編譯程序

編譯程序詞組可以有兩種認識。

一、編譯程序是一種動作，是根據編譯原理技術，由高級程序設計語言編譯器翻譯成機器語言二進制代碼行為。

二、編譯程序是動名詞，特指生成編譯器的軟件程序。 ^[1] 

編譯程序compiler

編譯程序的實現算法較為複雜。這是因為它所翻譯的語句與目標語言的指令不是一一對應關係,而是一多對應關係;同時也因為它要處理遞歸調用、動態存儲分配、多種數據類型，以及語句間的緊密依賴關係。但是，由於高級程序設計語言書寫的程序具有易讀、易移植和表達能力強等特點，編譯程序廣泛地用於翻譯規模較大、複雜性較高、且需要高效運行的高級語言書寫的源程序。

編譯程序的基本功能是把源程序（高級語言）翻譯成目標程序。但是,作為一個具有實際應用價值的編譯系統,除了基本功能之外，還應具備語法檢查、調試措施、修改手段、覆蓋處理、目標程序優化、不同語言合用以及人-機聯繫等重要功能。①語法檢查:檢查源程序是否合乎語法。如果不符合語法，編譯程序要指出語法錯誤的部位、性質和有關信息。編譯程序應使用户一次上機，能夠儘可能多地查出錯誤。②調試措施：檢查源程序是否合乎設計者的意圖。為此，要求編譯程序在編譯出的目標程序中安置一些輸出指令，以便在目標程序運行時能輸出程序動態執行情況的信息，如變量值的更改、程序執行時所經歷的線路等。這些信息有助於用户核實和驗證源程序是否表達了算法要求。③修改手段：為用户提供簡便的修改源程序的手段。編譯程序通常要提供批量修改手段（用於修改數量較大或臨時不易修改的錯誤）和現場修改手段（用於運行時修改數量較少、臨時易改的錯誤）。④覆蓋處理：主要是為處理程序長、數據量大的大型問題程序而設置的。基本思想是讓一些程序段和數據公用某些存儲區，其中只存放當前要用的程序或數據；其餘暫時不用的程序和數據，先存放在磁盤等輔助存儲器中，待需要時動態地調入。⑤目標程序優化：提高目標程序的質量,即佔用的存儲空間少,程序的運行時間短。依據優化目標的不同，編譯程序可選擇實現表達式優化、循環優化或程序全局優化。目標程序優化有的在源程序級上進行，有的在目標程序級上進行。⑥不同語言合用：其功能有助於用户利用多種程序設計語言編寫應用程序或套用已有的不同語言書寫的程序模塊。最為常見的是高級語言和彙編語言的合用。這不但可以彌補高級語言難於表達某些非數值加工操作或直接控制、訪問外圍設備和硬件寄存器之不足，而且還有利於用匯編語言編寫核心部分程序,以提高運行效率。⑦人-機聯繫：確定編譯程序實現方案時達到精心設計的功能。目的是便於用户在編譯和運行階段及時瞭解內部工作情況，有效地監督、控制系統的運行。早期編譯程序的實現方案，是把上述各項功能完全收納在編譯程序之中。然而，習慣做法是在操作系統的支持下，配置調試程序、編輯程序和連接裝配程序，用以協助實現程序的調試、修改、覆蓋處理，以及不同語言合用功能。但在設計編譯程序時，仍須精心考慮如何與這些子系統銜接等問題。 ^[2] 

編譯程序必須分析源程序，然後綜合成目標程序。首先，檢查源程序的正確性，並把它分解成若干基本成分；其次，再根據這些基本成分建立相應等價的目標程序部分。為了完成這些工作，編譯程序要在分析階段建立一些表格，改造源程序為中間語言形式，以便在分析和綜合時易於引用和加工。

數據結構分析和綜合時所用的主要數據結構，包括符號表、常數表和中間語言程序。符號表由源程序中所用的標識符連同它們的屬性組成，其中屬性包括種類（如變量、數組、結構、函數、過程等）、類型（如整型、實型、字符串、復型、標號等），以及目標程序所需的其他信息。常數表由源程序中用的常數組成，其中包括常數的機內表示，以及分配給它們的目標程序地址。中間語言程序是將源程序翻譯為目標程序前引入的一種中間形式的程序，其表示形式的選擇取決於編譯程序以後如何使用和加工它。常用的中間語言形式有波蘭表示、三元組、四元組以及間接三元組等。

