《编译期末复习》课件

编译期末复习本课程涵盖了编译器设计与实现的核心概念和技术，包括词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化和代码生成等。期末复习将帮助您巩固所学知识，并为考试做好充分准备。本次复习内容概览1编译概述介绍编译器的工作原理，涵盖编译器的角色、结构和编译过程。2词法分析和语法分析讲解词法分析和语法分析的原理和实践，包括正则表达式、自动机和语法分析方法。3中间代码生成和优化深入探讨中间代码生成、类型检查、代码优化技术以及目标代码生成。4运行时系统和链接装载技术重点介绍运行时系统的关键组件、存储管理、垃圾回收算法以及链接装载技术。编译概述编译器是将高级语言编写的源代码转换为机器语言的可执行代码的程序。它可以分为词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化和目标代码生成等阶段。编译器的核心目标是确保程序代码的正确性和效率，并为程序的运行提供必要的环境支持。编译过程及其各个阶段1词法分析将源代码分解成一个个单词，例如关键字、标识符、常量等。2语法分析检查代码的语法是否正确，并构建语法树。3语义分析检查代码的语义是否正确，例如类型是否匹配。4中间代码生成将代码转换成一种中间表示形式，例如三地址码。5代码优化对中间代码进行优化，例如消除冗余代码。最后，编译器会将中间代码转换成目标代码，即目标机器的指令序列。词法分析词法分析是编译器的第一个阶段。它将源代码转换为一系列词法单元，也称为标记。标记包含一个类别和一个可选的值，例如标识符、关键字、运算符、常量等。词法分析器识别源代码中的每个标记，并将其分类到预定义的类别中。它还负责将常量转换为相应的内部表示，例如整数、浮点数和字符串。正则表达式基础模式匹配正则表达式描述文本模式。它用于查找、替换和验证文本。字符类字符类表示一组字符。例如，[a-z]表示所有小写字母。量词量词指定模式出现的次数。例如，*表示零次或多次。特殊字符特殊字符具有特殊含义。例如，\.表示匹配一个点。自动机与词法分析器生成1有限自动机有限自动机是一种抽象计算模型，能够识别正则表达式描述的语言。2状态转换图有限自动机可以用状态转换图来表示，图中的节点代表状态，边代表状态之间的转移，边上的标签表示输入符号。3词法分析器生成工具例如lex工具，它可以将正则表达式描述的词法规则自动转换为词法分析器代码。语法分析语法分析是编译器的重要阶段，其目标是将词法分析生成的词法单元序列转换为语法树或抽象语法树。语法分析器检查输入是否符合编程语言的语法规则，并确保代码的结构正确。自顶向下分析语法分析方法自顶向下分析是一种语法分析方法，从文法的开始符号出发，逐步推导输入字符串。预测分析预测分析表用于指导分析过程，根据当前符号和状态预测下一步操作。递归下降分析每个非终结符对应一个递归下降函数，通过调用函数进行分析。优点易于理解和实现，适合于较小的语法。缺点对于左递归文法，可能导致无限循环；对于非LL(1)文法，可能无法找到合适的预测分析表。自底向上分析自底向上分析是一种语法分析方法，它从输入符号串的开始位置开始，逐步构建语法树。1归约将符号串归约为非终结符。2移进将输入符号移进栈。3状态机控制分析过程。自底向上分析以状态机的形式进行，通过移进和归约操作逐步构建语法树。这种方法也被称为移进归约分析。语法制导翻译代码生成语法制导翻译是将语法分析与代码生成结合起来的方法。语法树解析该方法通过遍历语法树，根据每个节点的语法规则生成目标代码。流程语法制导翻译能够有效地提高编译器代码生成阶段的效率和准确性。中间代码生成中间代码形式中间代码是源代码的一种抽象表示，通常以三地址码形式表示。它独立于目标机器，便于优化和目标代码生成。中间代码生成过程语法分析树被转换为中间代码，涉及到变量和表达式转换、控制流结构转换等。中间代码的优缺点中间代码简化了编译器设计，同时便于代码优化，但也增加了编译过程的复杂度。类型检查静态类型检查在编译时进行类型检查，可以发现代码中的类型错误。常见于编译型语言。动态类型检查在运行时进行类型检查，允许不同类型的变量在运行时进行操作。常见于解释型语言。存储管理内存分配编译器将程序中的变量、函数和数据结构分配到内存空间中。内存管理编译器需要有效管理内存资源，避免内存泄漏和内存溢出等问题。地址绑定编译器需要将程序中的逻辑地址转换为物理地址，以实现程序的执行。代码优化技术代码优化使代码更高效，更快执行，减少内存占用。