完美的編譯器是一項(xiàng)較為復(fù)雜的事情，要了解語(yǔ)法的構(gòu)成原理，要靈活掌握C語(yǔ)言語(yǔ)法，要考慮到C語(yǔ)言代碼的靈活用法，具體主要從以下幾個(gè)階段來完成：

（1）詞法分析

在C語(yǔ)言程序中，詞法分析作為編譯的第一個(gè)階段，又可以被稱之為掃描器，其最為主要的任務(wù)和目標(biāo)就是將源程序中的各個(gè)字符連接起來，將其中的單詞識(shí)別出來，與此同時(shí)，還要轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的內(nèi)部編碼，從而更好地應(yīng)用于語(yǔ)法分析。一般情況下，單詞符號(hào)的內(nèi)部編碼主要采用二元式來表示，在分析時(shí)，主要涉及到的單詞類別有二進(jìn)制、單詞之值、分隔符、運(yùn)算符的編碼等，總體上講，在計(jì)算機(jī)工作時(shí)，掃描器主要用于完成以下的目標(biāo)和任務(wù)：將注釋刪除；將源程序中的各個(gè)符號(hào)和單詞識(shí)別出來，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的內(nèi)部編碼形式；將無用的回車字符、空白字符刪除；及時(shí)檢查報(bào)告中存在的錯(cuò)誤，及時(shí)進(jìn)行語(yǔ)法檢查。

另外，針對(duì)以上工程流程，在進(jìn)行一些語(yǔ)法程序詞法分析時(shí)，需要登錄識(shí)別出的標(biāo)志符。從工作方式角度來分析，編譯流程與語(yǔ)法屬于兩種接口方式，一種是主要運(yùn)用詞法分析進(jìn)行子程序的分析，能夠有效地運(yùn)用程序進(jìn)行調(diào)用處理，當(dāng)需要一個(gè)新單詞時(shí)，就調(diào)用一次子程序，且在調(diào)用的過程中，還會(huì)相應(yīng)地出現(xiàn)一個(gè)具有獨(dú)立意義的單詞；一種是采用詞法分析對(duì)輸出的結(jié)果進(jìn)行分析，將其放置于中間文件上，同時(shí)作為一種輸入進(jìn)行程序分析。若是從功能上講，主要就是將相應(yīng)的字符源程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，從而變成單詞串的形式。

（2）語(yǔ)義分析

將編譯程序轉(zhuǎn)換為一種內(nèi)部表現(xiàn)形式后，我們將該種內(nèi)部表現(xiàn)形式稱之為中間語(yǔ)言或者是中間代碼，它含義明確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于一種記號(hào)系統(tǒng)。比如一些編譯程序，基本上沒有中間代碼，但是為了在實(shí)際應(yīng)用中，確保機(jī)器的獨(dú)立運(yùn)行，易于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)代碼的優(yōu)化，在許多的編譯程序中均設(shè)置了中間語(yǔ)言。這種中間語(yǔ)言介于機(jī)器語(yǔ)言和源程序語(yǔ)言中，程序相對(duì)復(fù)雜，而C語(yǔ)言編譯器卻在很大程度上改變以上現(xiàn)狀，其語(yǔ)義分析和語(yǔ)法分析相對(duì)成熟，理論和算法比較完善，可仍舊存在的問題是沒有公認(rèn)的形式系統(tǒng)，中間代碼仍舊接近于形式化的方法。

（3）語(yǔ)法分析

語(yǔ)法分析主要是以單詞串形式的源程序作為分析與輸入對(duì)象，其最為根本的目標(biāo)和任務(wù)就是為了以設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)則為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)源程序的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的分析，根據(jù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法規(guī)則，對(duì)組成這些源程序的語(yǔ)法成分進(jìn)行分析，如函數(shù)、下標(biāo)變量、各種程序語(yǔ)句、各種表達(dá)式等等，并且要通過正確性的語(yǔ)法檢查，將中間代碼進(jìn)行階段處理。當(dāng)前對(duì)于語(yǔ)法的分析主要包括兩大類：一類是自頂向下，一種是自底向上。

①自頂向下

在這里試圖設(shè)定一個(gè)輸入串，從文法進(jìn)行處理，構(gòu)成一棵語(yǔ)法樹，自下而下進(jìn)行構(gòu)造，若是成功，則文法可以成句；若是沒有成功，則不能成句。與此同時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)法分析，通常還需要解決相關(guān)的障礙問題，具體主要體現(xiàn)在以下方面：一是采用最左推導(dǎo)處理，確保方法中非終結(jié)符號(hào)的傳遞，避免語(yǔ)法進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)；二是對(duì)符號(hào)串進(jìn)行配置處理，本質(zhì)上講，文法所產(chǎn)生的選式屬于一個(gè)不斷試控的過程，因此，必然會(huì)出現(xiàn)回溯問題，為此就會(huì)導(dǎo)致分析效率下降。因此，為了實(shí)現(xiàn)語(yǔ)法分析，則要對(duì)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言及其相關(guān)的文法進(jìn)行分析，從而有效地消除回溯和遞歸現(xiàn)象。

