编译原理及实现

本书系统介绍了经典的编译理论和技术，同时也包含了面向对象语言等当前较新语言的编译技术。本书更可贵之处在于提供了较完整的适用于教学实践的样例语言，是一本理论和实践内容相结合的、不可多得的好书。 本书可用作大专院校教材、教师参考书以及编译器研究人员的参考资料。 目 录 译者序 前言 第1章 概论 1 1.1 为什么要用编译器 2 1.2 与编译器相关的程序 3 1.3 翻译步骤 5 1.4 编译器中的主要数据结构 8 1.5 编译器结构中的其他问题 10 1.6 自举与移植 12 1.7 TINY样本语言与编译器 14 1.7.1 TINY语言 15 1.7.2 TINY编译器 15 1.7.3 TM机 17 1.8 C-Minus：编译器项目的一种语言 18 练习 19 注意与参考 20 第2章 词法分析 21 2.1 扫描处理 21 2.2 正则表达式 23 2.2.1 正则表达式的定义 23 2.2.2 正则表达式的扩展 27 2.2.3 程序设计语言记号的正则表达式 29 2.3 有穷自动机 32 2.3.1 确定性有穷自动机的定义 32 2.3.2 先行、回溯和非确定性自动机 36 2.3.3 用代码实现有穷自动机 41 2.4 从正则表达式到DFA 45 2.4.1 从正则表达式到NFA 45 2.4.2 从NFA到DFA 48 2.4.3 利用子集构造模拟NFA 50 2.4.4 将DFA中的状态数最小化 51 2.5 TINY扫描程序的实现 52 2.5.1 为样本语言TINY实现一个扫描 程序 53 2.5.2 保留字与标识符 56 2.5.3 为标识符分配空间 57 2.6 利用Lex 自动生成扫描程序 57 2.6.1 正则表达式的Lex 约定 58 2.6.2 Lex输入文件的格式 59 2.6.3 使用Lex的TINY扫描程序 64 练习 65 编程练习 67 注意与参考 67 第3章 上下文无关文法及分析 69 3.1 分析过程 69 3.2 上下文无关文法 70 3.2.1 与正则表达式比较 70 3.2.2 上下文无关文法规则的说明 71 3.2.3 推导及由文法定义的语言 72 3.3 分析树与抽象语法树 77 3.3.1 分析树 77 3.3.2 抽象语法树 79 3.4 二义性 83 3.4.1 二义性文法 83 3.4.2 优先权和结合性 85 3.4.3 悬挂else问题 87 3.4.4 无关紧要的二义性 89 3.5 扩展的表示法：EBNF和语法图 89 3.5.1 EBNF表示法 89 3.5.2 语法图 91 3.6 上下文无关语言的形式特性 93 3.6.1 上下文无关语言的形式定义 93 3.6.2 文法规则和等式 94 3.6.3 乔姆斯基层次和作为上下文无关 规则的语法局限 95 3.7 TINY语言的语法 97 3.7.1 TINY的上下文无关文法 97 3.7.2 TINY编译器的语法树结构 98 练习 101 注意与参考 104 第4章 自顶向下的分析 105 4.1 使用递归下降分析算法进行自顶向下 的分析 105 4.1.1 递归下降分析的基本方法 105 4.1.2 重复和选择：使用EBNF 107 4.1.3 其他决定问题 112 4.2 LL(1)分析 113 4.2.1 LL(1)分析的基本方法 113 4.2.2 LL(1)分析与算法 114 4.2.3 消除左递归和提取左因子 117 4.2.4 在LL(1)分析中构造语法树 124 4.3 First集合和Follow集合 125 4.3.1 First 集合 125 4.3.2 Follow 集合 130 4.3.3 构造LL(1)分析表 134 4.3.4 再向前：LL(k)分析程序 135 4.4 TINY语言的递归下降分析程序 136 4.5 自顶向下分析程序中的错误校正 137 4.5.1 在递归下降分析程序中的错误 校正 138 4.5.2 在LL(1)分析程序中的错误校正 140 4.5.3 在TINY分析程序中的错误校正 141 练习 143 编程练习 146 注意与参考 148 第5章 自底向上的分析 150 5.1 自底向上分析概览 151 5.2 LR(0)项的有穷自动机与LR(0)分析 153 5.2.1 LR(0)项 153 5.2.2 项目的有穷自动机 154 5.2.3 LR(0)分析算法 157 5.3 SLR(1)分析 160 5.3.1 SLR(1)分析算法 160 5.3.2 用于分析冲突的消除二义性 规则 163 5.3.3 SLR(1)分析能力的局限性 164 5.3.4 SLR(k)文法 165 5.4 一般的LR(1)和LALR(1)分析 166 5.4.1 LR(1)项的有穷自动机 166 5.4.2 LR(1)分析算法 