编译器架构设计
编译器架构设计
Compiler Design – Architecture
根据编译方式，编译器大致可以分为两个阶段。
Analysis Phase
作为编译器的前端，编译器的分析阶段读取源程序，将其划分为核心部分，然后检查词法、语法和语法错误分析阶段生成源程序和符号表的中间表示，应将其作为输入馈送到合成阶段。
Synthesis Phase
作为编译器的后端，综合阶段通过中间源代码表示和符号表生成目标程序。
编译器可以有许多阶段和过程。
Pass：Pass是指编译器在整个程序中的遍历。
Phase：编译器的一个阶段是一个可区分的阶段，它接受前一阶段的输入，处理并产生可作为下一阶段输入的输出。Pas可以有多个相位。
编译过程是一系列不同的阶段。每个阶段从其前一阶段获取输入，有自己的源程序表示，并将其输出馈送到编译器的下一阶段。让我们了解编译器的各个阶段。
词语分析Lexical Analysis
扫描器的第一阶段是作为文本扫描器工作的。这个阶段将源代码作为字符流进行扫描，并将其转换为有意义的词素。词汇分析器以标记的形式表示这些词汇：
<token-name, attribute-value>
Syntax Analysis句法分析
下一个阶段称为语法分析或解析。它将词法分析生成的标记作为输入，并生成一个解析树（或语法树）。在此阶段，根据源代码语法检查标记排列，即解析器检查标记生成的表达式在语法上是否正确。
Semantic Analysis
语义分析检查构造的解析树是否遵循语言规则。例如，值的赋值是在兼容的数据类型之间进行的，并将字符串添加到整数中。此外，语义分析器跟踪标识符、它们的类型和表达式；标识符是否在使用前声明等。语义分析器生成带注释的语法树作为输出。
Intermediate Code Generation
中间代码生成
在语义分析之后，编译器为目标机器生成源代码的中间代码。它代表一个抽象机器的程序。它介于高级语言和机器语言之间。此中间代码的生成方式应使其更易于转换为目标机器代码。
代码优化Code Optimization
下一阶段将对中间代码进行代码优化。优化可以假设为删除不必要的代码行，并安排语句序列，以便在不浪费资源（CPU、内存）的情况下加快程序执行。
代码生成Code Generation
在此阶段，代码生成器获取中间代码的优化表示，并将其映射到目标机器语言。代码生成器将中间代码转换为（通常）可重新定位的机器代码序列。机器代码的指令序列像中间代码那样执行任务。
符号表Symbol Table
它是一个贯穿编译器所有阶段的数据结构。所有标识符的名称及其类型都存储在这里。符号表使编译器更容易快速搜索和检索标识符记录。符号表也用于范围管理。
词法分析是编译器的第一个阶段。它从以句子形式编写的语言预处理器中获取经过修改的源代码。词法分析器通过删除源代码中的任何空格或注释，将这些语法分解为一系列标记。
如果词法分析器发现标记无效，它将生成一个错误。词法分析器与语法分析器密切合作。它从源代码中读取字符流，检查合法令牌，并在需要时将数据传递给语法分析器。
Tokens令牌
词素被称为符号中的字符序列（字母数字）。对于每个要标识为有效令牌的词素，都有一些预定义的规则。这些规则是由语法规则通过模式定义的。模式解释什么可以是标记，这些模式是通过正则表达式定义的。
在编程语言中，关键字、常量、标识符、字符串、数字、运算符和标点符号可以看作是标记。
例如，在C语言中，变量声明行
int value = 100;
包含标记：
int (keyword), value (identifier), = (operator), 100 (constant) and ; (symbol).
Specifications of Tokens
让我们了解一下语言理论是如何承担下列条件的：
字母表Alphabets
任何有限的符号集合{0,1}是一组二进制字母，{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9，a，B，C，D，E，F}是一十六进制字母，{a-z，a-z}是一组英语字母。
字符串
任何有Strings
限的字母序列都称为字符串。字符串长度是字母表出现的总数，例如，字符串tutorialspoint的长度为14，用| tutorialspoint |=14表示。没有字母表的字符串，即长度为零的字符串称为空字符串，用ε（epsilon）表示。
特殊符号Special Symbols
典型的高级语言包含以下内容符号：-
语言language
一种语言被认为是一组有限的字符串覆盖在一组有限的字母表上。计算机语言被认为是有限集，可以对其进行数学上的集合运算。有限语言可以用正则表达式来描述。
Longest Match Rule最长匹配规则
当词法分析器读取源代码时，它逐字扫描代码；当遇到空白、运算符符号或特殊符号时，它决定一个单词完成。
例如：
int intvalue;
当扫描两个词素到“int”时，词法分析器无法确定它是关键字int还是标识符int值的首字母。
最长匹配规则规定，扫描的词素应根据所有可用令牌中最长匹配来确定。
词法分析器还遵循规则优先级，其中语言的保留字（例如关键字）比用户输入的优先级高。也就是说，如果词法分析器找到与任何现有保留字匹配的词素，它应该生成一个错误。
词法分析器只需要扫描和识别属于当前语言的有限的有效字符串/令牌/词素集。它搜索由语言规则定义的模式。
正则表达式能够通过定义符号的有限字符串的模式来表示有限语言。由正则表达式定义的语法称为正则语法。由正则语法定义的语言称为正则语言。
正则表达式是指定模式的重要符号。每个模式都匹配一组字符串，因此正则表达式用作一组字符串的名称。编程语言标记可以用常规语言来描述。正则表达式的规范是递归定义的一个例子。常规语言易于理解并具有高效的实现。
正则表达式遵循许多代数定律，这些定律可用于将正则表达式处理为等价形式。
Operations
The various operations on languages are:
- Union of two languages L and M is written as
L U M = {s | s is in L or s is in M}
- Concatenation of two languages L and M is written as
LM = {st | s is in L and t is in M}
- The Kleene Closure of a language L is written as
L* = Zero or more occurrence of language L.
Notations
If r and s are regular expressions denoting the languages L(r) and L(s), then
- Union : (r)|(s) is a regular expression denoting L(r) U L(s)
- Concatenation : (r)(s) is a regular expression denoting L(r)L(s)
- Kleene closure : (r)* is a regular expression denoting (L(r))*
- (r) is a regular expression denoting L(r)
Precedence and Associativity优先性和关联性
- *, concatenation (.), and | (pipe sign) are left associative
- * has the highest precedence
- Concatenation (.) has the second highest precedence.
- | (pipe sign) has the lowest precedence of all.
在正则表达式中表示语言的有效标记
If x is a regular expression, then:
- x* means zero or more occurrence of x.
i.e., it can generate { e, x, xx, xxx, xxxx, … }
- x+ means one or more occurrence of x.
i.e., it can generate { x, xx, xxx, xxxx … } or x.x*
- x? means at most one occurrence of x
i.e., it can generate either {x} or {e}.
[a-z] is all lower-case alphabets of English language.
[A-Z] is all upper-case alphabets of English language.
[0-9] is all natural digits used in mathematics.
用正则表达式表示符号的出现
letter = [a – z] or [A – Z]
digit = 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 or [0-9]
sign = [ + | - ]
使用正则表达式表示语言标记
Decimal = (sign)?(digit)+
Identifier = (letter)(letter | digit)*
词汇分析器剩下的唯一问题是如何验证用于指定语言关键字模式的正则表达式的有效性。一个公认的解决方案是使用有限自动机进行验证。
