哈工大編譯原理陳鄞課件單擊此處添加副標題匯報人：XX目錄壹編譯原理基礎(chǔ)貳詞法分析叁語法分析肆語義分析與中間代碼生成伍代碼優(yōu)化技術(shù)陸目標代碼生成編譯原理基礎(chǔ)章節(jié)副標題壹課程概述介紹編譯器的基本組成部分，如詞法分析器、語法分析器、語義分析器、中間代碼生成器等。編譯器的組成強調(diào)編譯器設(shè)計在軟件開發(fā)中的作用，以及它對編程語言實現(xiàn)和性能優(yōu)化的影響。編譯器設(shè)計的重要性概述編譯過程中的關(guān)鍵步驟，包括源代碼的讀取、預(yù)處理、編譯、鏈接等。編譯過程的步驟010203編譯器結(jié)構(gòu)詞法分析器將源代碼分解為一系列的記號（tokens），例如關(guān)鍵字、標識符和操作符。01詞法分析器語法分析器根據(jù)語法規(guī)則將記號序列組織成語法結(jié)構(gòu)，如表達式、語句和程序塊。02語法分析器語義分析器檢查源代碼的語義正確性，如類型檢查和變量聲明前的使用。03語義分析器中間代碼生成器將源代碼轉(zhuǎn)換為中間表示形式，為后續(xù)優(yōu)化和目標代碼生成做準備。04中間代碼生成器目標代碼生成器將中間代碼轉(zhuǎn)換為特定機器語言或字節(jié)碼，完成編譯過程。05目標代碼生成器語言處理步驟編譯器首先進行詞法分析，將源代碼分解為一系列的記號（tokens），如關(guān)鍵字、標識符等。詞法分析語法分析階段，編譯器根據(jù)語言的語法規(guī)則構(gòu)建抽象語法樹（AST），檢查代碼結(jié)構(gòu)的正確性。語法分析語言處理步驟語義分析中間代碼生成01語義分析階段，編譯器檢查變量和函數(shù)的定義與使用是否一致，確保語義的正確性。02編譯器將AST轉(zhuǎn)換為中間代碼，這是一種與機器無關(guān)的代碼表示，便于后續(xù)優(yōu)化和目標代碼生成。詞法分析章節(jié)副標題貳詞法分析器的作用詞法分析器將源代碼中的字符序列轉(zhuǎn)換為有意義的符號，如標識符、關(guān)鍵字等。識別語言符號它負責剔除源代碼中的空白字符和注釋，簡化后續(xù)編譯步驟的處理復(fù)雜度。過濾無關(guān)信息詞法分析器將識別出的符號轉(zhuǎn)換為詞法單元，為語法分析器提供結(jié)構(gòu)化的輸入。生成詞法單元正則表達式與有限自動機正則表達式是描述字符集合的模式匹配規(guī)則，用于識別文本中的特定模式。正則表達式的定義有限自動機的概念有限自動機是一種計算模型，能夠通過一系列狀態(tài)轉(zhuǎn)換來識別正則語言。正則表達式可以轉(zhuǎn)換為非確定有限自動機（NFA），NFA能夠識別相同的語言集。正則表達式與NFA的轉(zhuǎn)換確定有限自動機（DFA）在編譯器的詞法分析階段用于高效地識別詞法單元。DFA在詞法分析中的應(yīng)用NFA到DFA的轉(zhuǎn)換過程12345非確定有限自動機（NFA）可以通過子集構(gòu)造法轉(zhuǎn)換為確定有限自動機（DFA）。詞法分析器生成工具介紹如Lex和Flex等工具，它們是用于生成詞法分析器的軟件，能夠?qū)⒄齽t表達式轉(zhuǎn)換為C代碼。工具介紹01舉例說明如何使用Flex工具來創(chuàng)建一個簡單的詞法分析器，分析C語言源代碼中的標識符和關(guān)鍵字。工具應(yīng)用案例02詞法分析器生成工具分析使用詞法分析器生成工具相較于手動編寫的優(yōu)勢，如提高開發(fā)效率、減少錯誤等。工具優(yōu)勢分析01討論在使用這些工具時可能遇到的限制，例如處理復(fù)雜語言特性的困難和對生成代碼的優(yōu)化需求。