前言
| 目錄 |
|---|
| 01 文法和語言、詞法分析復習 |
| 02 自頂向下、自底向上的LR分析復習 |
| 03 語法制導翻譯和中間代碼生成復習 |
| 04 符號表、運行時存儲組織和代碼優化復習 |
| 05 用C++手撕PL/0 |
第8章 靜態語義分析和中間代碼生成(續)
符號表
符號表需要在編譯期間用到，記錄符號的具體信息。本部分只討論PL/0符號表的建立。
PL/0符號表結構
PL/0的符號表包含5個信息：
- NAME，符號名
- KIND，符號類型
- LEVEL/VAL，層次/值。如果類型為CONSTANT，存放的是常量的值；如果類型為VARIABLE或PROCEDURE，存放所屬分程序的層次，主程序的層次為0；在主程序中定義的內容層次為1；主程序內第一層分程序中定義的內容層次為2，以此類推。
- ADR，地址。如果為簡單變量或常量，則記錄的是該量在數據區所占單元的相對地址，用DX表示給本層局部變量分配的相對存儲位置，每說明一個變量后DX加1；如果為過程，則存放該過程的分程序入口地址（需要返填）
- SIZE，大小。該過程內局部變量的個數，再加上過程活動記錄的頭3個單元(DL,SL,RA)（需要返填）
例如下面的程序：
const a = 35, b = 49;
var c, d, e;
procedure p;
var g;
對應的符號表為：
| NAME | KIND | VAL/LEVEL | ADD | SIZE |
|---|---|---|---|---|
| a | CONSTANT | 35 | ||
| b | CONSTANT | 49 | ||
| c | VARIABLE | LEV | DX | |
| d | VARIABLE | LEV | DX+1 | |
| e | VARIABLE | LEV | DX+2 | |
| p | PROCEDURE | LEV | p的入口地址 | 4 |
| g | VARIABLE | LEV+1 | DX |
又例如下面的程序：
const a = 25;
var x, y;
procedure p;
var z;
begin
...
end;
procedure r;
var x, s;
procedure t;
var v;
begin
...
end;
begin
...
end;
begin
...
end.
對應的符號表為：
| NAME | KIND | VAL/LEVEL | ADD | SIZE |
|---|---|---|---|---|
| a | CONSTANT | 25 | ||
| x | VARIABLE | LEV | DX | |
| y | VARIABLE | LEV | DX+1 | |
| p | PROCEDURE | LEV | p的入口地址 | 4 |
| z | VARIABLE | LEV+1 | DX | |
| r | PROCEDURE | LEV | r的入口地址 | 5 |
| x | VARIABLE | LEV+1 | DX | |
| s | VARIABLE | LEV+1 | DX+1 | |
| t | PROCEDURE | LEV+1 | t的入口地址 | 4 |
| v | VARIABLE | LEV+2 | DX |
第9章 運行時存儲組織
PL/0程序運行棧中的過程活動記錄
PL/0程序運行時，每一次過程調用都將在運行棧增加一個過程活動記錄。 其中，當前活動記錄的起始單元由基址寄存器b指出，結束單元是棧頂寄存器t所指單元的前一個單元。
PL/0的過程活動記錄中的頭3個單元是固定的聯系信息：
- 靜態鏈SL：存放的是定義該過程所對應的上一層過程，最近一次運行時的活動記錄的起始單元。
- 動態鏈DL：存放的是調用該過程前正在運行過程的活動記錄的起始單元。過程返回時當前活動記錄要被撤銷，此時需要動態鏈信息來修改基址寄存器b的內容。
- 返回地址RA：記錄該過程返回后應該執行的下一條指令地址，即調用該過程的指令執行時指令地址寄存器p的內容加1
這樣，每當一個過程被調用，就需要在棧上先分配3個空間用來存儲上述信息，然后才是分配空間存儲過程的局部變量。對於主過程，SL=DL=RA=0。
這里給出一道例題。對於下列程序：
var m, n, g:integer;
function gcd(m,n:integer):integer;
begin
if n = 0 then
g := m
else
g := gcd(n, m mod n)
end;
begin
m := 24;
n := 16;
g := gcd(m, n)
end.
