Building Your Own Compiler with C++ pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Prentice Hall

作者:James Holmes

出品人:

页数:112

译者:

出版时间:1994-12-03

价格:USD 50.60

装帧:Paperback

isbn号码:9780131821064

丛书系列:

图书标签:

• 计算机
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探索语言的本质：一本关于编译器构建的深入指南 您是否曾好奇过，我们敲击键盘输入的代码，是如何转化为计算机能够理解并执行的机器指令的？那些看似抽象的编程语言，背后又隐藏着怎样的精妙设计与严谨逻辑？如果您对这些问题充满求知欲，渴望深入理解软件运行的底层机制，那么，这本书将为您打开一扇通往编译原理世界的大门。 本书并非一本简单的“如何写代码”的教程，它旨在带领读者踏上一段从零开始构建编译器核心组件的旅程。我们将不局限于某个特定的编程语言，而是聚焦于编译器设计与实现中最具普遍性和核心价值的原理与技术。通过循序渐进的讲解和实践，您将不仅学会如何搭建一个能够解析、转换和生成代码的系统，更重要的是，您将深刻理解各种编程语言的设计哲学，以及它们在不同抽象层面上的转换过程。 第一部分：编译器基础与词法分析——语言的“听写” 在深入核心之前，我们需要为接下来的构建奠定坚实的基础。本部分将首先介绍编译器的基本概念、其在软件开发生命周期中的作用，以及编译器各个阶段的功能划分。我们将剖析一个典型的编译器架构，理解前端（词法分析、语法分析、语义分析）和后端（中间代码生成、代码优化、目标代码生成）是如何协同工作的。 随后，我们将聚焦于编译器的第一个关键阶段：词法分析（Lexical Analysis）。这一阶段的任务是将输入的源代码字符流，分解成有意义的“词素”（lexemes），并为每个词素生成对应的“记号”（tokens）。您可以将词法分析想象成对一段文字进行“听写”的过程，识别出其中的单词、标点符号等基本构成单元。 我们将详细探讨如何使用有限自动机（Finite Automata）——特别是确定性有限自动机（DFA）和非确定性有限自动机（NFA）——来精确地识别编程语言中的各种记号。您将学习如何构建DFA和NFA，以及如何将NFA转换为等价的DFA，从而实现高效的词法扫描。此外，我们还将介绍正则表达式（Regular Expressions）作为描述记号模式的强大工具，并探讨如何从正则表达式自动生成DFA。 在实践层面，您将学习如何使用工具（例如，将不会在本书中直接使用，但原理是通用的）来生成词法分析器，或者更深入地理解其内部机制，并动手实现自己的词法分析器。我们将处理各种编程语言中常见的记号类型，包括关键字、标识符、字面量（整数、浮点数、字符串）、运算符和分隔符，并处理词法错误，例如未定义的字符或不完整的字符串。 第二部分：语法分析——语言的“句子结构” 词法分析将源代码分解成一系列记号，但仅仅知道这些记号还不足以理解程序的含义。接下来，我们需要根据编程语言的语法规则，将这些记号组织成具有层次结构的“语法树”（Parse Tree）或“抽象语法树”（Abstract Syntax Tree, AST）。这个过程就是语法分析（Syntactic Analysis），它负责检查程序的“句子结构”是否符合语言的语法规范。 本部分将深入讲解两种主要的语法分析方法：自顶向下（Top-Down）和自底向上（Bottom-Up）。 自顶向下分析：我们将从文法的起始符号开始，尝试生成匹配输入记号序列的推导。重点介绍递归下降（Recursive Descent）分析技术，包括如何构建预测分析器（Predictive Parser），以及如何处理左递归和回溯问题。您将理解回溯与预测性分析的权衡，并学会设计能够有效解析各类文法的递归下降解析器。 自底向上分析：我们将从输入记号序列开始，逐步将其“归约”到文法的起始符号。我们将详细讲解移入-归约（Shift-Reduce）分析的基本原理。在此基础上，我们将深入探讨两种强大的自底向上分析技术： LR 分析：您将学习LR(0)、SLR(1)、LALR(1)和Canonical LR(1)等不同类型的LR分析器。我们将深入理解LR分析器的工作原理，包括状态机、移入、归约、接受和错误处理。您将掌握如何构建LR分析表，并理解不同LR分析器之间的优劣和适用场景。 GLR/EARLY 分析：针对那些没有确定性LR文法的语言，我们将介绍更具弹性的GLR（Generalized LR）或EARLY等算法，它们能够处理歧义文法，并生成所有可能的解析树。 