1、编译原理及实现,任课教师：韦艳艳 联系电话：13877160321 E-mail：,编译原理-课前思考,为什么有些语言规定标识符不能超过8个字符？而有些语言对标识符的长度无限制？ 为什么有些语言能实现递归，而有些语言不能？ C语言规定数组下界为0，上界为声明的数减1，为什么？ 嵌套的IF语句规定ELSE与上面最近的IF配对，为什么？ 为什么有些程序运行一段时间后会导致内存溢出？ 为什么Java实现了“一次编写，到处运行”？,学习目的,了解和掌握设计和构造编译程序的基本原理、基本技术及其实现方法，加深对计算机系统的了解，培养和提高计算（机）思维能力。,第1章 编译概述（2课时） 第2章 文法和语
2、言（6课时） 第3章 词法分析（6+4课时） 第4章 语法分析-自顶向下分析（6+4课时） 第5章 语法分析-自底向上分析（6课时） 第6章 语法制导翻译技术（6课时） 第7章 符号表管理技术 （2课时） 第8章 程序运行时的存储组织及管理 （2课时） 第9章 语义分析和代码生成（6+4课时） 第10章 代码优化（2课时）,学习要求,认真听课 积极练习 课后复习,编译原理好难！,参考书目,张幸儿编，计算机编译原理编译程序构造实践(第二版)，科学出版社，2009年 刘磊等编，编译程序的设计与实现，高等教育出版社，2004年 赵克佳等译，现代编译原理C语言描述，人民邮电出版社，2006年 张素琴，
3、吕映芝等编，编译原理（第2版），清华大学出版社，2005年 赵建华等译，编译原理(第2版)，机械工业出版社，2009年,编译原理(原书第2版) 作者： (美)Alfred V.Aho Monica S.Lam Ravi Sethi Jeffrey D.Ullman 译者： 赵建华 郑滔 戴新宇 出版社：机械工业出版社,编译领域里程碑式的经典著作龙书,原版封面,中文版封面,课程学习网站,清华大学 http:/ 北京航空航天大学http:/ 武汉大学 http:/ 外 话,基本：完成课程学习，通过考试，获得学分。 提高：能够将所学知识和内容用于解决实际问题。 飞跃：通过编译原理的学习，改进思维方式
4、，为将来的工作打好基础，终身受益。,考试成绩评定方法,平时（30%）作业、课堂练习和出勤(25%)上机编程(15%) 期考（70%）考试方式：笔试（闭卷）考试题型：填空题 判断题选择题 综合应用题,No man is born wise or learned. 没有生而知之者,第1章 编译概述,学习内容： 1.1 程序设计语言 1.2 翻译程序 1.3 编译程序的组成 1.4 编译程序的结构 1.5 编译程序的前后处理器 1.6 TEST语言与编译器,第1章 编译概述,学习重点： 1、编译程序 2、编译程序与解释程序的根本区别 3、典型的编译程序模型及其各组成部分的功能,回顾：程序与程序设计语
5、言,程序：为实现特定目标或解决特定问题而用计算机语言编写的指令序列的集合。 常见的程序设计语言： C+, Java, C, FORTRAN, Pascal, Lisp, Basic, ML等,程序输入,程序输出,高级语言,机器语言,1.1 程序设计语言(p1),1、机器语言（最低形式，属低级语言）特点：程序中的每条指令都是用二进制代码直接表示的，由它构成机器的指令系统，机器能直接识别和直接执行，但机器语言程序难写、难读、难修改，编程的工作量大，对程序员的要求高。机器语言程序示例： 00111110 00011010 11111110 00100100 11010011 00101111 011
6、10110,2、汇编语言（属低级语言）特点：它是机器语言的符号表示，例如用ADD表示加法，可读性等方面较机器语言有一定的改进，但还依赖于具体的机器，机器不能直接识别和直接执行。,汇编语言程序示例： LD A，26 /把26送到变量A ADD A，36 /加上36 OUT (48)，A /输出到48号端口 HALT /暂停,3、高级语言特点：它独立于机器，比较接近自然语言，因而容易学习和掌握，且编写程序效率高，编写出的程序易读、易理解、易修改、易移植，但机器不能直接识别和直接执行。,C语言程序示例：int a,c=2;a=16+c*2; printf(a=%d,a);,高 汇 级 编 语 语 言