提升性能，提高用户体验。优化策略包括算法优化、数据结构优化、代码重构等。优化效果代码运行速度更快、占用内存更少、代码结构更清晰、可读性更高。指令选择指令集每个目标机器都有自己的指令集，不同的指令集有不同的指令类型和功能。代码优化选择合适的指令可以提高代码效率，例如选择更快的指令、减少指令数量、减少内存访问次数。目标机器指令选择需要考虑目标机器的架构，例如处理器类型、指令集、内存结构等。代码生成指令选择是代码生成过程中的重要步骤，它直接影响着目标代码的执行效率。寄存器分配11.寄存器分配概述将变量分配到寄存器中，最大限度地减少内存访问，提升执行速度。22.寄存器分配算法贪心算法、图着色算法、线性规划算法等。33.寄存器分配策略优先分配频繁使用的变量，分配较大的寄存器给重要变量。44.寄存器分配优化在编译过程中进行优化，减少寄存器冲突，提升代码效率。指令调度1优化目标提高指令执行效率，减少CPU停顿。2调度策略静态调度：编译阶段，动态调度：运行时。3常见技术循环展开、流水线技术、指令级并行。4性能评估执行时间、指令吞吐量等指标评估调度效果。基本块和控制流图基本块是代码中的一段连续指令序列，没有跳转进入，只有一个出口跳转。控制流图则是将基本块作为节点，用边来表示控制流，可以直观地展示程序的控制流程。数据流分析数据流分析用于确定程序中变量的值如何传播。活跃变量分析找出在每个程序点可能被使用的变量。可用表达式分析找出在每个程序点，哪些计算结果是可以重用的。常量传播将常量值传播到程序中的所有使用点。循环优化循环展开通过将循环体复制多次，减少循环次数，提高效率。循环合并将多个循环合并成一个，减少循环次数。循环不变式外提将循环中不变的代码提取到循环体外，减少重复计算。循环强度削弱使用更简单的运算代替复杂运算，减少循环体执行时间。过程内优化基本块优化基本块优化指的是针对程序中基本块的优化，例如常量传播、死代码消除和强度削弱等。循环优化循环优化侧重于减少循环的执行时间，常见方法包括循环展开、循环不变式外提和循环合并等。代码移动代码移动是指将代码块移动到更合适的位置以提高执行效率，例如将循环内不变的代码移动到循环外。过程间优化消除冗余代码在多个函数中重复使用的代码可以提取到公共函数，减少代码冗余，提高效率。函数内联将频繁调用的函数代码嵌入到调用函数中，避免函数调用开销，提升执行速度。跨过程分析分析不同函数之间的调用关系和数据流，优化全局代码结构，提高程序性能。常量传播将常量值传播到程序中，减少常量值的计算，提高代码效率。目标代码生成机器语言将中间代码转换为目标机器的机器指令，并进行地址分配，生成可执行程序。汇编语言目标代码通常以汇编语言的形式输出，需要进一步组装成机器指令。优化在目标代码生成阶段，可进行一些优化，提高代码效率和性能。机器依赖优化技术指令选择不同指令集架构存在差异，选择更优指令。例如，使用SSE指令集提高浮点运算效率。寄存器分配优化寄存器使用，减少内存访问次数。例如，使用贪心算法或图着色算法。指令调度重排指令执行顺序，减少指令流水线停顿。例如，使用列表调度或循环调度算法。运行时系统运行时系统功能管理内存、处理异常、支持线程和进程、提供程序库和工具，为程序提供运行环境。程序执行过程程序加载到内存中，运行时系统负责程序执行的各个步骤，包括启动、运行、终止等。存储管理技术1内存分配策略内存分配策略决定如何为运行程序分配内存空间。常见的策略包括连续分配和非连续分配。2页面管理将程序代码和数据划分为页面，并存储在内存的非连续空间中。页面管理技术提高内存利用率和程序执行效率。3虚拟内存通过使用硬盘作为辅助存储器，虚拟内存扩展了可用内存空间，允许运行更大的程序。4内存保护内存保护机制通过硬件和软件手段，防止程序访问未授权的内存区域，确保系统稳定性。垃圾回收算法引用计数跟踪每个对象的引用数量。当引用计数为零时，对象会被回收。标记-清除标记所有可达对象，然后清除所有未被标记的对象。复制将内存分成两个空间，将存活对象复制到另一个空间，然后清除旧空间。分代收集将对象分成多个代，根据对象的存活时间选择不同的回收算法。异常处理机制异常检测编译器需要识别可能导致运行时错误的代码段。例如，除零操作、数组越界访问、空指针访问等。异常处理机制编译器需要提供机制来处理这些错误，例如，抛出异常、捕获异常、异常处理程序。错误恢复编译器需要能够在发生错误后恢复程序执行，尽可能地减少错误的影响。链接装载技术静态链接在程序执行之前，将所有目标模块以及所需的库函