它的運行棧為：
這一章可能要考的內容
- 運行棧的填寫（靜態鏈、動態鏈）
- display表（本質上是記錄各個層定義的最新活動記錄），建議自己看書
第10章 代碼優化
優化技術簡介
常用優化技術有：
- 刪除多余運算
- 循環不變代碼外提
- 強度削弱
- 變換循環控制條件
- 合並已知量
- 復寫傳播與刪除無用賦值
刪除多余運算
\((1)T_1:=4*I\\ (2)T_2:=addr(A)-4\\ (3)T_3:=T_2[T_1]\\ (4)T_4:=4*I\\ (5)T_5:=addr(B)-4\\ (6)T_6:=T_5[T_4]\)
可以看到\((4)\)式做了和\((1)\)式重復的工作，可以改寫成\(T_4:=T_1\)
循環不變代碼外提
原代碼：
塊1
\((1)P:=0\\ (2)I:=1\)
塊2
\((3)T_1:=4*I\\ (4)T_2:=addr(A)-4\\ (5)T_3:=T_2[T_1]\\ (6)P:=P+T_3\\ (7)I:=I+1\\ (8)if \;I<=20\;goto\;(3)\)
可以看到\((4)\)式在每次循環都做重復的工作，可以把它提到循環外來，記得修改跳轉：
塊1
\((1)P:=0\\ (2)I:=1\\ (3)T_2:=addr(A)-4\)
塊2
\((4)T_1:=4*I\\ (5)T_3:=T_2[T_1]\\ (6)P:=P+T_3\\ (7)I:=I+1\\ (8)if \;I<=20\;goto\;(4)\)
強度削弱
把強度大的運算換成強度小的運算，比如用加法換乘法：
塊1
\((1)P:=0\\ (2)I:=1\\ (3)T_2:=addr(A)-4\)
塊2
\((4)T_1:=4*I\\ (5)T_3:=T_2[T_1]\\ (6)P:=P+T_3\\ (7)I:=I+1\\ (8)if \;I<=20\;goto\;(4)\)
把\((4)\)式經過處理，並修改跳轉：
塊1
\((1)P:=0\\ (2)I:=1\\ (3)T_1:=0\\ (4)T_2:=addr(A)-4\)
塊2
\((5)T_1:=T_1+4\\ (6)T_3:=T_2[T_1]\\ (7)P:=P+T_3\\ (8)I:=I+1\\ (9)if \;I<=20\;goto\;(5)\)
變換循環控制條件
下面的代碼中，\(I\)和\(T_1\)保持4倍的線性關系：
塊1
\((1)I:=1\\ (2)T_1:=4*I\)
塊2
\((3)P:=T_2[T_1]\\ (4)I:=I+1\\ (5)T_1=T_1+4\\ (6)if\;I<=20\;goto\;(3)\)
可以把循環條件\(I<=20\)改為\(T_1<=80\)，然后修改\(T_1\)的初始賦值，這樣\(I\)在整個循環都沒有被用上，可以剔除：
塊1
\((1)T_1:=4\)
塊2
\((2)P:=T_2[T_1]\\ (3)T_1=T_1+4\\ (4)if\;T_1<=80\;goto\;(2)\)
合並已知量
下面的代碼中，在計算\(4*I\)時，\(I\)必定為1：
\((1)I:=1\\ (2)T_1:=4*I\)
因此可以直接在編譯期間算出它的值是4：
\((1)I:=1\\ (2)T_1:=4\)
復寫傳播和刪除無用賦值
看下面的代碼：
塊1
\((1)T_1:=4\\ (2)I:=1\)
塊2
\((3)T_2:=T_1\\ ...\\ (7)T_3:=T_4[T_2]\\ (8)T_1:=T_1+T_3\\ (9)I:=I+1\\ (10)if\;T_1<=80\;goto\;(3)\)
四元式\((3)\)把\(T_1\)的值寫入\(T_2\)中，但\(T_2\)和\(T_1\)的值在\((3)\)到\((7)\)之間沒有發生改變，故將\((7)\)改為\(T_3:=T_4[T_1]\)
此時\((3)\)式沒有被引用，屬於無用賦值，可以刪掉。
然后，\((2)\),\((9)\)對\(I\)賦值，但也只是自我引用，其余地方沒有需要用到\(I\)，屬於無用賦值，故可以刪掉。
最終變為：
塊1
\((1)T_1:=4\)
塊2
\(...\\ (5)T_3:=T_4[T_1] (6)T_1:=T_1+T_3 (7)if\;T_1<=80\;goto\;(2)\)
基本塊、流圖和循環
基本塊
一個基本塊內部是順序執行的，故內部不能有任何停止、分支、跳轉。
基本塊的划分：
- 條件轉移語句或者無條件轉移語句和下一句語句之間要划分開
