编译器的相关知识

一、编译器的概念

编译器是将一种计算机语言翻译为另一种计算机语言的程序。编译器将源程序(source language) 
编写的程序作为输入，翻译产生用目标语言(target language)编写的等价程序。源程序一般为高级语言(high-level language)，如Pascal 或Delphi，而目标语言则是汇编语言或目标机器的目标代码(object code)，有时也称作机器代码（machine code） 
源程序→ 编译器→ 目标程序 
解释器也是同编译器一样的一种语言翻译程序。它与编译器的不同之处在于：它立即执行源程序而不是生成目标代码。从原理上讲，任何程序设计语言都可以被解释或被编译。 

二、编译器的组成部分

(1) 扫描程序（scanner）

在这个阶段编译器实际阅读源程序（通常以字符流的形式表示）。扫描程序执行词法分析（Lexical analysis）：它将字符序列收集到称作记号（token）的有意义单元中，记号同自然语言，如英语中的字词相似。因此可以认为扫描程序执行与拼写相似的任务。

(2) 语法分析程序（parser）

语法分析程序从扫描程序中获取记号形式的源代码，并完成定义程序结构的语法分析（syntax analysis），这与自然语言中句子的语法分析类似。语法分析定义了程序的结构元素及其关系。通常将语法分析的结果表示为分析树（ parse tree）或语法树（syntax tree）。

(3) 语义分析程序（semantic analyzer）

程序的语义就是它的“意思”，它与语法或结构不同。程序的语义确定程序的运行，但是大多数的程序设计语言都具有在执行之前被确定而不易由语法表示和由分析程序分析的特征。这些特征被称作静态语义（ static semantic），而语义分析程序的任务就是分析这样的语义（程序的“动态”语义具有只有在程序执行时才能确定的特性，由于编译器不能执行程序，所以它不能由编译器来确定）。一般的程序设计语言的典型静态语义包括声明和类型检查。由语义分析程序计算的额外信息（诸如数据类型）被称为属性（ a t t r i b u t e），它们通常是作为注释或“装饰”增加到树中（还可将属性添加到符号表中）。

(4) 源代码优化程序（source code optimizer）

编译器通常包括许多代码改进或优化步骤。绝大多数最早的优化步骤是在语义分析之后完成的，而此时代码改进可能只依赖于源代码。这种可能性是通过将这一操作提供为编译过程中的单独阶段指出的。每个编译器不论在已完成的优化种类方面还是在优化阶段的定位中都有很大的差异。

(5) 代码生成器（code generator）

代码生成器得到中间代码（IR，并生成目标机器的代码。尽管大多数编译器直接生成目标代码，但是为了便于理解，本书用汇编语言来编写目标代码。正是在编译的这个阶段中，目标机器的特性成为了主要因素。当它存在于目标机器时，使用指令不仅是必须的而且数据的形式表示也起着重要的作用。例如，整型数据类型的变量和浮点数据类型的变量在存储器中所占的字节数或字数也很重要。

三、编译器相关的术语

(1) 记号（t o k e n）

记号通常定义为枚举类型的逻辑项。记号有若干种类型，这其中包括了保留字（ reserved word），如I F和T H E N，它们表示字符串“ i f”和“ t h e n”；第2类是特殊符号（ special symbol ），如算术符号加（ P L U S）和减（M I N U S），它们表示字符“ +”和“-”。第3类是表示多字符串的记号，如N U M和I D，它们分别表示数字和标识符。

(2) 语法树（syntax tre e）

如果分析程序确实生成了语法树，它的构造通常为基于指针的标准结构，在进行分析时动态分配该结构，则整棵树可作为一个指向根节点的单个变量保存。结构中的每一个节点都是一个记录，它的域表示由分析程序和之后的语义分析程序收集的信息。

(3) 符号表（symbol table）

这个数据结构中的信息与标识符有关：函数、变量、常量以及数据类型。符号表几乎与编译器的所有阶段交互：扫描程序、分析程序或将标识符输入到表格中的语义分析程序；语义分析程序将增加数据类型和其他信息；优化阶段和代码生成阶段也将利用由符号表提供的信息选出恰当的代码。因为对符号表的访问如此频繁，所以插入、删除和访问操作都必须比常规操作更有效。尽管可以使用各种树的结构，但杂凑表却是达到这一要求的标准数据结构。有时在一个列表或栈中可使用若干个表格。

(4) 常数表（literal table）

常数表的功能是存放在程序中用到的常量和字符串，因此快速插入和查找在常数表中也十分重要。但是，在其中却无需删除，这是因为它的数据全程应用于程序而且常量或字符串在该表中只出现一次。通过允许重复使用常量和字符串，常数表对于缩小程序在存储器中的大小显得非常重要。在代码生成器中也需要常数表来构造用于常数和在目标代码文件中输入数据定义的符号地址。

(5) 中间代码（intermediate code）

根据中间代码的类型（例如三元式代码和P -代码）和优化的类型，该代码可以是文本串的数组、临时文本文件或是结构的连接列表。对于进行复杂优化的编译器，应特别注意选择允许简单重组的表示。

(6) 临时文件（t e m p o r a ry file）

计算机过去一直未能在编译器时将整个程序保留在存储器中。这一问题已经通过使用临时文件来保存翻译时中间步骤的结果或通过“匆忙地”编译（也就是只保留源程序早期部分的足够信息用以处理翻译）解决了。存储器的限制现在也只是一个小问题了，现在可以将整个编译单元放在存储器之中，特别是在可以分别编译的语言中时。但是偶尔还是会发现需要在某些运行步骤中生成中间文件。其中典型的是代码生成时需要反填（ b a c k p a t c h）地址。