C語言編譯器的設(shè)計與實現(xiàn)

徐冰楠

（天津工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300387）

一個編譯程序的重要性體現(xiàn)在它使得多數(shù)計算機用戶不必考慮與機器有關(guān)的繁瑣細節(jié)，使程序員和程序設(shè)計專家獨立于機器，這對于當今機器的數(shù)量和種類持續(xù)不斷地增長的年代尤為重要。

1.研究背景

C語言是在20世紀70年代初問世的，但目前仍舊沒有一個完整的標準C語言，后由美國國家標準學(xué)會制定了一個C語言標準。C語言屬于一種結(jié)構(gòu)化語言，易于調(diào)試、層次清晰、便于維護，能夠按照模塊化方式組織程序。在實際應(yīng)用中，C語言的處理能力和表現(xiàn)能力極強，既有豐富的數(shù)據(jù)類型和運算符，便于各類復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，又可以實現(xiàn)內(nèi)存物理地址的直接訪問，方便于位一級的操作。在計算機系統(tǒng)中，C語言能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)硬件的操作，集低級語言與高級語言為一體，同時還可以應(yīng)用于軟件的開發(fā)。另外，C語言還具有較高的可移植性、高效率等優(yōu)點，目前已經(jīng)能夠廣泛應(yīng)用于各型各類的計算機中。

2.C語言編譯器前端設(shè)計

編譯是從源代碼到能直接被計算或者虛擬機執(zhí)行的目標代碼的翻譯過程。一般而言，編譯器包含著入口點的地址和名字、及外部調(diào)用機器代碼。編譯器是程序員使用的關(guān)鍵工具，以下針對編譯器的前端設(shè)計進行具體的分析：

（1）詞法分析。這個階段主要是根據(jù)相應(yīng)的詞法規(guī)則，將源程序中的各個記號一一標記出來，其中，每一個記號所代表著一類的單詞，通常情況下，主要涉及到的記號常見的有標識符、關(guān)鍵字、特殊符號、字面量等等，利用詞法分析器，輸入源程序，輸出識別記號符，最終將字號流轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的單詞。

（2）語法分析。對于語法分析，在實際應(yīng)用時，主要根據(jù)相應(yīng)的語法規(guī)則而將記號中的結(jié)構(gòu)一一標識出，如句子、短語等，并且在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造出能夠準確地反映此結(jié)構(gòu)的語法樹。

（3）語義分析。在這個過程中，主要是根據(jù)語法規(guī)則實施語法單元的靜態(tài)語義檢查，比如轉(zhuǎn)換、類型檢查等，其最為根本的目的就是可以保證其在語法結(jié)構(gòu)上的合法性。

3.C語言編譯器總體設(shè)計

在實際工作中，要想完成一個完美的編譯器是一項較為復(fù)雜的事情，要了解語法的構(gòu)成原理，要靈活掌握C語言語法，要考慮到C語言代碼的靈活用法，具體主要從以下幾個階段來完成：

（1）詞法分析

在C語言程序中，詞法分析作為編譯的第一個階段，又可以被稱之為掃描器，其最為主要的任務(wù)和目標就是將源程序中的各個字符連接起來，將其中的單詞識別出來，與此同時，還要轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的內(nèi)部編碼，從而更好地應(yīng)用于語法分析。一般情況下，單詞符號的內(nèi)部編碼主要采用二元式來表示，在分析時，主要涉及到的單詞類別有二進制、單詞之值、分隔符、運算符的編碼等，總體上講，在計算機工作時，掃描器主要用于完成以下的目標和任務(wù)：將注釋刪除；將源程序中的各個符號和單詞識別出來，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的內(nèi)部編碼形式；將無用的回車字符、空白字符刪除；及時檢查報告中存在的錯誤，及時進行語法檢查。

另外，針對以上工程流程，在進行一些語法程序詞法分析時，需要登錄識別出的標志符。從工作方式角度來分析，編譯流程與語法屬于兩種接口方式，一種是主要運用詞法分析進行子程序的分析，能夠有效地運用程序進行調(diào)用處理，當需要一個新單詞時，就調(diào)用一次子程序，且在調(diào)用的過程中，還會相應(yīng)地出現(xiàn)一個具有獨立意義的單詞；一種是采用詞法分析對輸出的結(jié)果進行分析，將其放置于中間文件上，同時作為一種輸入進行程序分析。若是從功能上講，主要就是將相應(yīng)的字符源程序進行轉(zhuǎn)換處理，從而變成單詞串的形式。