工具限制與挑戰(zhàn)02語法分析章節(jié)副標題叁上下文無關(guān)文法上下文無關(guān)文法由一組產(chǎn)生式規(guī)則組成，每條規(guī)則形如A→β，其中A是非終結(jié)符，β是終結(jié)符或非終結(jié)符序列。定義與組成從起始符號開始，通過反復(fù)應(yīng)用產(chǎn)生式規(guī)則，逐步替換非終結(jié)符，直到僅剩終結(jié)符，形成句子。推導(dǎo)過程上下文無關(guān)文法01語法樹是上下文無關(guān)文法推導(dǎo)過程的圖形化表示，樹的每個節(jié)點代表一個非終結(jié)符，葉節(jié)點代表終結(jié)符。02編程語言的編譯器設(shè)計中，上下文無關(guān)文法用于定義語言的語法結(jié)構(gòu)，如C語言的表達式和語句。語法樹表示應(yīng)用實例語法分析樹從輸入的源代碼開始，逐步應(yīng)用語法規(guī)則，構(gòu)建出反映程序結(jié)構(gòu)的樹狀圖。構(gòu)建語法分析樹的過程01常見的語法分析樹類型包括推導(dǎo)樹和規(guī)約樹，它們分別用于展示推導(dǎo)過程和規(guī)約過程。語法分析樹的類型02語法分析樹在編譯器設(shè)計中用于錯誤檢測、代碼優(yōu)化和中間代碼生成等環(huán)節(jié)。語法分析樹的應(yīng)用03遞歸下降分析遞歸下降分析是一種自頂向下的語法分析方法，通過遞歸函數(shù)直接實現(xiàn)文法的產(chǎn)生式。01實現(xiàn)時需要為每個非終結(jié)符編寫一個函數(shù)，通過函數(shù)調(diào)用模擬文法的推導(dǎo)過程。02該方法直觀易懂，易于實現(xiàn)，適合用于構(gòu)造簡單的編譯器或解釋器。03對于左遞歸文法或某些復(fù)雜的文法結(jié)構(gòu)，遞歸下降分析可能無法直接應(yīng)用。04遞歸下降分析的基本概念實現(xiàn)遞歸下降分析的步驟遞歸下降分析的優(yōu)勢遞歸下降分析的局限性語義分析與中間代碼生成章節(jié)副標題肆語義規(guī)則與屬性文法語義規(guī)則的定義語義規(guī)則是編譯器中用于描述程序語義的形式化規(guī)則，指導(dǎo)編譯器如何進行語義檢查和處理。語義規(guī)則的應(yīng)用實例例如，在C語言編譯器中，類型檢查和變量作用域的確定就是通過語義規(guī)則來實現(xiàn)的。屬性文法的概念屬性計算方法屬性文法擴展了上下文無關(guān)文法，通過為文法符號附加屬性來表達語義信息，是實現(xiàn)語義分析的重要工具。屬性文法中，屬性的計算方法包括合成屬性和繼承屬性，它們決定了屬性值如何在語法樹中傳遞和計算。中間代碼表示三地址代碼是中間代碼的一種形式，每個語句最多包含三個操作數(shù)，如x=yopz。三地址代碼SSA形式通過引入新的變量來保證每個變量只被賦值一次，簡化了數(shù)據(jù)流分析。靜態(tài)單賦值形式抽象語法樹（AST）是源代碼語法結(jié)構(gòu)的抽象表示，中間代碼生成時會轉(zhuǎn)換為AST形式。抽象語法樹控制流圖（CFG）表示程序中所有可能的執(zhí)行路徑，是中間代碼分析的重要工具?？刂屏鲌D類型檢查與作用域分析在編譯過程中，類型檢查確保變量和表達式符合預(yù)定的數(shù)據(jù)類型，防止類型不匹配錯誤。類型檢查機制作用域規(guī)則定義了變量和函數(shù)的可見性，如局部變量和全局變量的區(qū)分，以及變量的生命周期。作用域規(guī)則類型推導(dǎo)允許編譯器自動推斷變量類型，減少程序員的類型聲明工作，提高代碼的可讀性。