7、 言 程 程 序 序,翻译程序,1.2 翻译程序(p2),1、除机器语言程序外，用其它语言编写的程序都必须翻译才能被计算机识别和执行。 2、翻译程序的定义：翻译程序是这样的一种程序，它能将用甲语言（源语言）编写的程序（源程序）翻译成与之等价的乙语言（目标语言）编写的程序（目标程序）。,3、翻译程序在计算机系统中的所在层,翻译程序属于系统软件!,4、翻译方式 （1）解释方式（相当口译）特点：源程序的翻译到执行只有一个阶段解释执行阶段，即：解释程序将按源程序中语句的动态顺序，逐句地进行分析解释，并立即予以执行。在这种翻译方式下，不生成目标代码。,（2）编译方式（相当笔译）特点：源程序的翻译和目标程
8、序的运行是分阶段进行的，它先将高级语言编写的源程序翻译成汇编语言程序或机器语言程序，然后再运行目标程序。,编译程序 vs. 解释程序,编译,解释,a.当目标程序是机器语言程序时，源程序从编译到被执行的过程分为两个阶段：,b.当目标程序是汇编语言程序时，源程序从编译到被执行的过程分为三个阶段：,看起来，编译器似乎完全能代替汇编啊！,回答是No。 Why? 高级语言通过编译器转化成的机器语言，受限于高级语言，其效率和功能上都有限制。比如不能过分操作内存。但通过汇编器转化过来的机器语言，效率高，且用汇编语言，可直接和CPU对话！ 汇编可以反汇编（逆向编译），即： 程序（二进制机器语言）通过反汇编器（
9、compiler），可转化为汇编代码（文本） 但永远不能转化为高级语言的源代码！,C 语 言 编 译 系 统,（见p9）,5、两种翻译方式的比较 编译方式与解释方式的根本区别在于是否生成目标代码。 在解释方式下执行源程序，易于查错，在程序执行中可以修改程序(代表有BASIC语言) 。但和编译方式相比，执行效率太低。 现在有些语言的集成开发环境提供了两种方式，如Visual Basic，调试期间可解释执行源程序，而调好的程序可以编译生成目标程序。,编译过程,自然语言的翻译（如把英文翻译为中文 ） 识别出句子中的一个个单词； 分析句子的语法结构； 根据句子的含义进行初步翻译； 对译文进行修饰； 写
10、出最后的译文。,词法分析,语法分析,中间代码产生,优化,目标代码产生,例 The monkey ate the banana. 例 A compiler is a computer program that transforms source code written in a programming language into another computer language.,一个平滑的字符流,变成一个单词序列,得到语法成分,更接近机器语言,更高的效率,达到目标,走向目标1,走向目标2,走向目标3,走向目标4,走向目标5,1.3 编译程序的组成(p3),1、词法分析程序（又称扫描器）词法
11、分析依次读入源程序中的每个字符，依据语言的构词规则，识别出一个个具有独立意义的最小语法单位，即“单词”，并用整数码或有意义的记号来表示每个单词的词性是保留字、标识符、分界符、运算符或常数。 例如，表达式a=10+c*20的词法分析结果如右表所示。,2、语法分析程序依据语言的语法规则，逐一地分析词法分析时得到的单词，以确定它们是怎样组成说明和语句的，以及说明和语句是怎样组成程序的。分析时如发现有不合语法规则的地方，则报告出错位置和性质；如无语法错误，则以另一种内部表示（如语法分析树或其它中间表示）给出正确的语法结构，供下一阶段分析使用。,“猴子吃香蕉”的 语法分析树,a=10+c*20的语法分析
12、树,3、语义分析程序依据语言的语义规则对语法分析得到的语法结构进行静态语义检查（即确定类型、类型和运算合法性检查、识别含义与相应的语义处理及其它一些静态语义检查），并用另一种内部形式表示出来，供下一阶段使用。4、中间代码生成程序（可有可无）根据语法成分的语义对其进行翻译，用另一种接近于计算机的指令形式（中间代码）表示出来，供下一阶段使用。,语义分析及中间代码生成示例,5、中间代码优化程序(可有可无),6、目标代码生成程序将中间代码或优化之后的中间代码转换为等价的目标代码。目标代码的形式可以是绝对指令代码、可重定位的机器指令代码或汇编指令代码。目标代码依赖于具体的计算机的硬件系统结构和指令系统。
13、,7、符号表处理程序编译过程中要记录源程序中出现的标识符，并收集每个标识符的各种属性信息。符号表是由若干记录组成的数据结构，每个标识符在表中有一条记录。标识符的各种属性是在编译的不同阶段填入符号表的。词法分析阶段只能分析出标识符名，语法分析阶段只能判断标识符在语句中出现是否合法，语义分析阶段将标识符的各种属性填入符号表并使用这些属性生成中间代码。,8、出错处理程序编译的各个阶段都可能发现源程序中的错误。任意时刻发现错误，都应该报告错误信息，包括错误出现的位置、错误性质等，为程序员调试程序提供方便，从而使编译能继续进行。词法分析可以检测出源程序中的非法符号。语法分析能够发现程序语句中的各种语法错
