序言：

一个现代的优化器中包含有各式各样的技术。编译器使用贪婪启发式搜索来探索很大的解空间，使用确定性有限自动机来识别输入中的单词，不动点算法用于判断程序的行为，通过定理证明程序和代数化简器来预测表达式的值。编译器使用快速匹配算法将抽象计算映射到机器层次的操作，它们使用线性丢番图方程和普锐斯伯格算术来分析数组下标。编译器使用了大量的经典算法和数据结构，如散列表，图算法，和稀疏集实现方法等

第一章：编译概观

简介

|| 编译器是一个计算机程序（类似OS），负责将一种语言编写的编写程序转换为令一种语言编写的程序。编译器的主要组件有：编译器，解释器，自动转换

|| 概念实现的路线图：
编译器为了实现其语言转换功能，那么就必须有以下功能：

• 理解输入语言的形式和内容(即语法和语义)。
• 理解输出语言的形式和内容(即语法和语义)。
• 映射方案：将源语言映射到目标语言的法则

|| 由以上功能需求，我们可以得到编译器的结构：

• 前端：用于处理源语言
• 后端：用于处理目标语言
• 中间形式：将前后端连接起来
• 优化器：改进优化转换，用于分析并重写中间形式

|| 有关程序设计语言的说明：
作用：我们使用程序设计语言将计算表达为操作的序列，计算机程序就是一种由程序设计语言编写的抽象操作序列。
特点：1，其中的程序设计语言是用来精确表示计算的形式语言 2，是一种不允许有二义性的语言。3，往往具有较高的抽象性

|| 编译器若输出的仍是面对人类的程序设计语言，而非计算机的汇编语言。则称其为 由源到源的转换器

|| 解释器和编译器的区别：

• 编译器的输入是一个可执行的规格，输出的是另一种可执行的规格
• 编译器的输入是一个可执行的规格，输出的是执行该规格的结果

|| 解释器和编译器的共同之处：

• 都要分析输入的可执行规格，判断是否有效
• 都会建立一个内部模型，表示输入的结构和语义。
• 都要确定执行期间何处储存值

|| 一些语言在转换方案上的区别：
APL，Scheme，更多的是用解释器实现的，而非编译器
Java，即包括编译，也包括解释来实现：（以下粗略表示过程）

1. java源代码编译为一种被称为字节码的形式
2. 在对应的java虚拟机（JVM）上运行字节码执行程序，JVM就是一种字节码的解释器

|| 编译器的基本原则：
1：编译器必须保存被编译程序的语义 — 保存是为了在编译过程中保持正确性(防止二义性)
2：编译器必须以某种课察觉的方式来改进输入程序。例如c语言的源到源的转换器一定程度上由于输入程序，将输入程序改进源程序使得其有更好的可用性和一般性

编译器的结构

|| 结构说明：
前端的工作涉及理解源程序并将其分析结果以IR的形式记录下来；
优化器的工作专注于改进IR的形式；
后端的工作则是将转化优化后的IR映射到有限的资源上

|| 编译后代码的实际性能取决于：优化器和后端这两个阶段中使用的技术之间的相互交互的好坏，共同决定（并不是优化功能好，映射功能强，编译效果就好，之间的关联很重要）

转换概述

前端中：
|| 原因：需要先翻译源代码

|| 前端中进行的转换：

1. 语法检查：

   || 什么是语法：
   某种规则的有限集定义，称为“语法”。我们通常将句子按词类划分，这样可以通过单一语法规则描述很多句子
   || 前端中进行的两趟单独处理，分别称为“词法分析器”和“语法分析器”，来判断输入代码实际上是否属于语法定义中的有效集合

   || 词类分析器：
   进行划分归类工作：识别一句话中各个单词，并将每个单词归入对应的词类中，以形如(p, s)的对的形式归类(p表示单词s的词类)
   作用：将句子划分成已归类的单词构成的流

   || 语法分析器：
   进行解析(语法分析工作)：根据指定的输入语言的语法规则，匹配已分类单词的流，进行推导
   作用：判断输入流是不是源语言中的一个句子(即是否满足源语言语法的句子)。

   || 类型检查
   进行类型检查工作：对语法良构的句子进行类型判断(字符串/整型…)
   作用：检查输入程序中对名字的使用在类型上是否一致

2. 中间表示
   生成出代码的IR形式，由于会生成各种种类的IR形式，故会涉及到选择策略问题

优化器中：

|| 原因：IR程序运行时，语句根据其在源代码中的顺序逐条运行时，代码将在更加有限，更加可预测的上下文中来执行。
功能：为了更加有效地分析IR代码，优化器会分析代码的IR形式，以发现有关上下文的事实，并利用此项有关上下文的知识来重写代码，使之更有效地获得同样的答案。

|| 优化中发生的转换

1. 分析：判断程序在何处安全且有利地应用优化技术
   常用的分析技术：数据流分析/相关性分析

2. 转换：重写分析过的代码

|| 实例

后端中：

|| 原因：后端会遍历优化后的IR代码。为每个IR操作其选择对应的目标机操作来实现它，确定哪些值能够驻留在寄存器中，哪些值需要放进内存中，并自行插入代码以实现这些决策，并选择出一种执行高效的次序。

|| 后端中发生的转换

1. 指令选择：
   将IR操作重写为目标机操作，这个过程称为指令选择

2. 寄存器分配：（最小化内存）
   指令选择阶段，编译器会有意忽略目标机寄存器有限的事实。故这个阶段会重写代码，实现寄存器资源的分配

3. 指令调度（最小化时间）
   重排指令的次序，最小化指令在等待操作数撒谎给你所浪费的时间