手把手教你做一个 C 语言编译器(1):设计

本章是“手把手教你构建 C 语言编译器”系列的第二篇,我们要从整体上讲解如何设计我们的 C 语言编译器。

本系列:

  1. 手把手教你做一个 C 语言编译器(0):前言

首先要说明的是,虽然标题是编译器,但实际上我们构建的是 C 语言的解释器,这意味着我们可以像运行脚本一样去运行 C 语言的源代码文件。这么做的理由有两点:

  1. 解释器与编译器仅在代码生成阶段有区别,而其它方面如词法分析、语法分析是一样的。
  2. 解释器需要我们实现自己的虚拟机与指令集,而这部分能帮助我们了解计算机的工作原理。

编译器的构建流程

一般而言,编译器的编写分为 3 个步骤:

  1. 词法分析器,用于将字符串转化成内部的表示结构。
  2. 语法分析器,将词法分析得到的标记流(token)生成一棵语法树。
  3. 目标代码的生成,将语法树转化成目标代码。

已经有许多工具能帮助我们处理阶段1和2,如 flex 用于词法分析,bison 用于语法分析。只是它们的功能都过于强大,屏蔽了许多实现上的细节,对于学习构建编译器帮助不大。所以我们要完全手写这些功能。

所以我们会根据下面的流程:

  1. 构建我们自己的虚拟机以及指令集。这后生成的目标代码便是我们的指令集。
  2. 构建我们的词法分析器
  3. 构建语法分析器

编译器的框架

我们的编译器主要包括 4 个函数:

  1. next() 用于词法分析,获取下一个标记,它将自动忽略空白字符。
  2. program() 语法分析的入口,分析整个 C 语言程序。
  3. expression(level) 用于解析一个表达式。
  4. eval() 虚拟机的入口,用于解释目标代码。

这里有一个单独用于解析“表达式”的函数 expression 是因为表达式在语法分析中相对独立并且比较复杂,所以我们将它单独作为一个模块(函数)。

因为我们的源代码看起来就像是:

上面的代码看上去挺复杂,但其实内容不多,就是读取一个源代码文件,逐个读取每个字符,并输出每个字符。这里重要的是注意每个函数的作用,后面的文章中,我们将逐个填充每个函数的功能,最终构建起我们的编译器。

本节的代码可以在 Github 上下载,也可以直接 clone

这样我们就有了一个最简单的编译器:什么都不干的编译器,下一章中,我们将实现其中的eval函数,即我们自己的虚拟机。

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