编译原理--04 符号表、运行时存储组织和代码优化复习(清华大学出版社第3版)

前言

目录
01 文法和语言、词法分析复习
02 自顶向下、自底向上的LR分析复习
03 语法制导翻译和中间代码生成复习
04 符号表、运行时存储组织和代码优化复习
05 用C++手撕PL/0

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第8章静态语义分析和中间代码生成(续)

符号表

符号表需要在编译期间用到，记录符号的具体信息。本部分只讨论PL/0符号表的建立。

PL/0符号表结构

PL/0的符号表包含5个信息：

NAME，符号名
KIND，符号类型
LEVEL/VAL，层次/值。如果类型为CONSTANT，存放的是常量的值；如果类型为VARIABLE或PROCEDURE，存放所属分程序的层次，主程序的层次为0；在主程序中定义的内容层次为1；主程序内第一层分程序中定义的内容层次为2，以此类推。
ADR，地址。如果为简单变量或常量，则记录的是该量在数据区所占单元的相对地址，用DX表示给本层局部变量分配的相对存储位置，每说明一个变量后DX加1；如果为过程，则存放该过程的分程序入口地址（需要返填）
SIZE，大小。该过程内局部变量的个数，再加上过程活动记录的头3个单元(DL,SL,RA)（需要返填）

例如下面的程序：

const a = 35, b = 49;
var c, d, e;
procedure p;
	var g;

对应的符号表为：

NAME	KIND	VAL/LEVEL	ADD	SIZE
a	CONSTANT	35
b	CONSTANT	49
c	VARIABLE	LEV	DX
d	VARIABLE	LEV	DX+1
e	VARIABLE	LEV	DX+2
p	PROCEDURE	LEV	p的入口地址	4
g	VARIABLE	LEV+1	DX

又例如下面的程序：

const a = 25;
var x, y;
procedure p;
	var z;
	begin
		...
	end;
procedure r;
	var x, s;
	procedure t;
	var v;
		begin
		...
		end;
	begin
	...
	end;
begin
...
end.

对应的符号表为：

NAME	KIND	VAL/LEVEL	ADD	SIZE
a	CONSTANT	25
x	VARIABLE	LEV	DX
y	VARIABLE	LEV	DX+1
p	PROCEDURE	LEV	p的入口地址	4
z	VARIABLE	LEV+1	DX
r	PROCEDURE	LEV	r的入口地址	5
x	VARIABLE	LEV+1	DX
s	VARIABLE	LEV+1	DX+1
t	PROCEDURE	LEV+1	t的入口地址	4
v	VARIABLE	LEV+2	DX

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第9章运行时存储组织

PL/0程序运行栈中的过程活动记录

PL/0程序运行时，每一次过程调用都将在运行栈增加一个过程活动记录。其中，当前活动记录的起始单元由基址寄存器b指出，结束单元是栈顶寄存器t所指单元的前一个单元。

PL/0的过程活动记录中的头3个单元是固定的联系信息：

静态链SL：存放的是定义该过程所对应的上一层过程，最近一次运行时的活动记录的起始单元。
动态链DL：存放的是调用该过程前正在运行过程的活动记录的起始单元。过程返回时当前活动记录要被撤销，此时需要动态链信息来修改基址寄存器b的内容。
返回地址RA：记录该过程返回后应该执行的下一条指令地址，即调用该过程的指令执行时指令地址寄存器p的内容加1

这样，每当一个过程被调用，就需要在栈上先分配3个空间用来存储上述信息，然后才是分配空间存储过程的局部变量。对于主过程，SL=DL=RA=0。

这里给出一道例题。对于下列程序：

var m, n, g:integer;
function gcd(m,n:integer):integer;
	begin
		if n = 0 then
			g := m
		else
			g := gcd(n, m mod n)
	end;

begin
	m := 24;
	n := 16;
	g := gcd(m, n)
end.

