編譯原理介紹

什麼是編譯程序

把某一種語言程序(稱爲源語言程序)等價地轉換
成另外一種語言程序(稱爲目標語言程序)的程序
高級語言程序須要編譯程序的翻譯才能變成機器語言程序（目標程序），機器程序能夠運行成爲結果

編譯程序：
1.診斷編譯程序(Diagnostic Compiler)
2.優化編譯程序(Optimizing Compiler)
3.交叉編譯程序(Cross Compiler)
4.可變目標編譯程序(Retargetable Compiler)
解釋程序(Interpreter)
把源語言寫的源程序做爲輸入，但不產生目標
程序，而是邊解釋邊執行源程序

爲何要學習編譯原理

理解計算系統

設計計算系統

訓練計算思惟(Computational Thinking)

計算思惟基本概念
Jeannette M. Wing, Computational Thinking,
Communications of ACM, Vol.49, No.3, 2006,
pp.33-35.
被認爲是近十年來產生的最具備基礎性、長期性的
學術思想，成爲21世紀計算機科學研究和教育的熱
點

• 計算思惟是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、
  設計系統和理解人類的行爲，它包括了一系列普遍
  的計算機科學的思惟方法
• 計算思惟和閱讀、寫做和算術同樣，是21世紀每一個
  人的基本技能，而不單單屬於計算機科學家
• 計算思惟在生物、物理、化學、經濟學、統計學等
  其餘學科中的影響已經顯現
  計算思惟包括一系列普遍的計算機科學的思惟方法：
• 抽象
• 忽略一個主題中與當前問題(或目標)無關的那些方面，
  以便更充分地注意與當前問題(或目標)有關的方面
• 從衆多的事物中抽取出共同的、本質性的特徵，舍
  棄其非本質的特徵
• 是一種從個體把握通常、從現象把握本質的認知過
  程和思惟方法
• 圖靈機就是一種抽象
• 編譯原理中的"抽象"
  • 有限自動機
  • 形式文法
• 自動化
• 將抽象思惟的結果在計算機上實現，是一個將計算
  思惟成果物化的過程，也是將理論成果應用於技術
  的實踐
• 自動化的思惟方法不只體如今編譯程序自己的工做
  機制上，更體如今了編譯程序的生成工具的研究和
  設計上
• 編譯原理中的"自動化「
  • 有限自動機
  • 預測分析程序
  • 算符優先分析
  • LR分析
  • …
• 問題分解
• 分解(Decomposition)
• 將大規模的複雜問題分解成若
  幹個較小規模的、更簡單的問
  題加以解決
• 對問題自己的明確描述，並對問
  題解法做出全局性決策
• 把問題分解成相對獨立的子問題
• 再以一樣的方式對每一個子問題進
  一步精確化，直到得到對問題的
  明確的解答
• 分解(Decomposition)
• 層次化管理
• 編譯原理中的"問題分解"
• 爲何編譯程序引入中間語言？
• 爲何編譯分紅多個階段？
• 爲何分析過程分紅多遍？
• …
• 遞歸
• 遞歸(Recursion)
• 問題的解決依賴於相似問題的解決，只不事後者的
  複雜程度或規模較原來的問題更小
• 一旦將問題的複雜程度和規模化簡到足夠小時，問
  題的解法其實很是簡單
• 編譯原理中的"遞歸"
  • 遞歸降低分析
  • 基於樹遍歷的屬性計算
  • 語法制導翻譯
  • …
• 權衡
• 權衡(折衷, Tradeoff )
• 理論可實現 vs. 實際可實現
• 理論研究重在探尋問題求解的方法，對於理論成果
  的研究運用又須要在能力和運用中做出權衡
• 編譯原理中的"權衡"
• 用上下文無關文法來描述和處理高級程序設計語言
• 優化措施的選擇
• ...
• 保護、冗餘、容錯、糾錯和恢復
• 利用啓發式推理來尋求解答
• 在不肯定狀況下的規劃、學習和調度

• ...

