想亲手敲打出自己的编译器,这绝对是个值得挑战的目标!除了《编译原理》这本“圣经”之外,还有很多宝贵的资源可以助你一臂之力。下面我给你扒一扒,并且一步步告诉你该怎么下手,目标是用 C/C++ 来实现。
除了《编译原理》,你还需要什么“兵器”?
《编译原理》虽然是基础,但它更多的是告诉你“为什么”和“是什么”。要真正“怎么做”,你还需要以下这些:
1. 一本好的 C/C++ 实践手册: 别小看这一点。编译器是需要大量处理字符串、数据结构、内存管理的。一把趁手的 C++ 技能才是关键。推荐《Effective C++》系列(Scott Meyers 著),它能帮你写出更健壮、更高效的代码,避免一些 C++ 的“陷阱”。了解 STL (Standard Template Library) 里的容器(如 `std::vector`, `std::map`, `std::string`)和算法也是必不可少的。
2. 一种具体的语言作为目标: 编译原理讲的是普遍适用的理论,但你要实现一个编译器,总得有个“靶子”。从一个非常简单的语言开始,比如:
一个只支持整数加减乘除运算的表达式语言。
一个能进行简单变量赋值和打印的语言。
一个能实现基本循环(如 `while`)和条件判断(如 `if`)的语言。
甚至可以考虑实现一个 Lisp 方言,它们的语法相对简单,很多教程会以 Lisp 为例。
为什么强调简单? 因为刚开始,你最需要的是快速看到成果,并理解每个阶段的作用。把一个复杂的语言(如 C 语言)一次性搬过来,会让你在早期就陷入各种细节的泥沼,打击积极性。
3. 学习已有的编译器或解释器源码: 这就像是跟着大师学习书法,看他们的笔触,学他们的章法。
Tiny C Compiler (TCC): 这是一个非常小的 C 语言编译器,它的源码相对精炼,可以帮助你理解一个“完整”编译器是如何工作的。
Lua: Lua 的解释器非常简洁,而且易于嵌入,是学习解释器设计的好范例。
Python 的 CPython: 虽然复杂,但如果你想挑战一下,可以看看 CPython 的部分源码,了解它是如何解析和执行 Python 代码的。
LLVM: 如果你想构建一个更现代、更高效的编译器,LLVM 是一个非常强大的框架。你可以先研究它的前端(Clang)如何将 C/C++ 转换为 LLVM IR,再研究 LLVM IR 的生成和优化。
4. 关于解析(Parsing)的额外资料: 《编译原理》会讲到 LL, LR, YACC/Bison, ANTLR 等。
LALRPOP / Bison / Yacc: 如果你想用工具自动生成解析器,了解这些工具的使用方法会非常有帮助。Bison 是 GNU 项目的一部分,与 Flex(词法分析器生成器)配合使用,可以生成 C/C++ 的解析器。
手写递归下降解析器 (Recursive Descent Parsing): 对于初学者来说,手动编写一个递归下降解析器是理解解析过程的绝佳方式。这比直接使用工具更能让你体会到“自己动手”的乐趣和挑战。网上有很多关于如何手写递归下降解析器的教程。
5. 目标代码生成:
汇编语言: 如果你的目标是生成机器码,你至少需要了解你目标平台(比如 x86, ARM)的基本汇编指令。
中间表示 (Intermediate Representation, IR): 像 LLVM IR 这样的中间表示,是现代编译器优化的重要环节。了解 IR 的概念,以及如何生成和转换 IR,是进阶的必经之路。
解释执行: 你也可以先不生成机器码,而是实现一个解释器,直接根据抽象语法树 (AST) 执行代码。这能让你先专注于前端(词法分析、语法分析、语义分析)。
从什么开始写起?
