编译原理--04 符号表、运行时存储组织和代码优化复习(清华大学出版社第3版)

时间  2019-11-07
标签 编译 原理 符号 运行时 存储 组织 代码 优化 复习 清华大学 出版社 繁體版
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前言

目录
01 文法和语言、词法分析复习
02 自顶向下、自底向上的LR分析复习
03 语法制导翻译和中间代码生成复习
04 符号表、运行时存储组织和代码优化复习

第8章 静态语义分析和中间代码生成(续)

符号表

符号表须要在编译期间用到，记录符号的具体信息。本部分只讨论PL/0符号表的创建。html

PL/0符号表结构

PL/0的符号表包含5个信息：编程

  1. NAME，符号名
  2. KIND，符号类型
  3. LEVEL/VAL，层次/值。若是类型为CONSTANT，存放的是常量的值；若是类型为VARIABLE或PROCEDURE，存放所属分程序的层次，主程序的层次为0；在主程序中定义的内容层次为1；主程序内第一层分程序中定义的内容层次为2，以此类推。
  4. ADR，地址。若是为简单变量或常量，则记录的是该量在数据区所占单元的相对地址，用DX表示给本层局部变量分配的相对存储位置，每说明一个变量后DX加1；若是为过程，则存放该过程的分程序入口地址（须要返填）
  5. SIZE，大小。该过程内局部变量的个数，再加上过程活动记录的头3个单元(DL,SL,RA)（须要返填）

例以下面的程序：数组

const a = 35, b = 49;
var c, d, e;
procedure p;
    var g;

对应的符号表为：函数

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

又例以下面的程序：优化

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.

对应的符号表为：spa

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 运行时存储组织

PL/0程序运行栈中的过程活动记录

PL/0程序运行时，每一次过程调用都将在运行栈增长一个过程活动记录。 其中，当前活动记录的起始单元由基址寄存器b指出，结束单元是栈顶寄存器t所指单元的前一个单元。翻译

PL/0的过程活动记录中的头3个单元是固定的联系信息：code

  1. 静态链SL：存放的是定义该过程所对应的上一层过程，最近一次运行时的活动记录的起始单元。
  2. 动态链DL：存放的是调用该过程前正在运行过程的活动记录的起始单元。过程返回时当前活动记录要被撤销，此时须要动态链信息来修改基址寄存器b的内容。
  3. 返回地址RA：记录该过程返回后应该执行的下一条指令地址，即调用该过程的指令执行时指令地址寄存器p的内容加1

这样，每当一个过程被调用，就须要在栈上先分配3个空间用来存储上述信息，而后才是分配空间存储过程的局部变量。对于主过程，SL=DL=RA=0。htm

这里给出一道例题。对于下列程序：blog

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.

它的运行栈为：

这一章可能要考的内容

  1. 运行栈的填写（静态链、动态链）
  2. display表（本质上是记录各个层定义的最新活动记录），建议本身看书

第10章 代码优化

优化技术简介

经常使用优化技术有：

  1. 删除多余运算
  2. 循环不变代码外提
  3. 强度削弱
  4. 变换循环控制条件
  5. 合并已知量
  6. 复写传播与删除无用赋值

删除多余运算

\((1)T_1:=4*I\)
\((2)T_2:=addr(A)-4\)
\((3)T_3:=T_2[T_1]\)
\((4)T_4:=4*I\)
\((5)T_5:=addr(B)-4\)
\((6)T_6:=T_5[T_4]\)

能够看到\((4)\)式作了和\((1)\)式重复的工做，能够改写成\(T_4:=T_1\)

循环不变代码外提

原代码：
块1
\((1)P:=0\)
\((2)I:=1\)
块2
\((3)T_1:=4*I\)
\((4)T_2:=addr(A)-4\)
\((5)T_3:=T_2[T_1]\)
\((6)P:=P+T_3\)
\((7)I:=I+1\)
\((8)if \;I<=20\;goto\;(3)\)

能够看到\((4)\)式在每次循环都作重复的工做，能够把它提到循环外来，记得修改跳转：
块1
\((1)P:=0\)
\((2)I:=1\)
\((3)T_2:=addr(A)-4\)
块2
\((4)T_1:=4*I\)
\((5)T_3:=T_2[T_1]\)
\((6)P:=P+T_3\)
\((7)I:=I+1\)
\((8)if \;I<=20\;goto\;(4)\)

