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出版者:科学出版社

作者:康建华、王宏栋

出品人:

页数:307

译者:

出版时间:2006-9

价格:30.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787030177124

丛书系列:

图书标签:

• 计算机基础
• 信息技术
• 应用
• 入门
• 教材
• 计算机科学
• 信息处理
• 数字化
• 基础知识
• IT

编程语言的设计与实现：从理论到实践 本书导览： 在当今数字化的世界中，软件无处不在，而支撑这一切的基石正是编程语言。本书深入探讨了编程语言的设计哲学、形式化理论基础及其在实际编译器和解释器构建中的应用。它不仅仅是一本关于特定语言语法的教科书，更是一部关于如何构建、分析和优化语言工具的全面指南。 第一部分：编程语言的基础理论与形式化方法 本部分奠定了理解编程语言的数学和逻辑基础。我们将从最基本的概念出发，逐步深入到描述语言结构和语义的严谨工具。 第一章：语言学的根基——形式文法与自动机理论 本章详细阐述了如何使用形式语言理论来精确描述编程语言的语法结构。 1.1 正则文法与有限自动机 (FA/DFA/NFA)： 介绍正则表达式及其在词法分析中的应用。重点分析有限自动机在识别标记（Tokens）时的效率和局限性。讨论非确定性与确定性有限自动机之间的等价性及其在实际扫描器生成中的转换过程。 1.2 上下文无关文法 (CFG)： 这是描述程序结构（如表达式、语句块和函数定义）的核心工具。详细讲解巴科斯-诺尔范式（BNF）和扩展巴科斯-诺尔范式（EBNF）。通过具体的例子（如算术表达式的递归定义），展示CFG如何精确地捕获语言的层次结构。 1.3 下推自动机 (PDA)： PDA是识别上下文无关语言的理论模型，是分析器（Parser）的理论基础。本节阐述PDA的工作原理，并将其与CFG的生成能力相对应。 1.4 文法的消除冗余与规范化： 讨论消除左递归、二义性以及左因子分解等关键预处理步骤，这些是成功构建 LL 或 LR 分析器前提。 第二章：语义的精确描述——形式语义学 如果说语法描述了程序的“形状”，那么语义则描述了程序的“意义”。本章聚焦于如何用数学工具精确地定义程序执行的效果。 2.1 操作语义学（Operational Semantics）： 介绍“小步语义”（Small-Step Semantics，或称反应式语义）和“大步语义”（Big-Step Semantics，或称自然语义）。通过对基本控制结构（如If-Then-Else、While循环）的定义，展示如何模拟程序的每一步或最终状态。 2.2 展延语义学（Denotational Semantics）： 侧重于将程序结构映射到数学结构（如域理论、偏序集）上。讲解如何通过连续函数来精确定义递归和无限循环的行为，这对于证明程序正确性至关重要。 2.3 公理语义学（Axiomatic Semantics）： 基于霍尔逻辑（Hoare Logic）的系统性介绍。详细阐述前置条件、后置条件和断言的含义，并展示如何使用推理规则来证明程序片段的正确性，特别是循环不变量的应用。 第二部分：编译器构建的实践艺术 本部分将理论知识转化为实际的工程实践，聚焦于编译器和解释器的核心组件设计与实现。 第三章：词法分析器的设计与实现 本章关注于将源代码字符串分解为有意义的单元（Token）的过程。 3.1 扫描器的结构与状态机驱动： 详细解析使用DFA实现高效词法分析的原理。介绍如何通过工具（如Lex/Flex）自动生成高效的词法分析器代码。 3.2 错误处理与恢复： 讨论词法错误（如非法字符序列）的检测和在不中断分析过程的情况下进行局部恢复的策略。 第四章：语法分析器的构建——自顶向下与自底向上 本章是编译器前端的核心，涉及如何根据CFG结构构建程序的抽象语法树（AST）。 4.1 LL(k) 分析技术： 讲解递归下降分析器（Recursive Descent Parser）的设计，并深入分析如何构建预测分析表（Predictive Parsing Table）。讨论回溯和回溯消除的技术。 4.2 LR(k) 分析技术进阶： 重点讲解LR(0), SLR, LALR(1) 分析器的构造过程。详细解析如何生成状态转换图（DFA）和ACTION/GOTO表。阐述LR分析器在处理大多数现代编程语言时的优越性。 4.3 抽象语法树（AST）的构建与遍历： 介绍如何在使用解析器（Parser）的同时，构建一个简洁、抽象的中间表示——AST。讨论AST在后续语义分析和代码生成中的关键作用。 第五章：中间代码的生成与优化 编译器生成的代码需要一个与源语言和目标机器相对独立的表示形式，即中间代码（Intermediate Representation, IR）。 5.1 中间表示的选择与设计： 比较和对比主流的IR形式，如三地址码（Three-Address Code）、静态单赋值形式（SSA）及其在控制流图（CFG）上的表示。 5.2 静态语义分析： 深入探讨类型检查（Type Checking）、作用域规则（Scope Resolution）和变量声明的检查。讨论类型推导（Type Inference）算法，尤其是在非强类型语言中的实现。 5.3 代码优化基础： 介绍编译器优化的核心目标。详细分析数据流分析（如到达定义分析、活跃变量分析）的基础，并阐述如何利用这些分析结果执行常量折叠（Constant Folding）、死代码消除（Dead Code Elimination）等经典优化。 第三部分：高级语言特性与现代编译技术 本部分关注复杂语言特性（如面向对象、并发）的实现机制，以及现代编译器的性能考量。 第六章：面向对象语言的编译模型 面向对象范式（OOP）对编译器提出了独特的挑战，主要体现在动态分派和继承机制上。 6.1 类和对象的内存布局： 讲解虚函数表（V-Table）的机制，这是实现C++或Java中多态性的底层基础。 6.2 方法调用与动态绑定： 分析在编译期和运行期如何解析对类方法的调用，以及虚函数调用的开销分析。 6.3 垃圾回收机制（GC）： 概述内存自动管理的基本算法，包括引用计数（Reference Counting）、标记-清除（Mark and Sweep）以及更先进的复制收集（Copying Collectors）的原理和权衡。 第七章：并行性、并发性与语言支持 在多核时代，语言如何支持并行编程至关重要。 7.1 并发模型与同步原语： 分析基于锁（Locks）、信号量（Semaphores）以及消息传递（如Go语言的Goroutines和Channels）的不同并发模型。 7.2 数据竞争的静态分析： 探讨编译器如何辅助识别潜在的数据竞争和死锁风险，介绍相关的程序分析技术。 第八章：解释器与即时编译（JIT） 并非所有语言都以编译为目标，本章探讨解释执行的原理和现代JIT技术的融合。 8.1 虚拟机与字节码： 设计一个简单的基于栈的虚拟机（Stack-based VM），并讲解如何将高级语言编译成高效的中间字节码。 8.2 JIT编译策略： 深入研究即时编译（Just-In-Time Compilation）的工作原理，包括热点代码识别、代码缓存、方法内联（Inlining）以及去优化（Deoptimization）的复杂性。 附录： 经典编译器工具链（GCC/LLVM）的架构概述。 本书特色： 本书力求平衡理论的严谨性与工程的实用性。通过大量手工构造和分析的例子，读者将不仅理解“如何”构建一个编译器，更重要的是理解“为什么”编程语言需要被这样设计和实现。本书适合作为计算机科学专业高年级本科生或研究生在编译原理、程序语言理论课程中的核心教材，也为希望深入了解底层机制的软件工程师提供了坚实的参考。

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