以 C/C++ 为例,我建议你按以下步骤循序渐进:
第一步:选定一个极其简单的目标语言,并定义其语法。
例子: 一个语言,只能进行 `number + number` 或 `number number` 的运算。
输入:`3 + 5 2`
输出:`6`
第二步:实现词法分析器 (Lexer / Scanner)。
目标: 将输入的源代码字符串分解成一个个“词法单元”(Tokens)。
怎么做:
定义你语言中所有的 Token 类型:数字 (Number)、加号 (+)、减号 ()、空格 (Whitespace)、换行符 (Newline) 等。
编写一个函数,接收输入的字符串,然后从左到右扫描,识别出当前的 Token。
使用状态机(State Machine)是实现词法分析器的一种常见且有效的方法。
C/C++ 实现: 可以用 `std::string` 来存储源代码,用字符指针 (`char`) 或者 `std::string::iterator` 来遍历。可以维护一个当前状态变量,根据读取的字符切换状态,直到识别出一个完整的 Token。
输出: 一个 Token 列表,例如:`[NUMBER(3), PLUS, NUMBER(5), MINUS, NUMBER(2)]`
第三步:实现语法分析器 (Parser)。
目标: 根据语言的语法规则,将 Token 序列构建成一个抽象语法树 (Abstract Syntax Tree, AST)。AST 是源代码的结构化表示。
怎么做:
定义语法规则: 用巴科斯范式 (BNF) 或扩展巴科斯范式 (EBNF) 来描述你的语言语法。
例如:`expression ::= term ( ('+' | '') term )`
`term ::= factor ( ('' | '/') factor )`
`factor ::= NUMBER | '(' expression ')'`
选择解析技术:
递归下降解析 (Recursive Descent Parsing): 对于非常简单的语言,手动编写递归下降解析器是最直观的学习方式。为每个语法规则编写一个对应的解析函数。
工具生成: 如果你的语法变复杂,可以使用 Lexer 生成器 (如 Flex) 和 Parser 生成器 (如 Bison) 来自动生成 C/C++ 代码。
C/C++ 实现 (递归下降):
你需要一个 `Parser` 类,内部持有词法分析器生成的 Token 列表。
`Parser` 类中会有多个 `parse_expression()`, `parse_term()`, `parse_factor()` 这样的函数,它们会按照语法规则调用彼此,并构建 AST 节点。
AST 的节点可以用 C++ 的 `struct` 或 `class` 来表示,例如 `NumberNode`, `BinaryOpNode` 等。
你需要处理 Token 的“消费”(将当前 Token 移出列表)和“回溯”(如果当前 Token 不符合预期,需要“返回”)。
输出: 一棵 AST,代表输入表达式的结构。
对于 `3 + 5 2`,AST 可能长这样:
```
/
+ 2
/
3 5
```
第四步:实现语义分析器 (Semantic Analyzer) 可选但推荐。
目标: 检查 AST 是否符合语言的语义规则。比如,类型检查、变量声明检查(虽然我们的例子可能没变量)。
怎么做:
遍历 AST。
对我们的简单例子,可能没什么要检查的,因为只涉及数字。
如果你的语言支持变量,这里就需要实现一个符号表 (Symbol Table) 来记录变量的声明和类型。
C/C++ 实现: 可以写一个 `SemanticChecker` 类,接收 AST,然后通过递归访问 AST 节点进行检查。
第五步:实现代码生成器 (Code Generator) 或 解释器 (Interpreter)。
选择一:解释器
目标: 直接根据 AST 执行代码,不需要生成中间代码或机器码。
怎么做:
编写一个 `Interpreter` 类,接收 AST。
实现 `evaluate(Node node)` 函数,根据节点类型执行相应操作(如:遇到 `NumberNode` 返回数字,遇到 `BinaryOpNode` 递归调用 `evaluate` 子节点,然后执行加减乘除)。