通过本部分的学习，您将能够理解不同语法分析技术的理论基础，并能够根据实际需求选择和实现最合适的语法分析器。我们将讨论如何处理语法错误，并生成结构化的语法表示（AST），为后续的语义分析和代码生成奠定基础。 第三部分：语义分析——语言的“意义” 语法正确并不代表程序就一定能正确运行。语义分析（Semantic Analysis）是编译器中一个至关重要的阶段，它负责检查程序的“意义”是否符合逻辑和语言规范。这一阶段旨在发现那些语法分析无法捕获的错误，例如类型不匹配、未声明的变量、作用域冲突等。 本部分将围绕语义分析的核心任务展开： 类型系统与类型检查：我们将深入探讨各种编程语言的类型系统，包括基本类型、复合类型（数组、结构体、指针等）、函数类型以及用户自定义类型。您将学习如何实现静态类型检查（Static Type Checking），确保变量的使用与其声明的类型一致。我们将讲解类型推导（Type Inference）的原理和实现，以及如何处理类型转换（Type Coercion）和类型兼容性。 作用域与符号表管理：程序中的变量、函数等标识符都有其有效的作用域。我们将学习如何构建和管理符号表（Symbol Table），以便在编译过程中追踪每个标识符的声明、类型、作用域以及其他相关信息。您将理解不同作用域（全局、局部、块级）的规则，并学会如何正确地处理标识符的查找和绑定。 控制流与数据流分析：为了进行更深入的优化，编译器需要理解程序的控制流和数据流。我们将介绍控制流图（Control Flow Graph, CFG）的概念，以及如何从中分析程序的执行路径。同时，我们将探讨数据流分析（Data Flow Analysis）技术，例如定义-使用链（Def-Use Chains）、活跃变量分析（Live Variable Analysis）、常数传播（Constant Propagation）等。这些分析有助于检测潜在的错误，并为后续的代码优化提供依据。 语义错误处理：我们将学习如何识别和报告各种语义错误，例如未声明的标识符、重复声明、类型不匹配、不兼容的赋值、错误的函数调用等。 通过本部分的学习，您将掌握构建能够理解和验证程序意义的语义分析器的关键技术，为生成正确可执行的代码打下坚实的基础。 第四部分：中间代码生成——语言的“通用语” 在完成词法、语法和语义分析后，我们通常不会直接生成目标机器代码。取而代之的是，编译器通常会先生成一种中间表示（Intermediate Representation, IR）。这种中间代码是一种比源代码更接近机器语言，但又比机器语言更抽象、更通用的表示形式。它充当了编译器前端和后端之间的桥梁，极大地简化了代码优化和目标代码生成的过程。 本部分将专注于中间代码的生成： IR 的选择与设计：我们将介绍几种常见的中间表示形式，包括三地址码（Three-Address Code, TAC）、静态单赋值（Static Single Assignment, SSA）形式、P-Code、JVM 字节码等。您将理解不同 IR 的优缺点，以及它们在不同编译器设计中的应用。我们将重点讲解三地址码的生成，因为它是一种直观且易于操作的 IR。 基于 AST 的 IR 生成：您将学习如何遍历抽象语法树（AST），并根据 AST 的节点和结构，生成相应的中间代码指令。我们将介绍如何处理赋值语句、条件语句、循环语句、函数调用以及表达式等结构，将其转化为一系列简单的三地址指令。 过程调用与参数传递：我们将探讨不同编程语言中函数调用约定和参数传递机制，并学习如何将这些机制映射到中间代码中。 IR 的属性与转换：我们将初步了解一些 IR 的属性，以及它们如何在后续的优化阶段中发挥作用。 通过本部分的学习，您将能够理解中间代码在编译器架构中的关键作用，并掌握将程序抽象语法树转换为易于处理的中间表示形式的技术。 第五部分：代码优化——让程序“更聪明” 仅仅能够生成中间代码还不够，一个高效的编译器还需要能够对中间代码进行优化（Optimization），以提高生成代码的运行效率（速度）或减小代码的体积。代码优化是编译器设计中最具挑战性和创造性的部分之一。 本部分将深入探讨各种经典的代码优化技术： 局部优化：我们将学习在基本块（Basic Block）内部进行的优化，例如： 常量折叠（Constant Folding）：在编译时计算常量表达式的值。 常量传播（Constant Propagation）：将已知的常量值传播到其使用点。 复写传播（Copy Propagation）：用变量的值替换其副本。 死码消除（Dead Code Elimination）：移除永远不会被执行的代码。 代数简化（Algebraic Simplification）：利用代数恒等式简化表达式。 