它的运行栈为：

这一章可能要考的内容

运行栈的填写（静态链、动态链）
display表（本质上是记录各个层定义的最新活动记录），建议自己看书

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第10章代码优化

优化技术简介

常用优化技术有：

删除多余运算
循环不变代码外提
强度削弱
变换循环控制条件
合并已知量
复写传播与删除无用赋值

删除多余运算

$(1)T_1:=4*I\\ (2)T_2:=addr(A)-4\\ (3)T_3:=T_2[T_1]\\ (4)T_4:=4*I\\ (5)T_5:=addr(B)-4\\ (6)T_6:=T_5[T_4]$

可以看到 $(4)$ 式做了和 $(1)$ 式重复的工作，可以改写成 $T_4:=T_1$

循环不变代码外提

原代码：
块1
$(1)P:=0\\ (2)I:=1$
块2
$(3)T_1:=4*I\\ (4)T_2:=addr(A)-4\\ (5)T_3:=T_2[T_1]\\ (6)P:=P+T_3\\ (7)I:=I+1\\ (8)if \;I<=20\;goto\;(3)$

可以看到 $(4)$ 式在每次循环都做重复的工作，可以把它提到循环外来，记得修改跳转：
块1
$(1)P:=0\\ (2)I:=1\\ (3)T_2:=addr(A)-4$
块2
$(4)T_1:=4*I\\ (5)T_3:=T_2[T_1]\\ (6)P:=P+T_3\\ (7)I:=I+1\\ (8)if \;I<=20\;goto\;(4)$

强度削弱

把强度大的运算换成强度小的运算，比如用加法换乘法：
块1
$(1)P:=0\\ (2)I:=1\\ (3)T_2:=addr(A)-4$
块2
$(4)T_1:=4*I\\ (5)T_3:=T_2[T_1]\\ (6)P:=P+T_3\\ (7)I:=I+1\\ (8)if \;I<=20\;goto\;(4)$

把 $(4)$ 式经过处理，并修改跳转：
块1
$(1)P:=0\\ (2)I:=1\\ (3)T_1:=0\\ (4)T_2:=addr(A)-4$
块2
$(5)T_1:=T_1+4\\ (6)T_3:=T_2[T_1]\\ (7)P:=P+T_3\\ (8)I:=I+1\\ (9)if \;I<=20\;goto\;(5)$

变换循环控制条件

下面的代码中， $I$ 和 $T_1$ 保持4倍的线性关系：
块1
$(1)I:=1\\ (2)T_1:=4*I$
块2
$(3)P:=T_2[T_1]\\ (4)I:=I+1\\ (5)T_1=T_1+4\\ (6)if\;I<=20\;goto\;(3)$

可以把循环条件 $I<=20$ 改为 $T_1<=80$ ，然后修改 $T_1$ 的初始赋值，这样 $I$ 在整个循环都没有被用上，可以剔除：
块1
$(1)T_1:=4$
块2
$(2)P:=T_2[T_1]\\ (3)T_1=T_1+4\\ (4)if\;T_1<=80\;goto\;(2)$

合并已知量

下面的代码中，在计算 $4*I$ 时， $I$ 必定为1：
$(1)I:=1\\ (2)T_1:=4*I$

因此可以直接在编译期间算出它的值是4：
$(1)I:=1\\ (2)T_1:=4$

复写传播和删除无用赋值

看下面的代码：
块1
$(1)T_1:=4\\ (2)I:=1$
块2
$(3)T_2:=T_1\\ ...\\ (7)T_3:=T_4[T_2]\\ (8)T_1:=T_1+T_3\\ (9)I:=I+1\\ (10)if\;T_1<=80\;goto\;(3)$

四元式 $(3)$ 把 $T_1$ 的值写入 $T_2$ 中，但 $T_2$ 和 $T_1$ 的值在 $(3)$ 到 $(7)$ 之间没有发生改变，故将 $(7)$ 改为 $T_3:=T_4[T_1]$

此时 $(3)$ 式没有被引用，属于无用赋值，可以删掉。

然后， $(2)$ , $(9)$ 对 $I$ 赋值，但也只是自我引用，其余地方没有需要用到 $I$ ，属于无用赋值，故可以删掉。

最终变为：
块1
$(1)T_1:=4$
块2
$...\\ (5)T_3:=T_4[T_1] (6)T_1:=T_1+T_3 (7)if\;T_1<=80\;goto\;(2)$