②自底向上

對(duì)于這種形式的語(yǔ)法分析，同樣需要給定相應(yīng)的輸入串，運(yùn)用相應(yīng)的文法進(jìn)行處理，采用歸約法試圖去構(gòu)成語(yǔ)法樹，一般情況主要采用最左歸納法進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)自底向上的分析，將輸入符號(hào)進(jìn)行逐個(gè)的推入處理，并對(duì)相應(yīng)的產(chǎn)生式左部進(jìn)行替換處理，以有效地完成一次歸約，但是在歸約時(shí)，為了得到更好的頂，則要對(duì)形成的新的句柄進(jìn)行處理，反之，若是處理不達(dá)標(biāo)，那么則要重復(fù)上述過程，從而完成最終的歸約。但是要注意的一點(diǎn)是根據(jù)需要進(jìn)行了歸約處理，必然存在著相應(yīng)語(yǔ)法錯(cuò)誤，那么可以將其中全部輸入的符號(hào)刪除，改變上述格局，進(jìn)行移進(jìn)和歸約分析，并且在此基礎(chǔ)上，不斷地尋找一個(gè)相應(yīng)的策略，從而形成有效的語(yǔ)法分析方法。

（4）類型檢查

所謂類型檢查，就是通過給源程序設(shè)定一個(gè)表達(dá)式，根據(jù)類型表達(dá)式設(shè)置一組相應(yīng)的規(guī)則，將其作為源語(yǔ)言的系統(tǒng)。類型檢查的功能和任務(wù)就是能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)程序中的錯(cuò)誤功能，如果目標(biāo)代碼既可以保持原有的元素類型，同時(shí)也可對(duì)元素值進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查，更為重要的是可以避免源程序靜態(tài)錯(cuò)誤的發(fā)生。

4.功能的實(shí)現(xiàn)

基于C語(yǔ)言編譯器的開發(fā)在可行性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深入、全面的分析，為此，在這里對(duì)C語(yǔ)言的運(yùn)行情況和編譯原理進(jìn)行具體的分析，具體的功能流程圖如圖1所示：

圖1 C語(yǔ)言編譯器流程圖

整個(gè)C語(yǔ)言框架可以說是整個(gè)編譯器的前端核心，也是整個(gè)前端的入口點(diǎn)，因此，對(duì)于本身的不主動(dòng)符號(hào)，所有動(dòng)作均借助于Visual C++6.0，將其作為一個(gè)信息相互交互的過程，比如在編譯時(shí)，Visual C++6.0的功能不能滿足要求，可以對(duì)Visual Studio的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行具體的分析，并且結(jié)合目前最流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，對(duì)集成開發(fā)環(huán)境（IDE）的界面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和組織，使得整個(gè)編譯器的過程變得更加簡(jiǎn)單明了。與此同時(shí)，對(duì)于信息的處理和包裝，還可以應(yīng)用Visual Studio 2010、NET Framework 4.0、Microsoft Visual Studio 2010 CTP(Community Technology Preview--CTP)提供一個(gè)相應(yīng)的規(guī)約式，以支持開發(fā)面向Windows的應(yīng)用程序，其大致的過程包括符號(hào)信息的處理、編譯器的具體動(dòng)作、信息代碼的提供等，結(jié)合Microsoft SQL Server、IBM DB2和Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，以完成更高層的數(shù)據(jù)處理與包裝，以下通過具體的事例來說明規(guī)約式動(dòng)作的信息提取：

改程序改對(duì)后運(yùn)行結(jié)果是327893.2789e+006A，改完后的代碼：

通過以上編譯，以實(shí)現(xiàn)一個(gè)符號(hào)項(xiàng)，加上每一個(gè)符號(hào)項(xiàng)各不相同，既可以保證類型的相同，又可以保證信息類別的多樣化，最后通過與框架進(jìn)行整合處理，以提供必要的機(jī)制，將其中的字符流轉(zhuǎn)換成為內(nèi)部代碼，排除符號(hào)代碼外，將其本身所攜帶的信息進(jìn)行封裝，并與特定的結(jié)構(gòu)同符號(hào)一起返回處理。

5.結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)C語(yǔ)言編譯器涉及到的主要工作是程序的運(yùn)行以及支持設(shè)計(jì)，要針對(duì)數(shù)據(jù)流和控制流進(jìn)行優(yōu)化分析，將基于中間代碼的數(shù)據(jù)流結(jié)果和控制流結(jié)果進(jìn)行科學(xué)處理，確保最后目標(biāo)的生成。與此同時(shí)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，框架作為運(yùn)行支持的亮點(diǎn)環(huán)節(jié)，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，還需要針對(duì)特定的架構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種程序調(diào)度開銷小、語(yǔ)言特點(diǎn)簡(jiǎn)潔、代碼生成方便的運(yùn)行環(huán)境給予支持。

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