强度削弱

把强度大的运算换成强度小的运算，好比用加法换乘法：
块1
\((1)P:=0\)
\((2)I:=1\)
\((3)T_2:=addr(A)-4\)
块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\((4)\)式通过处理，并修改跳转：
块1
\((1)P:=0\)
\((2)I:=1\)
\((3)T_1:=0\)
\((4)T_2:=addr(A)-4\)
块2
\((5)T_1:=T_1+4\)
\((6)T_3:=T_2[T_1]\)
\((7)P:=P+T_3\)
\((8)I:=I+1\)
\((9)if \;I<=20\;goto\;(5)\)

变换循环控制条件

下面的代码中，\(I\)和\(T_1\)保持4倍的线性关系：
块1
\((1)I:=1\)
\((2)T_1:=4*I\)
块2
\((3)P:=T_2[T_1]\)
\((4)I:=I+1\)
\((5)T_1=T_1+4\)
\((6)if\;I<=20\;goto\;(3)\)

能够把循环条件\(I<=20\)改成\(T_1<=80\)，而后修改\(T_1\)的初始赋值，这样\(I\)在整个循环都没有被用上，能够剔除：
块1
\((1)T_1:=4\)
块2
\((2)P:=T_2[T_1]\)
\((3)T_1=T_1+4\)
\((4)if\;T_1<=80\;goto\;(2)\)

合并已知量

下面的代码中，在计算\(4*I\)时，\(I\)一定为1：
\((1)I:=1\)
\((2)T_1:=4*I\)

所以能够直接在编译期间算出它的值是4：
\((1)I:=1\)
\((2)T_1:=4\)

复写传播和删除无用赋值

看下面的代码：
块1
\((1)T_1:=4\)
\((2)I:=1\)
块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\(T_1\)的值写入\(T_2\)中，但\(T_2\)和\(T_1\)的值在\((3)\)到\((7)\)之间没有发生改变，故将\((7)\)改成\(T_3:=T_4[T_1]\)

此时\((3)\)式没有被引用，属于无用赋值，能够删掉。

而后，\((2)\),\((9)\)对\(I\)赋值，但也只是自我引用，其他地方没有须要用到\(I\)，属于无用赋值，故能够删掉。

最终变为：
块1
\((1)T_1:=4\)
块2
\(...\)
\((5)T_3:=T_4[T_1]\)
\((6)T_1:=T_1+T_3\)
\((7)if\;T_1<=80\;goto\;(2)\)

基本块、流图和循环

基本块

一个基本块内部是顺序执行的，故内部不能有任何中止、分支、跳转。

基本块的划分：

  1. 条件转移语句或者无条件转移语句和下一句语句之间要划分开
  2. 跳转的目标语句要和上一句语句之间划分开

例如：
\((1)\quad pi:=3.14\)
\((2)\quad ar:=0.0\)
\((3)\quad n:=16\)
\((4)\quad r:=1\)
\((5)\quad if\;n<=1\;goto\;(9)\)
\((6)\quad r:=r*n\)
\((7)\quad n:=n-1\)
\((8)\quad goto\;(5)\)
\((9)\quad ar:=2*pi\)
\((10)\quad ar:=ar*r\)
\((11)\quad print\;ar\)

通过划分后：
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
\((9)\quad ar:=2*pi\)
\((10)\quad ar:=ar*r\)
\((11)\quad print\;ar\)

流图

流图 是在已经划分基本块的基础上，构造一个有向图。

  1. 两个相邻基本块若是上面的没有跳转，能够直接和下面的相连
  2. 若是当前基本块最后存在无条件跳转，直接和跳转的目标基本块相连
  3. 若是当前基本块存在最后有条件跳转，须要先和下面相邻的基本块相连，而后和跳转的目标基本块相连

上面的基本块集合为\(\{B1,B2,B3,B4\}\)，能够用有向边集合\(\{B1\rightarrow B2, B2\rightarrow B3, B3\rightarrow B2, B2\rightarrow B4\}\)，这里不画图。

循环

支配结点，指的是对任意两个结点m和n来讲，若是从流图的首结点出发，到达n的任一通路都要通过m，则称m是n的支配结点，记为\(m\;DOM\;n\)

下图是某个程序的流图，其结点即程序中的基本块

全部结点的支配结点集D(n)：
\(D(1)=\{1\}\)
\(D(2)=\{1,2\}\)
\(D(3)=\{1,2,3\}\)
\(D(4)=\{1,2,4\}\)
\(D(5)=\{1,2,4,5\}\)
\(D(6)=\{1,2,4,6\}\)
\(D(7)=\{1,2,4,7\}\)

该图的有向边集合为：\(\{1\rightarrow 2, 2\rightarrow 3, 2\rightarrow 4, 3\rightarrow 4, 4\rightarrow 2, 4\rightarrow 5, 4\rightarrow 6, 5\rightarrow 7, 6\rightarrow 6, 6\rightarrow 7, 7\rightarrow 4\}\)