基本块、流图和循环

基本块

一个基本块内部是顺序执行的，故内部不能有任何停止、分支、跳转。

基本块的划分：

条件转移语句或者无条件转移语句和下一句语句之间要划分开
跳转的目标语句要和上一句语句之间划分开

例如：
$(1)\quad pi:=3.14\\ (2)\quad ar:=0.0\\ (3)\quad n:=16\\ (4)\quad r:=1\\ (5)\quad if\;n<=1\;goto\;(9)\\ (6)\quad r:=r*n\\ (7)\quad n:=n-1\\ (8)\quad goto\;(5)\\ (9)\quad ar:=2*pi\\ (10)\quad ar:=ar*r\\ (11)\quad print\;ar$

经过划分后：
B1
$(1)\quad pi:=3.14\\ (2)\quad ar:=0.0\\ (3)\quad n:=16\\ (4)\quad r:=1$
/////////////////////////////////////////////////
B2
$(5)\quad if\;n<=1\;goto\;(9)$
/////////////////////////////////////////////////
B3
$(6)\quad r:=r*n\\ (7)\quad n:=n-1\\ (8)\quad goto\;(5)$
/////////////////////////////////////////////////
B4
$(9)\quad ar:=2*pi\\ (10)\quad ar:=ar*r\\ (11)\quad print\;ar$

流图

流图是在已经划分基本块的基础上，构造一个有向图。

两个相邻基本块如果上面的没有跳转，可以直接和下面的相连
如果当前基本块最后存在无条件跳转，直接和跳转的目标基本块相连
如果当前基本块存在最后有条件跳转，需要先和下面相邻的基本块相连，然后和跳转的目标基本块相连

上面的基本块集合为 $\{B1,B2,B3,B4\}$ ，可以用有向边集合 $\{B1\rightarrow B2, B2\rightarrow B3, B3\rightarrow B2, B2\rightarrow B4\}$ ，这里不画图。

循环

支配结点，指的是对任意两个结点m和n来说，如果从流图的首结点出发，到达n的任一通路都要经过m，则称m是n的支配结点，记为 $m\;DOM\;n$

下图是某个程序的流图，其结点即程序中的基本块

所有结点的支配结点集D(n)：
$D(1)=\{1\}\\ D(2)=\{1,2\}\\ D(3)=\{1,2,3\}\\ D(4)=\{1,2,4\}\\ D(5)=\{1,2,4,5\}\\ D(6)=\{1,2,4,6\}\\ D(7)=\{1,2,4,7\}$

该图的有向边集合为： $\{1\rightarrow 2, 2\rightarrow 3, 2\rightarrow 4, 3\rightarrow 4, 4\rightarrow 2, 4\rightarrow 5, 4\rightarrow 6, 5\rightarrow 7, 6\rightarrow 6, 6\rightarrow 7, 7\rightarrow 4\}$

回边指的是存在一条边 $A\rightarrow B$ ，使得 $B\in D(A)$ 。故上图的回边有 $4\rightarrow 2, 6\rightarrow 6,7\rightarrow4$

一个循环由其中的一条回边 $A\rightarrow B$ 对应的两个结点 $B,A$ ，以及有通路到达 $A$ 而不经过 $B$ 的所有结点组成，并且保证 $B$ 是该循环的唯一入口结点。

如包含回边 $(6\rightarrow 6)$ 的循环为 $\{6\}$
包含回边 $(7\rightarrow 4)$ 的循环为 $\{4,5,6,7\}$
包含回边 $(4\rightarrow 2)$ 的循环为 $\{2,3,4,5,6,7\}$

这一章可能的考点

划分基本表、画出流图、求支配集、找回边、找循环
代码局部优化

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PL/0编译程序

因为居然还有编程填空题这种恐怖存在，需要了解下面这些内容，不然填空都不知道怎么填。

可以用的全局变量如下：

全局变量	含义
sym	当前读取到的符号类型
num	当前读取到的值
id	当前读取到的标识符名称
cx	当前中间代码将被写入时的索引
tx	当前符号表将被写入的索引
code	指令数组，类型为instruction