169 5.4.3 LALR(1)分析 171 5.5 Yacc：一个LALR(1)分析程序的 生成器 173 5.5.1 Yacc基础 173 5.5.2 Yacc选项 176 5.5.3 分析冲突与消除二义性的规则 180 5.5.4 描述Yacc分析程序的执行 183 5.5.5 Yacc中的任意值类型 184 5.5.6 Yacc中嵌入的动作 185 5.6 使用Yacc生成TINY分析程序 186 5.7 自底向上分析程序中的错误校正 188 5.7.1 自底向上分析中的错误检测 188 5.7.2 应急方式错误校正 188 5.7.3 Yacc中的错误校正 189 5.7.4 TINY中的错误校正 192 练习 192 编程练习 195 注意与参考 197 第6章 语义分析 198 6.1 属性和属性文法 199 6.1.1 属性文法 200 6.1.2 属性文法的简化和扩充 206 6.2 属性计算算法 207 6.2.1 相关图和赋值顺序 208 6.2.2 合成和继承属性 212 6.2.3 作为参数和返回值的属性 219 6.2.4 使用扩展数据结构存储属性值 221 6.2.5 语法分析时属性的计算 223 6.2.6 语法中属性计算的相关性 226 6.3 符号表 227 6.3.1 符号表的结构 228 6.3.2 说明 230 6.3.3 作用域规则和块结构 232 6.3.4 同层说明的相互作用 236 6.3.5 使用符号表的属性文法的一个 扩充例子 237 6.4 数据类型和类型检查 241 6.4.1 类型表达式和类型构造器 242 6.4.2 类型名、类型说明和递归类型 246 6.4.3 类型等价 248 6.4.4 类型推论和类型检查 253 6.4.5 类型检查的其他主题 255 6.5 TINY语言的语义分析 257 6.5.1 TINY的符号表 258 6.5.2 TINY语义分析程序 259 练习 260 编程练习 264 注意与参考 264 第7章 运行时环境 266 7.1 程序执行时的存储器组织 266 7.2 完全静态运行时环境 269 7.3 基于栈的运行时环境 271 7.3.1 没有局部过程的基于栈的环境 271 7.3.2 带有局部过程的基于栈的环境 281 7.3.3 带有过程参数的基于栈的环境 284 7.4 动态存储器 286 7.4.1 完全动态运行时环境 286 7.4.2 面向对象的语言中的动态存储器 287 7.4.3 堆管理 289 7.4.4 堆的自动管理 292 7.5 参数传递机制 292 7.5.1 值传递 293 7.5.2 引用传递 294 7.5.3 值结果传递 295 7.5.4 名字传递 295 7.6 TINY语言的运行时环境 296 练习 297 编程练习 303 注意与参考 304 第8章 代码生成 305 8.1 中间代码和用于代码生成的数据 结构 305 8.1.1 三地址码 306 8.1.2 用于实现三地址码的数据结构 308 8.1.3 P-代码 310 8.2 基本的代码生成技术 312 8.2.1 作为合成属性的中间代码或目标 代码 312 8.2.2 实际的代码生成 314 8.2.3 从中间代码生成目标代码 317 8.3 数据结构引用的代码生成 319 8.3.1 地址计算 319 8.3.2 数组引用 320 8.3.3 栈记录结构和指针引用 325 8.4 控制语句和逻辑表达式的代码生成 328 8.4.1 if 和while 语句的代码生成 328 8.4.2 标号的生成和回填 330 8.4.3 逻辑表达式的代码生成 330 8.4.4 if 和while 语句的代码生成过程 样例 331 8.5 过程和函数调用的代码生成 334 8.5.1 过程和函数的中间代码 334 8.5.2 函数定义和调用的代码生成过程 336 8.6 商用编译器中的代码生成：两个案 例研究 339 8.6.1 对于80×86的Borland 3.0版C编 译器 339 8.6.2 Sun SparcStation的Sun 2.0 C编 译器 343 8.7 TM：简单的目标机器 346 8.7.1 Tiny Machine的基本结构 347 8.7.2 TM模拟器 349 8.8 TINY语言的代码生成器 351 8.8.1 TINY代码生成器的TM接口 351 8.8.2 TINY代码生成器 352 8.8.3 用TINY编译器产生和使用TM 代码文件 354 8.8.4 TINY编译器生成的TM代码文 件示例 355 8.9 代码优化技术考察 357 8.9.1 代码优化的主要来源 358 8.9.2 优化分类 360 8.9.3 优化的数据结构和实现技术 362 8.10 