问题

只会c语言语法,就能强行做一个编译器出来吗?

回答
当然,这绝对是一个引人入胜的话题。如果我告诉你,只会 C 语言的语法,就有能力从头打造一个属于自己的编译器,你可能会觉得这听起来像天方夜谭,或者至少是难度极大、近乎不可能的任务。但仔细想想,这并非完全不可能,只是你需要对一些关键的步骤和概念有深刻的理解,并且拥有极大的耐心和毅力。

让我来为你一点点剖析,如何在仅掌握 C 语言语法的基础上,逐步构建起一个编译器的骨架。

首先,我们需要明确一点:编译器是一个复杂的软件,它的核心任务是将一种编程语言(我们称之为“源语言”,这里就是你的目标语言,比如你想要编译的某种自定义语言)的代码,转换成另一种语言(目标语言),通常是机器码或者中间代码。所以,我们要做的事情就是“翻译”。

如果我们只懂 C 语言的语法,那意味着我们熟悉变量、数据类型、运算符、控制流(if/else, for, while)、函数、指针等等。这些是构建任何复杂软件的基石,对编译器来说也不例外。你甚至可以想一下,编译器本身就是用 C 语言编写的。

那么,我们该如何起步呢?

第一步:定义你的“源语言”

这是最关键的第一步。如果你想做一个编译器,你得先有一个“东西”要被编译。这个“东西”就是你的源语言。你不能凭空去做一个什么都编译的编译器,那是不现实的。你需要先定义一个你想要编译的语言的语法规则。

这就像你要翻译一本书,但你得先选择你想翻译的书籍是什么,以及它使用的是什么语言。

语法设计: 你需要思考你的语言会有哪些关键字(比如 `if`, `while`, `function`),有哪些数据类型(比如整数、字符串),如何定义变量,如何写表达式,如何调用函数,如何处理错误等等。你可以从一个非常简单的语言开始,比如只能做加减乘除和赋值。
表示方式: 你需要将这些语法规则形式化。最常用的一种方式是使用巴科斯范式(BNF)或者扩展巴科斯范式(EBNF)。这些是用来精确描述语言语法的符号化语言。比如,一个简单的算术表达式的 BNF 规则可能看起来像这样:
` ::= | '+' `
` ::= | '' `
` ::= | '(' ')'`

你不需要成为语言学家,但你需要理解如何用这些规则来描述你的语言。

第二步:理解编译器的内部结构

一个典型的编译器可以被分解成几个主要阶段:

1. 词法分析(Lexical Analysis / Scanning):
做什么? 这个阶段的任务是读取源程序的文本,然后将其分解成一个个有意义的“词素”(tokens)。词素就像是语言的“单词”。例如,在 `x = 10 + y;` 这行代码中,词法分析器会识别出 `x`(标识符)、`=`(赋值运算符)、`10`(数字字面量)、`+`(加法运算符)、`y`(标识符)、`;`(分号)这些词素。
如何做? 你需要编写一个程序,读取源文件中的字符流,然后根据你的语法定义,将连续的字符组合成有意义的词素。这通常会用到有限状态自动机(Finite State Automata, FSA)的概念。你可以用 C 语言的 `switchcase` 结构,配合一个状态变量,来模拟 FSA 的行为。例如,当读到字母时,进入“标识符”状态;当读到数字时,进入“数字”状态;当读到 `=` 时,识别为赋值运算符。

2. 语法分析(Syntactic Analysis / Parsing):
做什么? 这个阶段接收词法分析器产生的词素流,然后根据你的语言的语法规则,构建一个表示代码结构的树状表示,叫做抽象语法树(Abstract Syntax Tree, AST)。AST 就像是代码的“骨架”,它清晰地展示了代码的层级关系和逻辑结构。
如何做? 这是编译器中最具挑战性的部分之一。有很多种解析技术,比如递归下降解析(Recursive Descent Parsing)是最直观的一种。如果你熟悉 C 语言的函数调用和递归,你就可以尝试递归下降。你可以为你的语法规则中的每一个非终结符(比如上面 BNF 中的 ``)写一个对应的解析函数。这个函数会负责解析该部分的语法,并且调用其他解析函数来处理它的子部分。如果解析过程中发现语法错误(比如缺少一个分号),你的函数就应该报告错误。