回边指的是存在一条边\(A\rightarrow B\)，使得\(B\in D(A)\)。故上图的回边有\(4\rightarrow 2, 6\rightarrow 6,7\rightarrow4\)

一个循环由其中的一条回边\(A\rightarrow B\)对应的两个结点\(B,A\)，以及有通路到达\(A\)而不通过\(B\)的全部结点组成，而且保证\(B\)是该循环的惟一入口结点。

如包含回边\((6\rightarrow 6)\)的循环为\(\{6\}\)
包含回边\((7\rightarrow 4)\)的循环为\(\{4,5,6,7\}\)
包含回边\((4\rightarrow 2)\)的循环为\(\{2,3,4,5,6,7\}\)

这一章可能的考点

  1. 划分基本表、画出流图、求支配集、找回边、找循环
  2. 代码局部优化

PL/0编译程序

由于竟然还有编程填空题这种恐怖存在，须要了解下面这些内容，否则填空都不知道怎么填。

能够用的全局变量以下：

全局变量 含义
sym 当前读取到的符号类型
num 当前读取到的值
id 当前读取到的标识符名称
cx 当前中间代码将被写入时的索引
tx 当前符号表将被写入的索引
code 指令数组，类型为instruction

在分析控制流的函数能够用的变量以下：

变量 含义
cx1,cx2 分别记录条件为真/假时须要跳转的地址

instruction的结构体以下：

typedef struct
{
    int f; // 函数类别
    int l; // 层级
    int a; // 地址/当即数/操做类别
} instruction;

函数类别和操做类别以下：

enum opcode
{
    LIT,    // 取当即数
    OPR,    // 操做
    LOD,    // 读取
    STO,    // 保存
    CAL,    // 调用
    INT,    // 初始化空间
    JMP,    // 无条件跳转
    JPC     // 有条件跳转
};

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
};

符号类别以下：

enum symtype
{
    NUMBER,
    // 符号类型
    PLUS,
    MINUS,
    TIMES,
    SLASH,
    ODD,
    EQU,        // =
    NEQ,        // <>
    LES,        // <
    LEQ,        // <=
    GTR,        // >
    GEQ,        // >=
    LPAREN,     // (
    RPAREN,     // )
    COMMA,      // ,
    SEMICOLON,  // ;
    PERIOD,     // .
    // 关键字
    BEGINSYM,
    ENDSYM,
    IFSYM,
    THENSYM,
    WHILESYM,
    DOSYM,
    CALLSYM,
    CONSTSYM,
    VARSYM,
    PROCEDURESYM
}

能够用的全局函数以下：

全局函数 含义
getsym 获取下一个符号的类型到sym。若是sym是number，则num将会存放值；若是sym是标识符，id将存放标识符名称
gen 生成下一条指令，cx加1

处理while循环的题目

<while语句> ::= <while><条件><do><语句>

case WHILESYM:
    __________;                        // 第一个空为cx1 = cx，记录JMP要跳转的位置
    getsym();
    condition(SymSetAdd(DOSYM, FSYS), LEV, TX);
    __________;                 // 第二个空为cx2 = cx，记录JPC指令的位置
    gen(JPC, 0, 0);
    if (__________)                 // 第三个空为sym == DOSYM，处理到do
        getsym();
    else
        error(18);
    statement(fsys, lev, tx);
    gen(__________);                // 第四个空为jmp, 0, cx1，要知道跳转回开始判断条件的地方
    __________;                        // 第五个空为code[cx2].a = cx，回填JPC指令的跳转位置
    break;

处理if或if-else条件语句的题目

if条件语句图

if-else条件语句图

<条件语句> ::= <if><条件><then><语句>[<else><语句>]

下题处理了if条件语句和if-else条件语句的状况：

case IFSYM:
    getsym();
    condition(SymSetUnion(SymSetNew(THENSYM, DOSYM), FSYS), LEV, TX);
    if (SYM == THENSYM)
        getsym();
    else
        error(16);
    ________;                           // 第一个空为cx1 = cx;，记录JPC位置待回填
    gen(JPC, 0, 0);
    statement(SymSetUnion(SymSetNew(ELSESYM), FSYS), LEV, TX);
    if (__________)                 // 第二个空为SYM != ELSESYM，此时在分析else符号
        code[cx1].a = cx;
    else
    {
        getsym();
        cx2 = cx;
        gen(JMP, 0, 0);
        __________;                 // 第三个空为code[cx1].a = cx，此时在分析false部分的语句开头，回填JPC的地址
        statement(FSYS, LEV, TX);
        __________;                 // 第四个空为code[cx2].a = cx，此时为执行完true部分语句后的JMP回填跳转地址
    }
    break;
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