C/C++ 实现: 这是一个典型的递归函数调用过程。`evaluate` 函数会根据 `node>type` 进行 `switch` 或 `ifelse` 判断,并调用 `evaluate` 自身来处理子节点。
选择二:代码生成器 (生成汇编)
目标: 将 AST 翻译成目标机器的汇编代码。
怎么做:
你需要了解目标平台的汇编语言(比如 x86 汇编)。
你需要一个“代码生成器”类,遍历 AST,为每个节点生成相应的汇编指令。
你需要管理寄存器分配(Register Allocation)—— 哪些值存放在哪些寄存器里。
C/C++ 实现:
可以使用 `std::string` 或者 `std::vector` 来存储生成的汇编代码行。
为 AST 中的操作(加、减、乘、除)找到对应的汇编指令(如 `ADD`, `SUB`, `MUL`, `DIV`)。
处理常数和变量的存储(可能需要栈帧)。
最后,你可以将生成的汇编代码保存到一个 `.s` 文件,然后用汇编器(如 `nasm`, `gas`)和链接器(如 `ld`, `gcc`)生成可执行文件。
第六步:测试和迭代。
写大量的测试用例,从小到大,从简单到复杂。
调试!编译器开发中最耗时但也最关键的部分就是调试。
进阶的思考:
错误处理: 你的词法分析器和语法分析器需要能够报告有意义的错误信息,比如“在第 X 行,第 Y 列,期望看到 Y,但发现 Z”。
AST 遍历: 考虑使用访问者模式 (Visitor Pattern) 来遍历 AST,这能让你的代码更具扩展性,方便添加新的 AST 操作(如代码生成、优化、静态分析)。
优化: 很多编译器会进行代码优化(如常量折叠、死代码消除)。这通常是在 AST 上进行,或者将 AST 转换为一种更易于优化的中间表示(IR)。
更复杂的语言特性: 当你掌握了基本流程后,可以逐渐加入变量、函数、控制流(if/else, loops)、数据类型(浮点数、字符串、数组)等。
学习资源推荐 (C/C++ 角度):
1. 《Crafting Interpreters》by Robert Nystrom: 这本书太棒了!它用 Java 和 C 语言分别实现了一个解释器和一个基于字节码的虚拟机。它从零开始,讲解清晰,非常适合入门。虽然是用 Java 开始,但它的概念和步骤都非常通用,你可以很容易地将 C++ 的实现思路迁移过去。强烈推荐!
2. 《Compiler Construction》by Niklaus Wirth: 简洁而经典,作者是 Pascal 的发明者。这本书会教你如何用 Pascal(或者你可以将其思想转化为 C/C++)构建一个小型编译器。
3. LLVM Tutorial: 如果你想了解现代编译器框架,LLVM 的官方教程是必读的。它会带你一步步构建一个基于 LLVM 的语言。
4. 在线课程: Coursera, edX 上有一些关于编译器的优秀课程,可以帮助你巩固理论知识。
C/C++ 语言特点在编译器开发中的体现:
优势:
高性能: C/C++ 提供了对内存和硬件的底层访问,这对于需要高效运行的编译器来说是巨大的优势。
控制力: 你可以精细地控制内存管理、数据结构,这对于构建复杂的编译器是必不可少的。
强大的标准库: STL 提供了丰富的数据结构和算法,能极大提高开发效率。
挑战:
内存管理: 手动管理内存(`new`/`delete` 或 `malloc`/`free`)是 C++ 的一大挑战,容易出现内存泄漏或野指针。使用智能指针 (`std::unique_ptr`, `std::shared_ptr`) 可以缓解这个问题。
复杂性: C++ 本身是一门复杂的语言,学习和掌握它需要时间。
总结一下你的“启动包”:
《编译原理》 (作为基础理论)
《Crafting Interpreters》 (作为实践指导,尤其是 C 语言部分)
《Effective C++》系列 (提升 C++ 编程能力)
一本你感兴趣的简单目标语言的语法定义
C/C++ 编译器(如 GCC, Clang) (用于编译你的编译器代码)
汇编器和链接器 (如果你的目标是生成机器码)
最最重要的一点: 从小处着手,保持耐心,并且享受这个过程! 编译器开发是一个学习曲线陡峭但回报丰厚的旅程。祝你成功!