强度削弱（Strength Reduction）：用更快的操作替换更慢的操作（例如，用移位代替乘法）。 全局优化：我们将学习在程序控制流图上进行的优化，这些优化需要跨越多个基本块： 全局公共子表达式消除（Global Common Subexpression Elimination）：在程序的多个地方发现并消除重复计算的相同表达式。 循环优化（Loop Optimizations）： 循环不变量外提（Loop-Invariant Code Motion）：将循环体内不随循环变量变化而变化的计算移到循环外。 归纳变量分析与替换（Induction Variable Analysis and Replacement）：识别和优化循环中的归纳变量。 代码外提（Code Motion）：更通用的将可移出循环的代码进行外提。 过程间优化（Interprocedural Optimization）：虽然更高级，但我们会简要介绍其概念，例如内联（Inlining）等。 数据流分析在优化中的应用：我们将回顾并深入理解数据流分析（如活跃变量分析、到达定值分析等）如何为这些全局优化提供必要的先决条件和信息。 SSA 形式的优势：我们将进一步探讨静态单赋值（SSA）形式如何在简化和促进许多全局优化（尤其是全局公共子表达式消除和循环优化）方面发挥关键作用。 优化级别与权衡：我们将讨论不同优化级别的含义，以及如何在编译时间和代码质量之间进行权衡。 通过本部分的学习，您将掌握识别和实现多种代码优化技术的知识，并能够构建一个能够生成更高效、更紧凑代码的编译器。 第六部分：目标代码生成——与机器“对话” 编译器最终的目标是将中间表示转换为目标机器能够直接执行的目标代码（Target Code）。这个过程通常是与特定的计算机架构紧密相关的。 本部分将涵盖目标代码生成的关键方面： 指令选择（Instruction Selection）：如何根据目标机器的指令集，将中间代码指令映射到最合适的机器指令序列。我们将介绍基于模式匹配（Pattern Matching）等技术。 寄存器分配（Register Allocation）：计算机的中央处理器（CPU）有数量有限的寄存器，它们是访问速度最快的数据存储区域。高效的寄存器分配是生成快速代码的关键。我们将介绍图着色（Graph Coloring）算法等经典算法，用于分配寄存器，并讲解如何处理寄存器溢出（Register Spilling）的情况。 指令调度（Instruction Scheduling）：现代处理器具有流水线（Pipelining）和乱序执行（Out-of-Order Execution）等特性。指令调度旨在重新安排指令的顺序，以最大限度地利用处理器的并行性，减少流水线停顿。 特定架构的考虑：我们将简要介绍在为不同目标架构（例如 x86、ARM 等）生成代码时需要考虑的一些特定问题，包括指令集架构、寻址模式、调用约定等。 链接与加载：虽然不是编译器的核心功能，但我们会简要介绍编译器生成的目标代码如何与其他代码（库）进行链接，并最终被加载到内存中执行。 通过本部分的学习，您将能够理解将抽象的中间代码转化为具体机器指令的复杂过程，并掌握生成高效目标代码的关键技术，从而真正完成从源代码到可执行程序的转换。 实践与进阶 贯穿全书，我们将强调理论与实践的结合。您将有机会通过大量的示例代码和练习，将所学到的概念付诸实践。本书的设计旨在引导您逐步构建一个功能完整的编译器，从一个简单的语言开始，逐步增加其复杂性。 本书的独特之处： 全面性与深度：本书涵盖了编译器构建的各个核心阶段，从基础的词法分析到高级的代码优化和目标代码生成，力求提供一个全面而深入的视角。 原理与实现并重：我们不仅讲解背后的理论原理，更会深入探讨具体的实现细节和算法，让您不仅知其然，更知其所以然。 抽象与通用性：本书聚焦于通用的编译器原理，而非特定语言的细节，使得所学知识能够广泛应用于理解和构建各种编程语言的编译器。 循序渐进的学习路径：内容组织严谨，从易到难，确保读者能够逐步掌握复杂的概念。 实践导向：通过实际操作和示例，巩固理论知识，培养解决实际问题的能力。 谁适合阅读本书？ 计算机科学专业的学生：想要深入理解编译原理、操作系统、程序设计语言等核心课程的理论基础。 软件工程师：希望提升自身技术深度，理解程序运行的底层机制，或对语言设计、工具链开发感兴趣。 对计算机科学充满好奇的学习者：渴望探索语言的奥秘，了解软件世界是如何被构建起来的。 有志于成为编译器开发者的人员。 踏上这段激动人心的编译之旅，您将不仅仅是掌握一项技术，更将深刻领悟编程语言的设计智慧，以及代码如何转化为可执行的奇迹。本书将成为您探索软件世界奥秘的宝贵伙伴。