（2）語義分析

將編譯程序轉(zhuǎn)換為一種內(nèi)部表現(xiàn)形式后，我們將該種內(nèi)部表現(xiàn)形式稱之為中間語言或者是中間代碼，它含義明確、結(jié)構(gòu)簡單，屬于一種記號系統(tǒng)。比如一些編譯程序，基本上沒有中間代碼，但是為了在實際應(yīng)用中，確保機器的獨立運行，易于實現(xiàn)目標代碼的優(yōu)化，在許多的編譯程序中均設(shè)置了中間語言。這種中間語言介于機器語言和源程序語言中，程序相對復(fù)雜，而C語言編譯器卻在很大程度上改變以上現(xiàn)狀，其語義分析和語法分析相對成熟，理論和算法比較完善，可仍舊存在的問題是沒有公認的形式系統(tǒng)，中間代碼仍舊接近于形式化的方法。

（3）語法分析

語法分析主要是以單詞串形式的源程序作為分析與輸入對象，其最為根本的目標和任務(wù)就是為了以設(shè)計語言的語法規(guī)則為標準，對源程序的語法結(jié)構(gòu)進行具體的分析，根據(jù)設(shè)計語言的語法規(guī)則，對組成這些源程序的語法成分進行分析，如函數(shù)、下標變量、各種程序語句、各種表達式等等，并且要通過正確性的語法檢查，將中間代碼進行階段處理。當前對于語法的分析主要包括兩大類：一類是自頂向下，一種是自底向上。

①自頂向下

在這里試圖設(shè)定一個輸入串，從文法進行處理，構(gòu)成一棵語法樹，自下而下進行構(gòu)造，若是成功，則文法可以成句；若是沒有成功，則不能成句。與此同時，進行語法分析，通常還需要解決相關(guān)的障礙問題，具體主要體現(xiàn)在以下方面：一是采用最左推導(dǎo)處理，確保方法中非終結(jié)符號的傳遞，避免語法進入循環(huán)狀態(tài)；二是對符號串進行配置處理，本質(zhì)上講，文法所產(chǎn)生的選式屬于一個不斷試控的過程，因此，必然會出現(xiàn)回溯問題，為此就會導(dǎo)致分析效率下降。因此，為了實現(xiàn)語法分析，則要對程序設(shè)計語言及其相關(guān)的文法進行分析，從而有效地消除回溯和遞歸現(xiàn)象。

②自底向上

對于這種形式的語法分析，同樣需要給定相應(yīng)的輸入串，運用相應(yīng)的文法進行處理，采用歸約法試圖去構(gòu)成語法樹，一般情況主要采用最左歸納法進行處理，以實現(xiàn)自底向上的分析，將輸入符號進行逐個的推入處理，并對相應(yīng)的產(chǎn)生式左部進行替換處理，以有效地完成一次歸約，但是在歸約時，為了得到更好的頂，則要對形成的新的句柄進行處理，反之，若是處理不達標，那么則要重復(fù)上述過程，從而完成最終的歸約。但是要注意的一點是根據(jù)需要進行了歸約處理，必然存在著相應(yīng)語法錯誤，那么可以將其中全部輸入的符號刪除，改變上述格局，進行移進和歸約分析，并且在此基礎(chǔ)上，不斷地尋找一個相應(yīng)的策略，從而形成有效的語法分析方法。

（4）類型檢查

所謂類型檢查，就是通過給源程序設(shè)定一個表達式，根據(jù)類型表達式設(shè)置一組相應(yīng)的規(guī)則，將其作為源語言的系統(tǒng)。類型檢查的功能和任務(wù)就是能夠準確地發(fā)現(xiàn)程序中的錯誤功能，如果目標代碼既可以保持原有的元素類型，同時也可對元素值進行動態(tài)檢查，更為重要的是可以避免源程序靜態(tài)錯誤的發(fā)生。

4.功能的實現(xiàn)

