編譯器知識(shí)拾零

分享到： 編譯器，是將便于人編寫，閱讀，維護(hù)的高級(jí)計(jì)算機(jī)語言翻譯為計(jì)算機(jī)能識(shí)別，運(yùn)行的低級(jí)機(jī)器語言的程序。編譯器將源程序（Source program）作為輸入，翻譯產(chǎn)生使用目標(biāo)語言（Target language）的等價(jià)程序。源程序一般為高級(jí)語言（High-level language），如Pascal，C++等，而目標(biāo)語言則是匯編語言或目標(biāo)機(jī)器的目標(biāo)代碼（Object code），有時(shí)也稱作機(jī)器代碼（Machine code）。
　　一個(gè)現(xiàn)代編譯器的主要工作流程如下：
　　源程序（source code）→預(yù)處理器（preprocessor）→編譯器（compiler）→匯編程序（assembler）→目標(biāo)程序（object code）→連接器（鏈接器，Linker）→可執(zhí)行程序（executables）
　　目錄
　　1 工作原理
　　2 編譯器種類
　　3 預(yù)處理器（preprocessor）
　　4 編譯器前端（frontend）
　　5 編譯器后端（backend）
　　6 編譯語言與解釋語言對(duì)比
　　7 歷史
　　8 參見
　　工作原理
　　翻譯是從源代碼（通常為高級(jí)語言）到能直接被計(jì)算機(jī)或虛擬機(jī)執(zhí)行的目標(biāo)代碼（通常為低級(jí)語言或機(jī)器言）。然而，也存在從低級(jí)語言到高級(jí)語言的編譯器，這類編譯器中用來從由高級(jí)語言生成的低級(jí)語言代碼重新生成高級(jí)語言代碼的又被叫做反編譯器。也有從一種高級(jí)語言生成另一種高級(jí)語言的編譯器，或者生成一種需要進(jìn)一步處理的的中間代碼的編譯器（又叫級(jí)聯(lián)）。
　　典型的編譯器輸出是由包含入口點(diǎn)的名字和地址以及外部調(diào)用（到不在這個(gè)目標(biāo)文件中的函數(shù)調(diào)用）的機(jī)器代碼所組成的目標(biāo)文件。一組目標(biāo)文件，不必是同一編譯器產(chǎn)生，但使用的編譯器必需采用同樣的輸出格式，可以鏈接在一起并生成可以由用戶直接執(zhí)行的可執(zhí)行程序。
　　編譯器種類
　　編譯器可以生成用來在與編譯器本身所在的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)（平臺(tái)）相同的環(huán)境下運(yùn)行的目標(biāo)代碼，這種編譯器又叫做“本地”編譯器。另外，編譯器也可以生成用來在其它平臺(tái)上運(yùn)行的目標(biāo)代碼，這種編譯器又叫做交叉編譯器。交叉編譯器在生成新的硬件平臺(tái)時(shí)非常有用?！霸创a到源碼編譯器”是指用一種高級(jí)語言作為輸入，輸出也是高級(jí)語言的編譯器。例如： 自動(dòng)并行化編譯器經(jīng)常采用一種高級(jí)語言作為輸入，轉(zhuǎn)換其中的代碼，并用并行代碼注釋對(duì)它進(jìn)行注釋（如OpenMP）或者用語言構(gòu)造進(jìn)行注釋（如FORTRAN的DOALL指令）。
　　預(yù)處理器（preprocessor）
　　作用是通過代入預(yù)定義等程序段將源程序補(bǔ)充完整。
　　編譯器前端（frontend）
　　前端主要負(fù)責(zé)解析（parse）輸入的源程序，由詞法分析器和語法分析器協(xié)同工作。詞法分析器負(fù)責(zé)把源程序中的‘單詞’（Token）找出來，語法分析器把這些分散的單詞按預(yù)先定義好的語法組裝成有意義的表達(dá)式，語句 ，函數(shù)等等。 例如“a = b + c;”前端詞法分析器看到的是“a， =， b ， +， c;”，語法分析器按定義的語法，先把他們組裝成表達(dá)式“b + c”，再組裝成“a = b + c”的語句。 前端還負(fù)責(zé)語義（semantic checking）的檢查，例如檢測(cè)參與運(yùn)算的變量是否是同一類型的，簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤處理。最終的結(jié)果常常是一個(gè)抽象的語法樹（abstract syntax tree，或 AST），這樣后端可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，處理。
　　編譯器后端（backend）
　　編譯器后端主要負(fù)責(zé)分析，優(yōu)化中間代碼（Intermediate representation）以及生成機(jī)器代碼（Code Generation）。
　　一般說來所有的編譯器分析，優(yōu)化，變型都可以分成兩大類： 函數(shù)內(nèi)（intraprocedural）還是函數(shù)之間（interprocedural）進(jìn)行。很明顯，函數(shù)間的分析，優(yōu)化更準(zhǔn)確，但需要更長(zhǎng)的時(shí)間來完成。
　　編譯器分析（compiler analysis）的對(duì)象是前端生成并傳遞過來的中間代碼，現(xiàn)代的優(yōu)化型編譯器（optimizing compiler）常常用好幾種層次的中間代碼來表示程序，高層的中間代碼（high level IR）接近輸入的源程序的格式，與輸入語言相關(guān)（language dependent），包含更多的全局性的信息，和源程序的結(jié)構(gòu)；中層的中間代碼（middle level IR）與輸入語言無關(guān)，低層的中間代碼（Low level IR）與機(jī)器語言類似。 不同的分析，優(yōu)化發(fā)生在最適合的那一層中間代碼上。
　　常見的編譯分析有函數(shù)調(diào)用樹（call tree），控制流程圖（Control flow graph），以及在此基礎(chǔ)上的 變量定義－使用，使用－定義鏈（define-use/use-define or u-d/d-u chain），變量別名分析（alias analysis），指針分析（pointer analysis），數(shù)據(jù)依賴分析（data dependence analysis）等等。
　　上述的程序分析結(jié)果是編譯器優(yōu)化（compiler optimization）和程序變形（compiler transformation）的前提條件。常見的優(yōu)化和變新有：函數(shù)內(nèi)嵌（inlining），無用代碼刪除（Dead code elimination），標(biāo)準(zhǔn)化循環(huán)結(jié)構(gòu)（loop normalization），循環(huán)體展開（loop unrolling），循環(huán)體合并，分裂（loop fusion，loop fission），數(shù)組填充（array padding），等等。 優(yōu)化和變形的目的是減少代碼的長(zhǎng)度，提高內(nèi)存（memory），緩存（cache）的使用率，減少讀寫磁盤，訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的頻率。更高級(jí)的優(yōu)化甚至可以把序列化的代碼（serial code）變成并行運(yùn)算，多線程的代碼（parallelized，multi-threaded code）。
　　機(jī)器代碼的生成是優(yōu)化變型后的中間代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令的過程?，F(xiàn)代編譯器主要采用生成匯編代碼（assembly code）的策略，而不直接生成二進(jìn)制的目標(biāo)代碼（binary object code）。即使在代碼生成階段，高級(jí)編譯器仍然要做很多分析，優(yōu)化，變形的工作。例如如何分配寄存器（register allocatioin），如何選擇合適的機(jī)器指令（instruction selection），如何合并幾句代碼成一句等等。