《編譯與反編譯技術實戰》——2.3節編譯器的設計與實作概述

本節書摘來自華章社群《編譯與反編譯技術實戰》一書中的第2章，第2.3節編譯器的設計與實作概述，作者劉曉楠　陶紅偉　嶽峰　戴超，更多章節内容可以通路雲栖社群“華章社群”公衆号檢視

2.3　編譯器的設計與實作概述

根據不同的用途和側重點，編譯程式可以進一步分類，換句話說，有許多不同種類的編譯器變體。譬如：用于幫助程式開發和調試的編譯程式稱為診斷編譯程式，這類編譯器可對程式進行詳細檢查并報告錯誤；另一類側重于提高目标代碼效率的編譯程式稱為優化編譯程式，這類編譯器通常使用多種混合的“變換”來改善程式的性能，但這往往是以編譯器的複雜性和編譯時間的增加為代價的。通常，将運作編譯程式的機器成為主控端，将運作編譯程式所産生的目标代碼的機器稱為目标機。如果一個編譯程式産生不同于其主控端指令集的機器代碼，則稱它為交叉編譯程式（cross compiler）。還有一類編譯器，其目标機器可以改變，而不需要重寫它的與機器無關的元件，這類編譯器稱為可再目标編譯器（retargetable compiler），通常，這類編譯器難以生成高效的代碼，因為其難以利用特殊情況和目标機器特性。目前，很多編譯程式同時提供了調試、優化、交叉編譯等多種功能，使用者可以通過“編譯選項”進行選擇。

編譯器本身也是一個程式，這個程式是怎麼編寫的呢？早期人們使用彙編語言編寫編譯器。雖然用彙編語言編寫的編譯器代碼效率很高，但由于彙編語言程式設計與進階語言程式設計相比難度較大，對編譯器這種複雜的系統編寫起來效率不高，是以，後來人們改用進階語言來編寫編譯器。随着編譯技術的逐漸成熟，一些專門的編譯器編寫工具相繼湧現，比較成熟和通用的工具有詞法分析器生成器（如lex）和文法分析器生成器（如yacc）等。還有一些工具，如用于語義分析的文法制導翻譯工具、用于目标代碼生成的自動的代碼生成器、用于優化的資料流工具等。下面簡單介紹利用一些工具實作一個新的語言編譯器的基本流程。

2.3.1　利用flex和bison實作詞法和文法分析

在unix環境中編寫程式，你往往會邂逅神秘的lex和yacc，而gnu/linux使用者則會邂逅flex和bison。

flex是一個與lex相容的詞法分析器生成器，可以用它來生成一個新的語言的詞法分析器，flex就是由vern paxon實作的一個lex，使用它既可以節省時間，也可以提高正确性。

bison是一個與yacc相容的文法分析器生成器，可以用它來生成一個新的語言的文法分析器，使用它也可以提高正确性并節省開發時間，實際上，bison是一個可以把符合 lalr(1)文法規範的上下文無關文法轉換成 c語言程式的文法分析器生成器，是一個gnu版本的yacc。

實作一種新語言，需要做的工作主要包括設計文法、進行文法制導的翻譯、優化和代碼生成，而後續的工作還可以由llvm的相關工具提供支援。

2.3.2　利用llvm實作代碼優化和代碼生成

llvm是一個包含一系列子產品化可重用編譯器和工具鍊技術的項目。llvm主要的子項目有llvm core libraries、clang、dragonegg、lldb等。其中llvm core libraries

（llvm核心庫）提供了一個不依賴于目标平台的優化器，同時還為許多典型架構的cpu提供了代碼生成的支援。這些庫是圍繞着一個有詳細說明的中間代碼表示形式（llvm ir）建立起來的。也就是說，隻要能夠把待設計的語言翻譯成llvm ir這種中間語言，就可以利用llvm完成代碼優化和代碼生成的工作。當然，這要求目标cpu架構必須是llvm已經支援的，否則就得自己完成代碼生成的工作。clang是一個llvm自身的c/c++/objective-c編譯器，目标是提供快速的編譯。

dragonegg的功能是把llvm的優化器、代碼生成器和gcc 4.5的分析器結合在一起，這樣就使得llvm能夠編譯像ada、fortran等其他gcc編譯器前端支援的語言，且能夠擁有一些clang不支援的c特性（如openmp等）。lldb則是建立在llvm庫和clang之上的一個非常好的本地調試器。