基于C語言編譯器的開發(fā)在可行性分析的基礎(chǔ)上，進行深入、全面的分析，為此，在這里對C語言的運行情況和編譯原理進行具體的分析，具體的功能流程圖如圖1所示：

圖1 C語言編譯器流程圖

整個C語言框架可以說是整個編譯器的前端核心，也是整個前端的入口點，因此，對于本身的不主動符號，所有動作均借助于Visual C++6.0，將其作為一個信息相互交互的過程，比如在編譯時，Visual C++6.0的功能不能滿足要求，可以對Visual Studio的開發(fā)環(huán)境進行具體的分析，并且結(jié)合目前最流行的Windows平臺應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，對集成開發(fā)環(huán)境（IDE）的界面進行重新設(shè)計和組織，使得整個編譯器的過程變得更加簡單明了。與此同時，對于信息的處理和包裝，還可以應(yīng)用Visual Studio 2010、NET Framework 4.0、Microsoft Visual Studio 2010 CTP(Community Technology Preview--CTP)提供一個相應(yīng)的規(guī)約式，以支持開發(fā)面向Windows的應(yīng)用程序，其大致的過程包括符號信息的處理、編譯器的具體動作、信息代碼的提供等，結(jié)合Microsoft SQL Server、IBM DB2和Oracle數(shù)據(jù)庫，以完成更高層的數(shù)據(jù)處理與包裝，以下通過具體的事例來說明規(guī)約式動作的信息提?。?/p>

改程序改對后運行結(jié)果是327893.2789e+006A，改完后的代碼：

通過以上編譯，以實現(xiàn)一個符號項，加上每一個符號項各不相同，既可以保證類型的相同，又可以保證信息類別的多樣化，最后通過與框架進行整合處理，以提供必要的機制，將其中的字符流轉(zhuǎn)換成為內(nèi)部代碼，排除符號代碼外，將其本身所攜帶的信息進行封裝，并與特定的結(jié)構(gòu)同符號一起返回處理。

5.結(jié)束語

整個C語言編譯器涉及到的主要工作是程序的運行以及支持設(shè)計，要針對數(shù)據(jù)流和控制流進行優(yōu)化分析，將基于中間代碼的數(shù)據(jù)流結(jié)果和控制流結(jié)果進行科學(xué)處理，確保最后目標的生成。與此同時，整個設(shè)計過程中，框架作為運行支持的亮點環(huán)節(jié)，由于缺乏統(tǒng)一的標準，還需要針對特定的架構(gòu)設(shè)計，設(shè)計出一種程序調(diào)度開銷小、語言特點簡潔、代碼生成方便的運行環(huán)境給予支持。

[1]李松樹,姚益平,周家和.YH-2C語言優(yōu)化編譯器的設(shè)計[J].計算機工程與科學(xué),2011,（04）:70-74.

[2]高陶.面向測控系統(tǒng)的MCL語言編譯器設(shè)計[D].電子科技大學(xué),2009.

[3]吳江.SQL語言預(yù)編譯器的構(gòu)架——基于Linux操作系統(tǒng)[D].北京化工大學(xué),2012.

[4]王昭順,楊樹森,李周芳.嵌入式C02語言編譯器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用研究,2011,（07）:96-98.

[5]甄真.面向列數(shù)據(jù)庫的SQL語言編譯器設(shè)計與優(yōu)化[D].華南理工大學(xué),2012.

[6]姜娜,孔浩.一種支持軟件演化過程描述語言的編譯器的設(shè)計分析[J].綿陽師范學(xué)院學(xué)報,2013,（02）:99-102.

[7]李穎,胡明.基于C語言實現(xiàn)的IDL編譯器[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2013,（03）:5-9.

[8]鄭陽,付麗君,黃志鋼.用于PLC的華P語言編譯器設(shè)計與實現(xiàn)[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報,2009,（05）:30-33.

[9]王暉,胡寶成,何華燦,王忠,沈緒榜.LSMPP數(shù)據(jù)并行C語言編譯器實現(xiàn)的研究[J].微電子學(xué)與計算機,2010,（06）:1-5.

[10]史巖,李蜀瑜,丘征,陳長勝.CoSy C語言編譯器程序緩沖區(qū)溢出研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2012,（06）:93-96.