哈工大编译原理陈鄞课件

哈工大编译原理陈鄞课件单击此处添加副标题汇报人：XX目录壹编译原理基础贰词法分析叁语法分析肆语义分析与中间代码生成伍代码优化技术陆目标代码生成编译原理基础章节副标题壹课程概述介绍编译器的基本组成部分，如词法分析器、语法分析器、语义分析器、中间代码生成器等。编译器的组成强调编译器设计在软件开发中的作用，以及它对编程语言实现和性能优化的影响。编译器设计的重要性概述编译过程中的关键步骤，包括源代码的读取、预处理、编译、链接等。编译过程的步骤010203编译器结构词法分析器将源代码分解为一系列的记号（tokens），例如关键字、标识符和操作符。01词法分析器语法分析器根据语法规则将记号序列组织成语法结构，如表达式、语句和程序块。02语法分析器语义分析器检查源代码的语义正确性，如类型检查和变量声明前的使用。03语义分析器中间代码生成器将源代码转换为中间表示形式，为后续优化和目标代码生成做准备。04中间代码生成器目标代码生成器将中间代码转换为特定机器语言或字节码，完成编译过程。05目标代码生成器语言处理步骤编译器首先进行词法分析，将源代码分解为一系列的记号（tokens），如关键字、标识符等。词法分析语法分析阶段，编译器根据语言的语法规则构建抽象语法树（AST），检查代码结构的正确性。语法分析语言处理步骤语义分析中间代码生成01语义分析阶段，编译器检查变量和函数的定义与使用是否一致，确保语义的正确性。02编译器将AST转换为中间代码，这是一种与机器无关的代码表示，便于后续优化和目标代码生成。词法分析章节副标题贰词法分析器的作用词法分析器将源代码中的字符序列转换为有意义的符号，如标识符、关键字等。识别语言符号它负责剔除源代码中的空白字符和注释，简化后续编译步骤的处理复杂度。过滤无关信息词法分析器将识别出的符号转换为词法单元，为语法分析器提供结构化的输入。生成词法单元正则表达式与有限自动机正则表达式是描述字符集合的模式匹配规则，用于识别文本中的特定模式。正则表达式的定义有限自动机的概念有限自动机是一种计算模型，能够通过一系列状态转换来识别正则语言。正则表达式可以转换为非确定有限自动机（NFA），NFA能够识别相同的语言集。正则表达式与NFA的转换确定有限自动机（DFA）在编译器的词法分析阶段用于高效地识别词法单元。DFA在词法分析中的应用NFA到DFA的转换过程12345非确定有限自动机（NFA）可以通过子集构造法转换为确定有限自动机（DFA）。词法分析器生成工具介绍如Lex和Flex等工具，它们是用于生成词法分析器的软件，能够将正则表达式转换为C代码。工具介绍01举例说明如何使用Flex工具来创建一个简单的词法分析器，分析C语言源代码中的标识符和关键字。工具应用案例02词法分析器生成工具分析使用词法分析器生成工具相较于手动编写的优势，如提高开发效率、减少错误等。工具优势分析01讨论在使用这些工具时可能遇到的限制，例如处理复杂语言特性的困难和对生成代码的优化需求。工具限制与挑战02语法分析章节副标题叁上下文无关文法上下文无关文法由一组产生式规则组成，每条规则形如A→β，其中A是非终结符，β是终结符或非终结符序列。定义与组成从起始符号开始，通过反复应用产生式规则，逐步替换非终结符，直到仅剩终结符，形成句子。推导过程上下文无关文法01语法树是上下文无关文法推导过程的图形化表示，树的每个节点代表一个非终结符，叶节点代表终结符。02编程语言的编译器设计中，上下文无关文法用于定义语言的语法结构，如C语言的表达式和语句。语法树表示应用实例语法分析树从输入的源代码开始，逐步应用语法规则，构建出反映程序结构的树状图。构建语法分析树的过程01常见的语法分析树类型包括推导树和规约树，它们分别用于展示推导过程和规约过程。语法分析树的类型02语法分析树在编译器设计中用于错误检测、代码优化和中间代码生成等环节。语法分析树的应用03递归下降分析递归下降分析是一种自顶向下的语法分析方法，通过递归函数直接实现文法的产生式。01实现时需要为每个非终结符编写一个函数，通过函数调用模拟文法的推导过程。