分析部分源程序的分析是經過詞法分析、語法分析和語義分析三個步驟實現的。詞法分析由詞法分析程序（又稱為掃描程序）完成，其任務是識別單詞（即標識符、常數、保留字，以及各種運算符、標點符號等）、造符號表和常數表，以及將源程序換碼為編譯程序易於分析和加工的內部形式。語法分析程序是編譯程序的核心部分，其主要任務是根據語言的語法規則，檢查源程序是否合乎語法。如不合乎語法，則輸出語法出錯信息；如合乎語法，則分解源程序的語法結構，構造中間語言形式的內部程序。語法分析的目的是掌握單詞是怎樣組成語句的，以及語句又是如何組成程序的。語義分析程序是進一步檢查合法程序結構的語義正確性，其目的是保證標識符和常數的正確使用，把必要的信息收集和保存到符號表或中間語言程序中，並進行相應的語義處理。

編譯程序也叫編譯系統，是把用高級語言編寫的面向過程的源程序翻譯成目標程序的語言處理程序。編譯程序把一個源程序翻譯成目標程序的工作過程分為五個階段：詞法分析；語法分析；中間代碼生成；代碼優化；目標代碼生成。主要是進行詞法分析和語法分析，又稱為源程序分析，分析過程中發現有語法錯誤，給出提示信息。

（1） 詞法分析

詞法分析的任務是對由字符組成的單詞進行處理，從左至右逐個字符地對源程序進行掃描，產生一個個的單詞符號，把作為字符串的源程序改造成為單詞符號串的中間程序。執行詞法分析的程序稱為詞法分析程序或掃描器。

源程序中的單詞符號經掃描器分析，一般產生二元式：單詞種別；單詞自身的值。單詞種別通常用整數編碼，如果一個種別只含一個單詞符號，那麼對這個單詞符號，種別編碼就完全代表它自身的值了。若一個種別含有許多個單詞符號，那麼，對於它的每個單詞符號，除了給出種別編碼以外，還應給出自身的值。

詞法分析器一般來説有兩種方法構造：手工構造和自動生成。手工構造可使用狀態圖進行工作，自動生成使用確定的有限自動機來實現。

（2） 語法分析

編譯程序的語法分析器以單詞符號作為輸入，分析單詞符號串是否形成符合語法規則的語法單位，如表達式、賦值、循環等，最後看是否構成一個符合要求的程序，按該語言使用的語法規則分析檢查每條語句是否有正確的邏輯結構，程序是最終的一個語法單位。編譯程序的語法規則可用上下文無關文法來刻畫。

語法分析的方法分為兩種：自上而下分析法和自下而上分析法。自上而下就是從文法的開始符號出發，向下推導，推出句子。而自下而上分析法採用的是移進歸約法，基本思想是：用一個寄存符號的先進後出棧，把輸入符號一個一個地移進棧裏，當棧頂形成某個產生式的一個候選式時，即把棧頂的這一部分歸約成該產生式的左鄰符號。

（3） 中間代碼生成

中間代碼是源程序的一種內部表示，或稱中間語言。中間代碼的作用是可使編譯程序的結構在邏輯上更為簡單明確，特別是可使目標代碼的優化比較容易實現。中間代碼即為中間語言程序，中間語言的複雜性介於源程序語言和機器語言之間。中間語言有多種形式，常見的有逆波蘭記號、四元式、三元式和樹。

（4） 代碼優化

代碼優化是指對程序進行多種等價變換，使得從變換後的程序出發，能生成更有效的目標代碼。所謂等價，是指不改變程序的運行結果。所謂有效，主要指目標代碼運行時間較短，以及佔用的存儲空間較小。這種變換稱為優化。

有兩類優化：一類是對語法分析後的中間代碼進行優化，它不依賴於具體的計算機；另一類是在生成目標代碼時進行的，它在很大程度上依賴於具體的計算機。對於前一類優化，根據它所涉及的程序範圍可分為局部優化、循環優化和全局優化三個不同的級別。