  編譯原理

• 編譯理論與技術
• 計算機科學與技術中理論和實踐相結合的最好典範
• ACM 圖靈獎
• 授予在計算機技術領域做出突出貢獻的科學家
• 程序設計語言、編譯相關的獲獎者是最多的
• 編譯理論與技術
• 計算機科學與技術中理論和實踐相結合的最好典範
• 體現了不少典型的計算思惟方法
• 編譯原理和方法的應用
• Html/XML 分析
• 語言處理工具

• 搜索引擎

  編譯過程

  編譯程序是怎樣把高級語言(如C++)翻譯成低
• 級語言(如機器指令)的？
• 把英文翻譯爲中文
• 識別出句子中的一個個單詞---詞法分析
• 分析句子的語法結構---語法分析
• 根據句子的含義進行初步翻譯---中間代碼產生
• 對譯文進行修飾---優化
• 寫出最後的譯文---目標代碼產生
  以上是編譯程序工做的五個階段
• 編譯過程——詞法分析
• 任務: 輸入源程序，對構成源程序的字符串進行
  掃描和分解，識別出單詞符號
• 依循的原則：構詞規則
• 描述工具：有限自動機
  for i := 1 to 100 do
  基本字 標識符 賦值號 整常數 基本字 整常數 基本字
• 編譯過程——語法分析
• 任務：在詞法分析的基礎上，根據語法規則把
  單詞符號串分解成各種語法單位(語法範疇)
• 依循的原則：語法規則
• 描述工具：上下文無關文法
  Z := X + 0.618 * Y（算術表達式--》算術表達式--》賦值語句）
• 編譯過程——中間代碼產生
• 任務：對各種語法單位按語言的語義進行初步翻譯
• 依循的原則：語義規則
• 描述工具：屬性文法
• 中間代碼：三元式，四元式，樹，...
• Z:=X + 0.618 * Y 翻譯成四元式爲
  |序號 | OPR | OPN1 | OPN2 | RESULT | 註釋|
  |:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|:--:|
  |(1)| * | 0.618| Y | T1 | T1:=0.618*Y|
  |(2)| + | X | T1 | T2 | T2:=X+T1|
  |(3)| := | T2 | | Z | Z:=T2|
• 編譯過程——優化(；例如乘法變成加法)
• 任務：對前階段產生的中間代碼進行加工變換，
  以期在最後階段產生更高效的目標代碼

• 依循的原則：程序的等價變換規則

• 編譯過程——目標代碼產生
• 任務: 把中間代碼變換成特定機器上的目標代碼
• 依賴於硬件系統結構和機器指令的含義
• 目標代碼三種形式
• 彙編指令代碼: 須要進行彙編
• 絕對指令代碼: 可直接運行

• 可從新定位指令代碼: 須要鏈接

編譯程序的結構

• 編譯程序總框
• 詞法分析器------源程序
• 語法分析器------中間代碼(四元式)
• 語義分析與中間代碼生成器------語法單位
• 優化段------目標代碼
• 目標代碼生成器------中間代碼(四元式)
• 出錯處理
• 出錯處理程序
• 發現源程序中的錯誤，把有關錯誤信息報告給用戶
• 語法錯誤
• 源程序中不符合語法（或詞法）規則的錯誤
• 非法字符、括號不匹配、缺乏 ；、...
• 語義錯誤
• 源程序中不符合語義規則的錯誤
• 說明錯誤、做用域錯誤、類型不一致、...
• 遍
• 所謂"遍"， 就是對源程序或源程序的中間表示
  從頭至尾掃描一次
• 階段與遍是不一樣的概念
• 一遍能夠由若干段組成
• 一個階段也能夠分若干遍來完成
• 編譯前端與後端
• 編譯前端
• 與源語言有關，如詞法分析，語法分析，語義分析與
  中間代碼產生，與機器無關的優化
• 編譯後端
• 與目標機有關，與目標機有關的優化，目標代碼產生
• 帶來的好處
• 程序邏輯結構清晰
• 優化更充分，有利於移植

編譯程序的生成

• 以彙編語言和機器語言爲工具
• 優勢: 能夠針對具體的機器，充分發揮計算機的系統
  功能；生成的程序效率高
• 缺點: 程序難讀、難寫、易出錯、難維護、生產的效
  率低
• 高級語言書寫
• 程序易讀、易理解、容易維護、生產的效率高
• 利用已有的某種語言的編譯程序實現另外一語言的編
  譯程序
• 移植方法
• 把一種機器上的編譯程序移植到另外一種機器上
• 自編譯方式
• 編譯程序自動產生
• 編譯程序-編譯程序，編譯程序產生器，編譯程序書
  寫系統
• LEX：詞法分析程序產生器
• YACC：語法分析程序產生器