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从技术深度上来说，这本书的广度也令人印象深刻。它并未止步于一个基础的、能跑起来的编译器，而是将目光投向了现代编译器的前沿领域。尽管篇幅有限，作者还是高明地引入了面向现代CPU特性的指令选择和调度策略的概述。这部分内容虽然相对高阶，但作者依然保持了清晰的逻辑链条，没有让读者感到突兀。对于希望将自己的编译器项目推向更高性能的读者来说，这是一个极好的引路人。我尤其赞赏作者在讨论不同优化策略之间的权衡时所展现出的客观性，没有绝对的“最佳”方案，只有最适合特定目标的工程决策。这种辩证的思维方式，是高级软件设计中不可或缺的一部分，这本书在潜移默化中将这种思维传达给了读者。

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这本编程实践书我真是爱不释手，它不仅仅是一本理论的堆砌，更像是一份精心绘制的蓝图，引导读者一步步搭建起一个完整的系统。作者的叙述方式非常平易近人，即使我对编译器前端的复杂概念感到畏惧，也能在阅读过程中找到清晰的路径。书中对词法分析器的设计和实现着墨颇多，每一个正则表达式的演变、每一个有限状态机的转换都被描绘得淋漓尽致。我特别欣赏作者在代码示例中体现出的“面向对象”思维，如何优雅地将语法规则映射到类结构中，这让我对C++的强大表达力有了全新的认识。它没有一上来就抛出复杂的优化算法，而是扎扎实实地打地基，确保读者对解析树的构建、语义分析的流程有着深刻的理解。读完这部分的实践，我感觉自己不再是那个只会调用库函数的新手，而是真正理解了代码是如何被机器“理解”的底层逻辑。这种由内而外的知识构建，是很多教材望尘莫及的。

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我之前尝试过好几本关于编译器构造的教材，它们大多沉溺于形式语言理论的数学证明，读起来枯燥乏味，更别提付诸实践了。但这本书的视角完全不同，它仿佛是一位经验丰富的工程师在手把手教你实战。尤其是在代码生成阶段的处理，作者没有直接跳到复杂的指令集架构，而是先建立了一个非常直观的、中间表示（IR）层级。这个中间表示的设计理念非常巧妙，它既抽象到足以屏蔽底层硬件的差异，又足够具体以便进行后续的优化。我跟着书中的例子，尝试为几个简单的表达式生成汇编代码片段，每一步的内存管理和寄存器分配的决策过程，作者都给出了非常深入的剖析。我感受到了那种“化繁为简”的魔力，原来复杂的编译过程，拆解开来，每一步都遵循着严谨的逻辑。这种务实的、工程导向的写作风格，极大地提升了我的动手能力和解决问题的信心。

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阅读体验上，这本书的排版和插图功不可没，它们是技术书籍中常常被忽视却又至关重要的元素。清晰的结构划分，使得我能够非常容易地在不同章节之间建立联系，例如，如何将词法分析的结果无缝地接入到语法分析模块中。代码块的格式化非常专业，关键的变量和函数名总能以一种突出但不刺眼的方式呈现，极大地减轻了长时间阅读带来的视觉疲劳。更难得的是，作者在书的结尾部分提供了一个完整的、可编译的完整项目结构，这对于那些喜欢边读边敲代码的实践型学习者来说，简直是雪中送炭。它不仅仅是一份指导，更像是一个可以立即投入使用的脚手架，让我的学习曲线变得异常平滑和高效。

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这本书的叙述节奏把握得极其精准，它懂得何时该放慢脚步，何时可以稍作加速。在介绍优化技术的部分，我惊喜地发现，作者并没有将所有优化技术一股脑塞进来，而是选取了最核心、最能体现编译器智能的几个点进行深入挖掘。例如，对常量折叠和死代码消除的讲解，不仅仅停留在算法层面，更重要的是阐述了在特定编译阶段应用这些技术所带来的性能提升的量化分析。这让我的阅读体验从“学习如何做”转变为“理解为什么这么做”。我特别喜欢作者在关键概念旁标注的“陷阱提示”，这些都是作者在实践中踩过的坑，提前规避了读者可能遇到的困惑。这种前瞻性的指导，让这本书的价值远超一般的技术手册，更像是一份高价值的职业发展指南。

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