（5） 目標代碼生成

目標代碼生成是編譯的最後一個階段。目標代碼生成器把語法分析後或優化後的中間代碼變換成目標代碼。目標代碼有三種形式：

① 可以立即執行的機器語言代碼，所有地址都重定位；

② 待裝配的機器語言模塊，當需要執行時，由連接裝入程序把它們和某些運行程序連接起來，轉換成能執行的機器語言代碼；

③ 彙編語言代碼，須經過彙編程序彙編後，成為可執行的機器語言代碼。

目標代碼生成階段應考慮直接影響到目標代碼速度的三個問題：一是如何生成較短的目標代碼；二是如何充分利用計算機中的寄存器，減少目標代碼訪問存儲單元的次數；三是如何充分利用計算機指令系統的特點，以提高目標代碼的質量。 ^[3] 

綜合階段必須根據符號表和中間語言程序產生出目標程序，其主要工作包括代碼優化、存儲分配和代碼生成。代碼優化是通過重排和改變程序中的某些操作，以產生更加有效的目標程序。存儲分配的任務是為程序和數據分配運行時的存儲單元。代碼生成的主要任務是產生與中間語言程序符等價的目標程序，順序加工中間語言程序，並利用符號表和常數表中的信息生成一系列的彙編語言或機器語言指令。

編譯過程分為分析和綜合兩個部分，並進一步劃分為詞法分析、語法分析、語義分析、代碼優化、存儲分配和代碼生成等六個相繼的邏輯步驟。這六個步驟只表示編譯程序各部分之間的邏輯聯繫，而不是時間關係。編譯過程既可以按照這六個邏輯步驟順序地執行，也可以按照平行互鎖方式去執行。在確定編譯程序的具體結構時，常常分若干遍實現。對於源程序或中間語言程序，從頭到尾掃視一次並實現所規定的工作稱作一遍。每一遍可以完成一個或相連幾個邏輯步驟的工作。例如，可以把詞法分析作為第一遍；語法分析和語義分析作為第二遍；代碼優化和存儲分配作為第三遍；代碼生成作為第四遍。反之，為了適應較小的存儲空間或提高目標程序質量，也可以把一個邏輯步驟的工作分為幾遍去執行。例如，代碼優化可劃分為代碼優化準備工作和實際代碼優化兩遍進行。

一個編譯程序是否分遍,以及如何分遍,根據具體情況而定。其判別標準可以是存儲容量的大小、源語言的繁簡、解題範圍的寬窄，以及設計、編制人員的多少等。分遍的好處是各遍功能獨立單純、相互聯繫簡單、邏輯結構清晰、優化準備工作充分。缺點是各遍之中不可避免地要有些重複的部分，而且遍和遍之間要有交接工作，因之增加了編譯程序的長度和編譯時間。

一遍編譯程序是一種極端情況，整個編譯程序同時駐留在內存,彼此之間採用調用轉接方式連接在一起(圖2)。當語法分析程序需要新符號時，它就調用詞法分析程序；當它識別出某一語法結構時，它就調用語義分析程序。語義分析程序對識別出的結構進行語義檢查，並調用“存儲分配”和“代碼生成”程序生成相應的目標語言指令。

隨着程序設計語言在形式化、結構化、直觀化和智能化等方面的發展，作為實現相應語言功能的編譯程序，也正向自動程序設計的目標發展，以便提供理想的程序設計工具。

參考書目

陳火旺、錢家驊、孫永強編：《編譯原理》，國防工業出版社，北京，1980。

A.V.Aho, Principles of Compiler Design,Addison Wes-ley, Reading, Massachusetts, 1977.

20世紀80年代以後，程序設計語言在形式化、結構化、直觀化和智能化等方面有了長足的進步和發展，主要表現兩個方面：①隨着程序設計理論和方法的發展，相繼推出了一系列新型程序設計語言，如結構化程序設計語言、併發程序設計語言、分佈式程序設計語言、函數式程序設計語言、智能化程序設計語言、面向對象程序設計語言等；②基於語法、語義和語用方面的研究成果，從不同的角度和層次上深刻地揭示了程序設計語言的內在規律和外在表現形式。與此相應地，作為實現程序設計語言重要手段之一的編譯程序，在體系結構、設計思想、實現技術和處理內容等方面均有不同程度的發展、變化和擴充。

另外，編譯程序已作為實現編程的重要軟件工具，被納入到軟件支援環境的基本層軟件工具之中。因此，規劃編譯程序實現方案時，應從所處的具體軟件支援環境出發，既要遵循整個環境的全局性要求和規定，又要精心考慮與其他諸層軟件 工具之間的相互支援、配合和銜接關係。