02该方法直观易懂，易于实现，适合用于构造简单的编译器或解释器。03对于左递归文法或某些复杂的文法结构，递归下降分析可能无法直接应用。04递归下降分析的基本概念实现递归下降分析的步骤递归下降分析的优势递归下降分析的局限性语义分析与中间代码生成章节副标题肆语义规则与属性文法语义规则的定义语义规则是编译器中用于描述程序语义的形式化规则，指导编译器如何进行语义检查和处理。语义规则的应用实例例如，在C语言编译器中，类型检查和变量作用域的确定就是通过语义规则来实现的。属性文法的概念属性计算方法属性文法扩展了上下文无关文法，通过为文法符号附加属性来表达语义信息，是实现语义分析的重要工具。属性文法中，属性的计算方法包括合成属性和继承属性，它们决定了属性值如何在语法树中传递和计算。中间代码表示三地址代码是中间代码的一种形式，每个语句最多包含三个操作数，如x=yopz。三地址代码SSA形式通过引入新的变量来保证每个变量只被赋值一次，简化了数据流分析。静态单赋值形式抽象语法树（AST）是源代码语法结构的抽象表示，中间代码生成时会转换为AST形式。抽象语法树控制流图（CFG）表示程序中所有可能的执行路径，是中间代码分析的重要工具。控制流图类型检查与作用域分析在编译过程中，类型检查确保变量和表达式符合预定的数据类型，防止类型不匹配错误。类型检查机制作用域规则定义了变量和函数的可见性，如局部变量和全局变量的区分，以及变量的生命周期。作用域规则类型推导允许编译器自动推断变量类型，减少程序员的类型声明工作，提高代码的可读性。类型推导在嵌套作用域中，内部作用域可以访问外部作用域的变量，但反之则不行，这影响了变量的可见性。作用域嵌套与访问控制代码优化技术章节副标题伍优化的目标与方法通过循环展开、指令重排等技术减少CPU周期，提升程序运行速度。提高代码执行效率01利用代码压缩、删除冗余代码等方法减小程序占用的存储空间。减少代码体积02通过内存池管理、对象复用等技术降低内存消耗，提高内存使用效率。优化内存使用03循环优化技术循环展开通过减少循环迭代次数来提高效率，例如将for循环中的每次迭代处理两个元素。循环展开将循环中不依赖于循环变量的代码移至循环外执行，以减少重复计算，如将常量计算移出循环。循环不变代码外提循环分块技术将大循环分割成小块，减少每次迭代的开销，提高缓存利用率，例如矩阵乘法中的分块处理。循环分块循环优化技术循环融合将多个循环合并为一个，减少循环控制开销，如将两个相关数组操作的循环合并为一个循环。循环融合循环交换改变嵌套循环的顺序，以优化内存访问模式，提高缓存命中率，例如将内存访问模式改为连续访问。循环交换全局数据流分析全局数据流分析是编译器优化的关键技术，用于分析程序中变量的定义和使用情况。基本概念与重要性可达定义分析帮助编译器识别哪些变量定义是可达的，以消除冗余代码，提高程序效率。可达定义分析通过活跃变量分析，编译器可以确定变量在程序的特定点是否被使用，从而优化寄存器分配。活跃变量分析利用全局数据流分析，编译器可以将循环不变的计算移至循环外，减少重复计算，优化性能。循环不变式代码移动01020304目标代码生成章节副标题陆目标代码结构函数调用约定指令集架构0103目标代码中函数调用约定定义了参数传递、返回值处理等规则，对代码结构和性能有直接影响。目标代码结构紧密依赖于指令集架构，如x86、ARM等，决定了代码的执行效率和优化空间。02编译器在生成目标代码时，需要高效地分配和管理寄存器，以减少内存访问和提高性能。寄存器分配寄存器分配策略通过图着色算法，将变量分配到寄存器中，以减少内存访问，提高程序运行效率。图着色寄存器分配01线性扫描算法在编译时进行寄存器分配，它通过扫描变量的生命周期来决定寄存器的分配。线性扫描寄存器分配02根据变量的使用频率和生命周期长度，优先为使用频繁或生命周期短的变量分配寄存器。优先级分配03全局寄存器分配策略考虑整个程序的变量使用情况，以优化寄存器的使用效率。全局寄存器分配04代码生成算法代码生成算法中，基本块通常用三地址代码的线性序列来表示，以简化控制流。基本块