- 跳轉的目標語句要和上一句語句之間划分開
例如：
\((1)\quad pi:=3.14\\ (2)\quad ar:=0.0\\ (3)\quad n:=16\\ (4)\quad r:=1\\ (5)\quad if\;n<=1\;goto\;(9)\\ (6)\quad r:=r*n\\ (7)\quad n:=n-1\\ (8)\quad goto\;(5)\\ (9)\quad ar:=2*pi\\ (10)\quad ar:=ar*r\\ (11)\quad print\;ar\)
經過划分后：
B1
\((1)\quad pi:=3.14\\ (2)\quad ar:=0.0\\ (3)\quad n:=16\\ (4)\quad r:=1\)
/////////////////////////////////////////////////
B2
\((5)\quad if\;n<=1\;goto\;(9)\)
/////////////////////////////////////////////////
B3
\((6)\quad r:=r*n\\ (7)\quad n:=n-1\\ (8)\quad goto\;(5)\)
/////////////////////////////////////////////////
B4
\((9)\quad ar:=2*pi\\ (10)\quad ar:=ar*r\\ (11)\quad print\;ar\)
流圖
流圖 是在已經划分基本塊的基礎上，構造一個有向圖。
- 兩個相鄰基本塊如果上面的沒有跳轉，可以直接和下面的相連
- 如果當前基本塊最后存在無條件跳轉，直接和跳轉的目標基本塊相連
- 如果當前基本塊存在最后有條件跳轉，需要先和下面相鄰的基本塊相連，然后和跳轉的目標基本塊相連
上面的基本塊集合為\(\{B1,B2,B3,B4\}\)，可以用有向邊集合\(\{B1\rightarrow B2, B2\rightarrow B3, B3\rightarrow B2, B2\rightarrow B4\}\)，這里不畫圖。
循環
支配結點，指的是對任意兩個結點m和n來說，如果從流圖的首結點出發，到達n的任一通路都要經過m，則稱m是n的支配結點，記為\(m\;DOM\;n\)
下圖是某個程序的流圖，其結點即程序中的基本塊
所有結點的支配結點集D(n)：
\(D(1)=\{1\}\\ D(2)=\{1,2\}\\ D(3)=\{1,2,3\}\\ D(4)=\{1,2,4\}\\ D(5)=\{1,2,4,5\}\\ D(6)=\{1,2,4,6\}\\ D(7)=\{1,2,4,7\}\)
該圖的有向邊集合為：\(\{1\rightarrow 2, 2\rightarrow 3, 2\rightarrow 4, 3\rightarrow 4, 4\rightarrow 2, 4\rightarrow 5, 4\rightarrow 6, 5\rightarrow 7, 6\rightarrow 6, 6\rightarrow 7, 7\rightarrow 4\}\)
回邊指的是存在一條邊\(A\rightarrow B\)，使得\(B\in D(A)\)。故上圖的回邊有\(4\rightarrow 2, 6\rightarrow 6,7\rightarrow4\)
一個循環由其中的一條回邊\(A\rightarrow B\)對應的兩個結點\(B,A\)，以及有通路到達\(A\)而不經過\(B\)的所有結點組成，並且保證\(B\)是該循環的唯一入口結點。
如包含回邊\((6\rightarrow 6)\)的循環為\(\{6\}\)
包含回邊\((7\rightarrow 4)\)的循環為\(\{4,5,6,7\}\)
包含回邊\((4\rightarrow 2)\)的循環為\(\{2,3,4,5,6,7\}\)
這一章可能的考點
- 划分基本表、畫出流圖、求支配集、找回邊、找循環
- 代碼局部優化
PL/0編譯程序
因為居然還有編程填空題這種恐怖存在，需要了解下面這些內容，不然填空都不知道怎么填。
可以用的全局變量如下：
| 全局變量 | 含義 |
|---|---|
| sym | 當前讀取到的符號類型 |
| num | 當前讀取到的值 |
| id | 當前讀取到的標識符名稱 |
| cx | 當前中間代碼將被寫入時的索引 |
| tx | 當前符號表將被寫入的索引 |
| code | 指令數組，類型為instruction |