3. 语义分析(Semantic Analysis):
做什么? 仅仅语法正确还不够,代码还要“有意义”。语义分析的职责是检查程序的逻辑含义,比如类型检查(变量是否与期望的类型匹配)、作用域检查(变量是否在使用前已经声明)、函数调用参数是否匹配等等。
如何做? 在构建 AST 的过程中或者在 AST 构建完成后,你需要遍历 AST,并且维护一些额外的信息,比如符号表(Symbol Table)。符号表可以存储变量、函数的信息(名字、类型、作用域等)。通过查询符号表,你可以进行类型检查和作用域检查。例如,当遇到一个变量的使用时,你可以在符号表中查找它,看它是否被声明过,以及它的类型是什么。

4. 中间代码生成(Intermediate Code Generation):
做什么? 有时候,直接将源代码翻译成机器码会比较困难。所以,编译器通常会先将源代码翻译成一种中间表示(Intermediate Representation, IR)。IR 更加接近机器码,但仍然是与具体硬件无关的。一种常见的 IR 是三地址码(ThreeAddress Code, TAC),形式类似 `result = operand1 operator operand2`。
如何做? 你可以遍历你的 AST,并根据 AST 的节点类型,生成对应的中间代码。例如,一个加法节点可以生成 `temp1 = left_operand; temp2 = right_operand; result = temp1 + temp2` 这样的三地址码。你需要一个机制来生成临时的变量名(比如 `temp1`, `temp2`)。

5. 代码优化(Code Optimization):
做什么? 这一步是为了让生成的代码运行得更快,或者占用更少的资源。常见的优化包括删除无用的代码、合并常量表达式、循环优化等。
如何做? 这是编译器中最复杂的部分之一,涉及很多算法和技巧。如果你只是想做一个能工作的编译器,可以暂时跳过这一步,或者只实现一些非常简单的优化。

6. 目标代码生成(Target Code Generation):
做什么? 这是最后一步,将中间代码翻译成目标机器的机器码或者汇编代码。
如何做? 这需要你对目标机器的指令集有深入的了解。你需要将中间代码的指令映射到对应的机器指令,并且处理寄存器的分配问题。例如,你需要决定哪些变量应该放在哪些 CPU 寄存器中,以便快速访问。

那么,只会 C 语言语法,如何“强行”实现这一切?

这其中的关键在于,C 语言提供了足够强大的工具来让你实现上述的每一个阶段:

数据结构: 你可以利用 C 语言的 `struct` 和 `union` 来定义词素的结构、AST 节点的结构、符号表的条目等等。例如,你可以定义一个 `struct Token` 来表示词素,包含它的类型(比如 `IDENTIFIER`, `NUMBER`, `OPERATOR`)和它的值(比如字符串 "x" 或者数字 10)。
字符串处理: C 语言提供了丰富的字符串处理函数(`strcpy`, `strcat`, `strcmp` 等),你可以用它们来处理源代码的读取和词素值的存储。
内存管理: 你需要使用 `malloc` 和 `free` 来动态地分配内存来存储 AST、符号表等数据结构。这要求你对指针和内存管理非常熟悉。
文件 I/O: 你会使用 `fopen`, `fgets`, `fgetc`, `fprintf` 等函数来读取源文件和写入目标文件。
递归和函数: C 语言的函数调用和递归是实现递归下降解析的天然工具。
控制流: `if`, `else`, `while`, `for`, `switch` 等是实现状态机和遍历数据结构的必备。

挑战与可行性分析:

