程序员的自我修养之:编译器做了什么
sinye56 2024-10-22 16:17 8 浏览 0 评论
前面我们主要简单讲了从编码到可执行程序经历的四个步骤：预处理、编译、汇编和链接。今天我们就具体聊一聊编译器做了什么。
从最直观的角度来讲，编译器就是将高级语言翻译成机器语言的一个工具。编译过程一般可分为6部：扫描、语法分析、语义分析、源代码优化和目标代码优化。过程如下图：
编译过程
1词法分析
源代码程序被输入到扫描器（Scnner）运用一种类似有限状态机的算法将源代码的字符序列分割成一系列的记号（Token）；词法分析产生的记号分为：关键字、标识符（变量）字面量（包含数字、字符串）和特殊符号（如加减乘除号）。词法扫描一般通过一个叫做lex的程序。
2语法分析
语法分析器（Crammar Parser）将对由扫描器产生的记号进行语法分析，从而产生语法树（Syntax Tree）。语法树是以表达式（Expression包括赋值表达式、加法表达式、乘法表达式、数组表达式、括号表达式等等）为节点的树。语法分析也有一个工具叫yacc（Yet Another Compiler Compiler），可以根据用户给定的语法规则对输入的记号序列进行解析，从而构建出一棵语法树。
3语义分析
语义分析器（Semantic Analyzer）完成对表达式的语法层面的分析，但是它并不了解这个语句是否具有真正的意义。语法分析器分析的是静态语义（在编译时可以确定的语义，比如声明和类型的匹配），与之对应的是动态语义（只有在运行时才能确定的语义，比如0不能做除数）。简单的讲语义分析就是给每个表达式标识类型。
4中间语言生成
通过源代码优化器将整个语法树转换成中间代码（Intermediate Code），它是语法树的顺序表示，已经非常接近原代码了。比如表到式是2+4，它会生成一个中间变量t=8来代表。中间代码使得编译器可以被分为前端和后端。编译器前端负责生成机器无关的中间代码，编译器后端将中间代码转换成目标机器代码。这样对于一些可以跨平台的编译器而言，它们可以针对不同的平台使用同一个前端和针对不同的机器平台的数个后端。
5目标代码生成与优化
编译器的后端主要包括代码成成器（Code Generator）和目标代码优化器（Target Code Optimizer）。代码生成器将中间代码转换成目标机器代码，这个过程十分依赖与目标机器，因为不同的机器有不同的字长、寄存器、整数数据类型和浮点数据类型等。最后目标代码优化器对上述的目标代码进行优化，比如选择合适的寻址方式、使用位移来代替乘法运算、删除多余的指令等。
综上：经过这些扫描、语法分析、语义分析、源代码优化、代码生成和目标代码优化，编译器忙活了这么多步骤后，源代码终于被编译成了目标代码。但还有一个问题：变量的地址还没有确定，比如有两个变量a和b，它的地址应该从哪里得到呢？如果a和b定义在跟源代码在同一个编译单元里，那么编译器可以为a和b分配空间确定它们的地址；那如果它们不在一个同一个程序模块呢？后面让我们带着这个问题走进链接的世界。
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