在分析控制流的函数可以用的变量如下：

变量	含义
cx1,cx2	分别记录条件为真/假时需要跳转的地址

instruction的结构体如下：

typedef struct
{
	int f; // 函数类别
	int l; // 层级
	int a; // 地址/立即数/操作类别
} instruction;

函数类别和操作类别如下：

enum opcode
{
	LIT,	// 取立即数
	OPR, 	// 操作
	LOD, 	// 读取
	STO, 	// 保存
	CAL, 	// 调用
	INT, 	// 初始化空间
	JMP, 	// 无条件跳转
	JPC		// 有条件跳转
};

enum oprcode
{
	OPR_RET, OPR_NEG, OPR_ADD, OPR_MIN,
	OPR_MUL, OPR_DIV, OPR_ODD, OPR_EQU,
	OPR_NEQ, OPR_LES, OPR_LEQ, OPR_GTR,
	OPR_GEQ
};

符号类别如下：

enum symtype
{
	NUMBER,
	// 符号类型
	PLUS,
	MINUS,
	TIMES,
	SLASH,
	ODD,
	EQU,		// =
	NEQ,		// <>
	LES,		// <
	LEQ,		// <=
	GTR,		// >
	GEQ,		// >=
	LPAREN,		// (
	RPAREN,		// )
	COMMA,		// ,
	SEMICOLON,	// ;
	PERIOD,		// .
	// 关键字
	BEGINSYM,
	ENDSYM,
	IFSYM,
	THENSYM,
	WHILESYM,
	DOSYM,
	CALLSYM,
	CONSTSYM,
	VARSYM,
	PROCEDURESYM
}

可以用的全局函数如下：

全局函数	含义
getsym	获取下一个符号的类型到sym。如果sym是number，则num将会存放值；如果sym是标识符，id将存放标识符名称
gen	生成下一条指令，cx加1

处理while循环的题目

<while语句> ::= <while><条件><do><语句>

case WHILESYM:
    __________;                        // 第一个空为cx1 = cx，记录JMP要跳转的位置
    getsym();
    condition(SymSetAdd(DOSYM, FSYS), LEV, TX);
    __________;	                // 第二个空为cx2 = cx，记录JPC指令的位置
    gen(JPC, 0, 0);
    if (__________)	                // 第三个空为sym == DOSYM，处理到do
    	getsym();
    else
    	error(18);
    statement(fsys, lev, tx);
    gen(__________);                // 第四个空为jmp, 0, cx1，要知道跳转回开始判断条件的地方
    __________;                        // 第五个空为code[cx2].a = cx，回填JPC指令的跳转位置
    break;

处理if或if-else条件语句的题目

if条件语句图

if-else条件语句图

<条件语句> ::= <if><条件><then><语句>[<else><语句>]

下题处理了if条件语句和if-else条件语句的情况：

case IFSYM:
    getsym();
    condition(SymSetUnion(SymSetNew(THENSYM, DOSYM), FSYS), LEV, TX);
    if (SYM == THENSYM)
    	getsym();
    else
    	error(16);
    ________;	                        // 第一个空为cx1 = cx;，记录JPC位置待回填
    gen(JPC, 0, 0);
    statement(SymSetUnion(SymSetNew(ELSESYM), FSYS), LEV, TX);
    if (__________)	                // 第二个空为SYM != ELSESYM，此时在分析else符号
    	code[cx1].a = cx;
    else
    {
    	getsym();
    	cx2 = cx;
    	gen(JMP, 0, 0);
    	__________;	                // 第三个空为code[cx1].a = cx，此时在分析false部分的语句开头，回填JPC的地址
    	statement(FSYS, LEV, TX);
    	__________;	                // 第四个空为code[cx2].a = cx，此时为执行完true部分语句后的JMP回填跳转地址
    }
    break;

posted @ 2019-06-17 22:15 X_Jun 阅读(8731) 评论(5) 编辑收藏举报

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