14、误，如括号不匹配等等。语义分析能判断运算对象的类型是否匹配、变量是否重复声明或没声明就使用等错误。 例 int a,b;a= 2*)12+b);,C编译器,不同的编译器，其结构也不一定相同！,FORTRAN 编译器,1.4 编译程序的结构(p7),1、遍（趟，趟程）所谓一遍是指一个编译程序在编译时把源程序或其中间代码从头到尾扫描一遍并完成相应工作的全过程。在一遍处理中，可完成编译程序六个任务中的一个或几个。2、单遍与多遍编译程序根据编译程序在完成翻译任务的过程中需要对源程序或其中间代码扫描的遍数，可以把编译程序分为单遍编译程序(只需扫描一遍)和多遍编译程序（需扫描多遍）。,（1）单遍编译程序举
15、例编译程序对源程序只进行一遍扫描，就完成编译的各项任务，其典型结构是：以语法分析程序为主程序，词法分析程序作为语法分析的一个子程序，当语法分析需要一个新单词时，便调用词法分析程序，当它识别出一个语法成分时，就调用语义分析程序。,具体做法：将整个编译程序划分为若干个相继执行的模块，每一模块都对它前一模块的输出扫描一遍，并完成相应工作，然后将工作结果送给下一模块加工。,（2）多遍编译程序举例,例如，三遍编译程序：把词法分析作为第一遍，语法分析和语义分析作为第二遍，代码生成作为第三遍。有：,3、遍的划分依据 源语言的繁简 宿主机的存储容量的大小 编译程序功能的强弱 目标程序优化的程度 实现工具的先进
16、程度 设计人员的素质和数量 当源语言较繁、编译程序功能很强、目标程序优化程度较高且宿主机存储容量较小时，宜采用多遍扫描方式。,4、前端和后端(p8),把编译程序分为前端和后端的优点是便于编译程序的构造和移植。例如，有K种高级语言、L种目标机器，如果不分前端和后端，就需要建立K*L套编译程序，而分成前端和后端，只需要建立K（前端）+L（后端）套编译程序。,C,P,B,A,B,中 间 语 言,1.6 TEST语言与编译器（p10）,一、TEST语言TEST语言程序是由一对花括号括起来的语句序列，它在语法上相当于C语言的函数体。声明语句：只能是简单的整型变量控制语句：if、while和for语句表达
17、式语句：布尔表达式和算术表达式算术运算符： +、*、/比较运算符： 、=、=和!=输入语句：read语句输出语句：write语句注释语句：用“/*”和“*/”括起来，但注释不能嵌套。,一个TEST语言程序 int i;int n;int j;j=1;read n; /*输入语句*/for (i=1;i=n;i=i+1)j=j*i;write j; /*输出语句*/ ,二、TEST编译器,TEST编译器包括以下3个C文件： 1、TESTmain.c：主程序，先后调用词法分析、语法分析及语义分析和代码生成子程序。 2、TESTscan.c：词法分析子程序，接收用TEST语言编写的程序，输出的单词符
18、号程序将作为语法分析的输入。 3、TESTparse.c：语法、语义分析及TEST机的汇编代码生成子程序，如果有错误，报告错误。,词 法 分 析,语法分析 语义分析 代码生成,TEST程序,TEST单词,TEST机汇编代码,三、TEST机,用一个抽象机的汇编语言作为TEST编译器的目标语言。TEST机的指令仅能作为TEST语言的目标。TEST机的模拟程序直接从一个文件中读取汇编代码并执行它，因此避免了由汇编语言翻译为机器代码的过程。但是，这个模拟程序并非是一个真正的汇编程序，它没有符号地址或标号。,TEST编译器,TEST程序,TEST机,TEST机 汇编代码,运行 结果,小结,1、编译程序 2、编译程序与解释程序的根本区别 3、典型的编译程序模型及其各组成部分的功能 4、遍 5、前端和后端 7、TEST编译器,习题 （p11）,1. 高级程序设计语言有那些特点？ 2. 典型的编译程序可划分为几部分？各部分的主要功能是什么？每部分都是必不可少的吗？ 3. 解释方式和编译方式的区别是什么？ 4. 论述多遍扫描编译程序的优缺点。 5. 解释下列名词：源程序目标程序翻译程序汇编程序编译程序遍,1、设计编译程序时应当考虑哪些问题？ 2、 为什么Java实现了“一次编写，到处运行”？,思考题,