TINY代码生成器的简单优化 366 8.10.1 将临时变量放入寄存器 366 8.10.2 在寄存器中保存变量 367 8.10.3 优化测试表达式 367 练习 368 编程练习 371 注意与参考 372 附录A 编译器设计方案 373 附录B 小型编译器列表 381 附录C Tiny Machine模拟器列表 417 1.8 C-Minus：编译器项目的一种语言 18 练习 19 注意与参考 20 第2章 词法分析 21 2.1 扫描处理 21 2.2 正则表达式 23 2.2.1 正则表达式的定义 23 2.2.2 正则表达式的扩展 27 2.2.3 程序设计语言记号的正则表达式 29 2.3 有穷自动机 32 2.3.1 确定性有穷自动机的定义 32 2.3.2 先行、回溯和非确定性自动机 36 2.3.3 用代码实现有穷自动机 41 2.4 从正则表达式到DFA 45 2.4.1 从正则表达式到NFA 45 2.4.2 从NFA到DFA 48 2.4.3 利用子集构造模拟NFA 50 2.4.4 将DFA中的状态数最小化 51 2.5 TINY扫描程序的实现 52 2.5.1 为样本语言TINY实现一个扫描 程序 53 2.5.2 保留字与标识符 56 2.5.3 为标识符分配空间 57 2.6 利用Lex 自动生成扫描程序 57 2.6.1 正则表达式的Lex 约定 58 2.6.2 Lex输入文件的格式 59 2.6.3 使用Lex的TINY扫描程序 64 练习 65 编程练习 67 注意与参考 67 第3章 上下文无关文法及分析 69 3.1 分析过程 69 3.2 上下文无关文法 70 3.2.1 与正则表达式比较 70 3.2.2 上下文无关文法规则的说明 71 3.2.3 推导及由文法定义的语言 72 3.3 分析树与抽象语法树 77 3.3.1 分析树 77 3.3.2 抽象语法树 79 3.4 二义性 83 3.4.1 二义性文法 83 3.4.2 优先权和结合性 85 3.4.3 悬挂else问题 87 3.4.4 无关紧要的二义性 89 3.5 扩展的表示法：EBNF和语法图 89 3.5.1 EBNF表示法 89 3.5.2 语法图 91 3.6 上下文无关语言的形式特性 93 3.6.1 上下文无关语言的形式定义 93 3.6.2 文法规则和等式 94 3.6.3 乔姆斯基层次和作为上下文无关 规则的语法局限 95 3.7 TINY语言的语法 97 3.7.1 TINY的上下文无关文法 97 3.7.2 TINY编译器的语法树结构 98 练习 101 注意与参考 104 第4章 自顶向下的分析 105 4.1 使用递归下降分析算法进行自顶向下 的分析 105 4.1.1 递归下降分析的基本方法 105 4.1.2 重复和选择：使用EBNF 107 4.1.3 其他决定问题 112 4.2 LL(1)分析 113 4.2.1 LL(1)分析的基本方法 113 4.2.2 LL(1)分析与算法 114 4.2.3 消除左递归和提取左因子 117 4.2.4 在LL(1)分析中构造语法树 124 4.3 First集合和Follow集合 125 4.3.1 First 集合 125 4.3.2 Follow 集合 130 4.3.3 构造LL(1)分析表 134 4.3.4 再向前：LL(k)分析程序 135 4.4 TINY语言的递归下降分析程序 136 4.5 自顶向下分析程序中的错误校正 137 4.5.1 在递归下降分析程序中的错误 校正 138 4.5.2 在LL(1)分析程序中的错误校正 140 4.5.3 在TINY分析程序中的错误校正 141 练习 143 编程练习 146 注意与参考 148 第5章 自底向上的分析 150 5.1 自底向上分析概览 151 5.2 LR(0)项的有穷自动机与LR(0)分析 153 5.2.1 LR(0)项 153 5.2.2 项目的有穷自动机 154 5.2.3 LR(0)分析算法 157 5.3 SLR(1)分析 160 5.3.1 SLR(1)分析算法 160 5.3.2 用于分析冲突的消除二义性 规则 163 5.3.3 SLR(1)分析能力的局限性 164 5.3.4 SLR(k)文法 165 5.4 一般的LR(1)和LALR(1)分析 166 5.4.1 LR(1)项的有穷自动机 166 5.4.2 LR(1)分析算法 169 5.4.3 LALR(1)分析 171 5.5 Yacc：一个LALR(1)分析程序的 生成器 173 5.5.1 Yacc基础 173 5.5.2 Yacc选项 176 5.5.3 分析冲突与消除二义性的规则 180 5.5.4 描述Yacc分析程序的执行 183 5.5.5 Yacc中的任意值类型 