【CS】编译原理

dexfire · 2020-3-18 · 次阅读

编译原理

什么是编译？

编译是指将高级语言代码（C，C++，Java等），通过低级语言（通常为汇编）实现的过程，最终输出为机器可执行的二进制机器码文件。

最常接触到的是 C/C++ 编译过程，C/C++ 是一门十分高效的编程语言，其面向对象的编码思想，与其丰富的工具库，高效率的执行机制，使其成为了当今几乎所有性能依赖场景的主流编程语言。

编译工作的几个步骤：

编译过程通常可以抽象为几个过程：

  • 预处理
  • 编译
  • 链接

C/C++ 语言编译流程与编译工具链(toolchain)

C/C++ 代码在编译过程中使用工具链（toolchain）来进行整个编译工作，工具链是一系列预编译好的可执行工具程序、预编译库、预编译头文件、辅助脚本等组件构成，可以完成简单文件的编译工作。

一款盛名远扬的开源编译工具链：

GCC: GNU(Gnu’s Not Unix)编译器套装(GNU Compiler Collection)：

以GPL及LGPL许可证所发行的自由软件，也是GNU项目的关键部分，也是GNU工具链的主要组成部分之一。GCC(特别是其中的C语言编译器)也常被认为是跨平台编译器的事实标准。1985年由理查德·马修·斯托曼开始发展，现在由自由软件基金会负责维护工作。GCC原本用C开发，后来因为LLVM、Clang的崛起，它才将开发语言转换为C++。

  • GCC支持的语言：原名为GNU C语言编译器(GNU C Compiler)，因为它原本只能处理C语言。

  • GCC在发布后很快地得到扩展，变得可处理C++。之后也变得可处理Fortran、Pascal、Objective-C、Java、Ada，Go与其他语言。

  • 许多操作系统，包括许多类Unix系统，如Linux及BSD家族都采用GCC作为标准编译器。苹果电脑预装的Mac OS X操作系统也采用这个编译器。

  • GCC目前由世界各地不同的数个程序员小组维护。它是移植到最多中央处理器架构以及最多操作系统的编译器。由于GCC已成为GNU系统的官方编译器(包括GNU/Linux家族)，它也成为编译与创建其他操作系统的主要编译器，包括BSD家族、Mac OS X、NeXTSTEP与BeOS。

  • GCC通常是跨平台软件的编译器首选。有别于一般局限于特定系统与运行环境的编译器，GCC在所有平台上都使用同一个前端处理程序，产生一样的中介码，因此此中介码在各个其他平台上使用GCC编译，有很大的机会可得到正确无误的输出程序。

  • GCC支持的主要处理器架构：ARM、x86、x86-64、MIPS、PowerPC等。

  • GCC结构：GCC的外部接口长得像一个标准的Unix编译器。用户在命令行下键入gcc之程序名，以及一些命令参数，以便决定每个输入文件使用的个别语言编译器，并为输出代码使用适合此硬件平台的汇编语言编译器，并且选择性地运行连接器以制造可执行的程序。每个语言编译器都是独立程序，此程序可处理输入的源代码，并输出汇编语言码。全部的语言编译器都拥有共通的中介架构：一个前端解析匹配此语言的源代码，并产生一抽象语法树，以及一翻译此语法树成为GCC的寄存器转换语言的后端。编译器最优化与静态代码解析技术在此阶段应用于代码上。最后，适用于此硬件架构的汇编语言代码以杰克·戴维森与克里斯·弗雷泽发明的算法产出。

  • 几乎全部的GCC都由C/C++写成，除了Ada前端大部分以Ada写成。

编译器前端：编译组织器（典例：clang）

Clang：是一个C、C++、Objective-C和Objective-C编程语言的编译器前端。它采用了底层虚拟机(LLVM)作为其后端。它的目标是提供一个GNU编译器套装(GCC)的替代品。作者是克里斯·拉特纳(Chris Lattner)，在苹果公司的赞助支持下进行开发，而源代码授权是使用类BSD的伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开源码许可。Clang主要由C编写。

Clang项目包括Clang前端和Clang静态分析器等。这个软件项目在2005年由苹果电脑发起，是LLVM(Low Level Virtual Machine)编译器工具集的前端(front-end)，目的是输出代码对应的抽象语法树(Abstract Syntax Tree, AST)，并将代码编译成LLVM Bitcode。接着在后端(back-end)使用LLVM编译成平台相关的机器语言。

Clang本身性能优异，其生成的AST所耗用掉的内存仅仅是GCC的20%左右。2014年1月发行的FreeBSD 10.0版将Clang/LLVM作为默认编译器。

Clang性能：测试证明Clang编译Objective-C代码时速度为GCC的3倍，还能针对用户发生的编译错误准确地给出建议。

作者：跃文
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来源：简书
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