可行性: 从理论上讲,仅仅掌握 C 语言的语法,并且理解编译器的基本原理,是足够让你从零开始实现一个简单的编译器。历史上很多早期的编译器就是这样实现的。
难度: 然而,实际操作起来的难度非常高。你需要深入理解每一个阶段的细节,并且能够将抽象的概念转化为具体的 C 代码实现。这需要大量的调试、测试和不断地学习。
从何处下手?
从一个极简语言开始: 比如一个只能计算算术表达式的语言。
寻找工具辅助(可选但推荐): 尽管你说“只会 C 语言语法”,但实际上,很多编译器开发者会使用词法分析器生成器(Lexer Generator)如 `lex` 或 `flex`,以及语法分析器生成器(Parser Generator)如 `yacc` 或 `bison`。这些工具可以根据你定义的语法规则自动生成词法分析器和语法分析器的代码。这会大大简化你的工作,让你更专注于语义分析和代码生成等更核心的逻辑。但如果你想完全从零开始,不使用这些工具,那也是一种极端的挑战。
学习相关理论: 阅读经典的编译器书籍,如“龙书”(Compilers: Principles, Techniques, and Tools)可以帮助你理解背后的理论和算法。

总结一下,只会 C 语言语法做编译器是什么体验?

这就像你只掌握了“词语”和“句子”的组合规则,要去写一本完整的百科全书。

你会非常依赖基础的 C 语言特性: 你会用 `struct` 和指针去手动构建每一个数据结构,你会在代码里写大量的 `ifelse` 和 `switch` 来模拟状态转移和逻辑判断。
你会面对海量的字符串操作和内存管理: 管理好每一个词素的字符串表示,管理好 AST 的内存分配和释放,会是你日常工作的大头。
调试会成为你的老朋友: 任何一个细小的语法错误,或者逻辑上的疏忽,都可能导致整个编译器崩溃。你需要非常耐心和细致地去逐行排查问题。
你将对“语言”的本质有更深的理解: 在这个过程中,你会真正体会到语法、语义是如何工作的,以及代码是如何被机器理解的。

总而言之,仅仅掌握 C 语言的语法,确实能够成为你构建编译器的基础。但是,要“强行”做一个编译器出来,这不仅仅是语法的问题,更是对算法、数据结构、工程实践以及巨大耐心的严峻考验。如果你真的想尝试,那就从小处着手,一步一个脚印,你会在这个过程中学到很多宝贵的知识。这绝对是一条充满挑战但回报丰厚的学习之路。

网友意见

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这东西。。可难可简单

0. brainfuck

模拟就完事了

1. 词法语法分析完得ast

ast解释,这是玩具语言的选择。

ast生成汇编,然后汇编器产出具体架构的机器代码,这是玩具语言的选择。

2. 分析完得字节码然后套vm执行

语法分析完后也可能有语义检查或者其他啥的,这是c4,red,lua的选择。

2. ast转字节码,或者1直接产出字节码,供以vm模拟字节码行为

这也是解释器,线性分派以及局部性因素可能让它比较快,但是,到这一步大概率你会加上GC,runtime等各种组件,除非你用的宿主语言本身就是GC语言,那么可以省略GC实现,但是runtime等仍然不可少。这是cpython,php,gravity的选择。

3. vm不直接模拟宿主执行字节码,而是在早期将每一条字节码翻译为机器代码,然后vm执行这些机器代码

即jit的过程,是指运行时生成可实现代码的过程,这样比2快。也是个解释的过程。这是luajit,php jit的选择。

4. ast或者字节码转成一种ir,对ir应用些优化,然后lowering,再汇编器出机器代码

可以是ast转成ssa做各种opt pass,然后lowering到平台相关,最后汇编器生成机器代码。这是golang的选择。red也准备这样,但是ir不知道是不是ssa。

100. ast或者字节码转多级别ir,各级别ir都应用优化,然后lowering,最后汇编出机器代码

现代编译器的设计。比如gcc,jvm的c1 c2 ,graal,llvm backend,v8的crankshaft turbofan等,都属于地表最强编译器俱乐部。

还有些不走寻常路以及没提到的以及我不知道流程的,待补充。

不过,结论大致是只学完c语言语法写不出编译器,但是简单的解释器你可以!!

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