184 5.5.6 Yacc中嵌入的动作 185 5.6 使用Yacc生成TINY分析程序 186 5.7 自底向上分析程序中的错误校正 188 5.7.1 自底向上分析中的错误检测 188 5.7.2 应急方式错误校正 188 5.7.3 Yacc中的错误校正 189 5.7.4 TINY中的错误校正 192 练习 192 编程练习 195 注意与参考 197 第6章 语义分析 198 6.1 属性和属性文法 199 6.1.1 属性文法 200 6.1.2 属性文法的简化和扩充 206 6.2 属性计算算法 207 6.2.1 相关图和赋值顺序 208 6.2.2 合成和继承属性 212 6.2.3 作为参数和返回值的属性 219 6.2.4 使用扩展数据结构存储属性值 221 6.2.5 语法分析时属性的计算 223 6.2.6 语法中属性计算的相关性 226 6.3 符号表 227 6.3.1 符号表的结构 228 6.3.2 说明 230 6.3.3 作用域规则和块结构 232 6.3.4 同层说明的相互作用 236 6.3.5 使用符号表的属性文法的一个 扩充例子 237 6.4 数据类型和类型检查 241 6.4.1 类型表达式和类型构造器 242 6.4.2 类型名、类型说明和递归类型 246 6.4.3 类型等价 248 6.4.4 类型推论和类型检查 253 6.4.5 类型检查的其他主题 255 6.5 TINY语言的语义分析 257 6.5.1 TINY的符号表 258 6.5.2 TINY语义分析程序 259 练习 260 编程练习 264 注意与参考 264 第7章 运行时环境 266 7.1 程序执行时的存储器组织 266 7.2 完全静态运行时环境 269 7.3 基于栈的运行时环境 271 7.3.1 没有局部过程的基于栈的环境 271 7.3.2 带有局部过程的基于栈的环境 281 7.3.3 带有过程参数的基于栈的环境 284 7.4 动态存储器 286 7.4.1 完全动态运行时环境 286 7.4.2 面向对象的语言中的动态存储器 287 7.4.3 堆管理 289 7.4.4 堆的自动管理 292 7.5 参数传递机制 292 7.5.1 值传递 293 7.5.2 引用传递 294 7.5.3 值结果传递 295 7.5.4 名字传递 295 7.6 TINY语言的运行时环境 296 练习 297 编程练习 303 注意与参考 304 第8章 代码生成 305 8.1 中间代码和用于代码生成的数据 结构 305 8.1.1 三地址码 306 8.1.2 用于实现三地址码的数据结构 308 8.1.3 P-代码 310 8.2 基本的代码生成技术 312 8.2.1 作为合成属性的中间代码或目标 代码 312 8.2.2 实际的代码生成 314 8.2.3 从中间代码生成目标代码 317 8.3 数据结构引用的代码生成 319 8.3.1 地址计算 319 8.3.2 数组引用 320 8.3.3 栈记录结构和指针引用 325 8.4 控制语句和逻辑表达式的代码生成 328 8.4.1 if 和while 语句的代码生成 328 8.4.2 标号的生成和回填 330 8.4.3 逻辑表达式的代码生成 330 8.4.4 if 和while 语句的代码生成过程 样例 331 8.5 过程和函数调用的代码生成 334 8.5.1 过程和函数的中间代码 334 8.5.2 函数定义和调用的代码生成过程 336 8.6 商用编译器中的代码生成：两个案 例研究 339 8.6.1 对于80×86的Borland 3.0版C编 译器 339 8.6.2 Sun SparcStation的Sun 2.0 C编 译器 343 8.7 TM：简单的目标机器 346 8.7.1 Tiny Machine的基本结构 347 8.7.2 TM模拟器 349 8.8 TINY语言的代码生成器 351 8.8.1 TINY代码生成器的TM接口 351 8.8.2 TINY代码生成器 352 8.8.3 用TINY编译器产生和使用TM 代码文件 354 8.8.4 TINY编译器生成的TM代码文 件示例 355 8.9 代码优化技术考察 357 8.9.1 代码优化的主要来源 358 8.9.2 优化分类 360 8.9.3 优化的数据结构和实现技术 362 8.10 TINY代码生成器的简单优化 366 8.10.1 将临时变量放入寄存器 366 8.10.2 在寄存器中保存变量 367 8.10.3 优化测试表达式 367 练习 368 编程练习 371 注意与参考 372 附录A 编译器设计方案 373 附录B 小型编译器列表 381 附录C Tiny Machine模拟器列表 417