在分析控制流的函數可以用的變量如下：
| 變量 | 含義 |
|---|---|
| cx1,cx2 | 分別記錄條件為真/假時需要跳轉的地址 |
instruction的結構體如下：
typedef struct
{
int f; // 函數類別
int l; // 層級
int a; // 地址/立即數/操作類別
} instruction;
函數類別和操作類別如下：
enum opcode
{
LIT, // 取立即數
OPR, // 操作
LOD, // 讀取
STO, // 保存
CAL, // 調用
INT, // 初始化空間
JMP, // 無條件跳轉
JPC // 有條件跳轉
};
enum oprcode
{
OPR_RET, OPR_NEG, OPR_ADD, OPR_MIN,
OPR_MUL, OPR_DIV, OPR_ODD, OPR_EQU,
OPR_NEQ, OPR_LES, OPR_LEQ, OPR_GTR,
OPR_GEQ
};
符號類別如下：
enum symtype
{
NUMBER,
// 符號類型
PLUS,
MINUS,
TIMES,
SLASH,
ODD,
EQU, // =
NEQ, // <>
LES, // <
LEQ, // <=
GTR, // >
GEQ, // >=
LPAREN, // (
RPAREN, // )
COMMA, // ,
SEMICOLON, // ;
PERIOD, // .
// 關鍵字
BEGINSYM,
ENDSYM,
IFSYM,
THENSYM,
WHILESYM,
DOSYM,
CALLSYM,
CONSTSYM,
VARSYM,
PROCEDURESYM
}
可以用的全局函數如下：
| 全局函數 | 含義 |
|---|---|
| getsym | 獲取下一個符號的類型到sym。如果sym是number，則num將會存放值；如果sym是標識符，id將存放標識符名稱 |
| gen | 生成下一條指令，cx加1 |
處理while循環的題目
<while語句> ::= <while><條件><do><語句>
case WHILESYM:
__________; // 第一個空為cx1 = cx，記錄JMP要跳轉的位置
getsym();
condition(SymSetAdd(DOSYM, FSYS), LEV, TX);
__________; // 第二個空為cx2 = cx，記錄JPC指令的位置
gen(JPC, 0, 0);
if (__________) // 第三個空為sym == DOSYM，處理到do
getsym();
else
error(18);
statement(fsys, lev, tx);
gen(__________); // 第四個空為jmp, 0, cx1，要知道跳轉回開始判斷條件的地方
__________; // 第五個空為code[cx2].a = cx，回填JPC指令的跳轉位置
break;
處理if或if-else條件語句的題目
if條件語句圖
if-else條件語句圖
<條件語句> ::= <if><條件><then><語句>[<else><語句>]
下題處理了if條件語句和if-else條件語句的情況：
case IFSYM:
getsym();
condition(SymSetUnion(SymSetNew(THENSYM, DOSYM), FSYS), LEV, TX);
if (SYM == THENSYM)
getsym();
else
error(16);
________; // 第一個空為cx1 = cx;，記錄JPC位置待回填
gen(JPC, 0, 0);
statement(SymSetUnion(SymSetNew(ELSESYM), FSYS), LEV, TX);
if (__________) // 第二個空為SYM != ELSESYM，此時在分析else符號
code[cx1].a = cx;
else
{
getsym();
cx2 = cx;
gen(JMP, 0, 0);
__________; // 第三個空為code[cx1].a = cx，此時在分析false部分的語句開頭，回填JPC的地址
statement(FSYS, LEV, TX);
__________; // 第四個空為code[cx2].a = cx，此時為執行完true部分語句后的JMP回填跳轉地址
}
break;