類型推導(dǎo)在嵌套作用域中，內(nèi)部作用域可以訪問外部作用域的變量，但反之則不行，這影響了變量的可見性。作用域嵌套與訪問控制代碼優(yōu)化技術(shù)章節(jié)副標題伍優(yōu)化的目標與方法通過循環(huán)展開、指令重排等技術(shù)減少CPU周期，提升程序運行速度。提高代碼執(zhí)行效率01利用代碼壓縮、刪除冗余代碼等方法減小程序占用的存儲空間。減少代碼體積02通過內(nèi)存池管理、對象復(fù)用等技術(shù)降低內(nèi)存消耗，提高內(nèi)存使用效率。優(yōu)化內(nèi)存使用03循環(huán)優(yōu)化技術(shù)循環(huán)展開通過減少循環(huán)迭代次數(shù)來提高效率，例如將for循環(huán)中的每次迭代處理兩個元素。循環(huán)展開將循環(huán)中不依賴于循環(huán)變量的代碼移至循環(huán)外執(zhí)行，以減少重復(fù)計算，如將常量計算移出循環(huán)。循環(huán)不變代碼外提循環(huán)分塊技術(shù)將大循環(huán)分割成小塊，減少每次迭代的開銷，提高緩存利用率，例如矩陣乘法中的分塊處理。循環(huán)分塊循環(huán)優(yōu)化技術(shù)循環(huán)融合將多個循環(huán)合并為一個，減少循環(huán)控制開銷，如將兩個相關(guān)數(shù)組操作的循環(huán)合并為一個循環(huán)。循環(huán)融合循環(huán)交換改變嵌套循環(huán)的順序，以優(yōu)化內(nèi)存訪問模式，提高緩存命中率，例如將內(nèi)存訪問模式改為連續(xù)訪問。循環(huán)交換全局數(shù)據(jù)流分析全局數(shù)據(jù)流分析是編譯器優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)，用于分析程序中變量的定義和使用情況?；靖拍钆c重要性可達定義分析幫助編譯器識別哪些變量定義是可達的，以消除冗余代碼，提高程序效率。可達定義分析通過活躍變量分析，編譯器可以確定變量在程序的特定點是否被使用，從而優(yōu)化寄存器分配?；钴S變量分析利用全局數(shù)據(jù)流分析，編譯器可以將循環(huán)不變的計算移至循環(huán)外，減少重復(fù)計算，優(yōu)化性能。循環(huán)不變式代碼移動01020304目標代碼生成章節(jié)副標題陸目標代碼結(jié)構(gòu)函數(shù)調(diào)用約定指令集架構(gòu)0103目標代碼中函數(shù)調(diào)用約定定義了參數(shù)傳遞、返回值處理等規(guī)則，對代碼結(jié)構(gòu)和性能有直接影響。目標代碼結(jié)構(gòu)緊密依賴于指令集架構(gòu)，如x86、ARM等，決定了代碼的執(zhí)行效率和優(yōu)化空間。02編譯器在生成目標代碼時，需要高效地分配和管理寄存器，以減少內(nèi)存訪問和提高性能。寄存器分配寄存器分配策略通過圖著色算法，將變量分配到寄存器中，以減少內(nèi)存訪問，提高程序運行效率。圖著色寄存器分配01線性掃描算法在編譯時進行寄存器分配，它通過掃描變量的生命周期來決定寄存器的分配。線性掃描寄存器分配02根據(jù)變量的使用頻率和生命周期長度，優(yōu)先為使用頻繁或生命周期短的變量分配寄存器。優(yōu)先級分配03全局寄存器分配策略考慮整個程序的變量使用情況，以優(yōu)化寄存器的使用效率。全局寄存器分配04代碼生成算法代碼生成算法中，基本塊通常用三地址代碼的線性序列來表示，以簡化控制流?；緣K