现代编译原理 C语言描述 修订版 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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编辑推荐

本书享有“虎书”的称号，与有“龙书”之称的《编译原理》齐名，在先进性、新颖性上有很好的优势。
本书是经典编译原理教材，国际上众多名校均采用本书作为编译原理课程的教材，包括美国麻省理工学院、加州大学伯克利分校、普林斯顿大学和英国剑桥大学等。
《现代编译原理：C语言描述（修订版）》按照编译器处理过程的各个阶段依次组织，并精心设计了一个“学生项目编译器”的框架和模块接口。每一章结尾均给出习题，使得学生在掌握了编译原理和方法的同时，能够理论联系实际地亲自动手体验具体的实现过程。
《现代编译原理：C语言描述（修订版）》还增加了一些其他编译原理教科书没有涉及的内容。前端增加了面向对象的程序设计语言、函数式程序设计语言等现代语言的编译实现方法，后端增加了针对现代计算机体系结构特征的一些比较成熟的优化方法。这展现了现代商业编译器需解决的一些关键问题，开拓了学生的视野，为未来更深入的研究奠定基础。

内容简介

本书全面讲述了现代编译器的各个组成部分，包括词法分析、语法分析、抽象语法、语义检查、中间代码表示、指令选择、数据流分析、寄存器分配以及运行时系统等。全书分成两部分，* 一部分是编译的基础知识，适用于* 一门编译原理课程（一个学期）；* 二部分是高 级主题，包括面向对象语言和函数语言、垃圾收集、循环优化、存储结构优化等，适合于后续课程或研究生教学。书中专门为学生提供了一个用C语言编写的实习项目，包括前端和后端设计，学生可以在一学期内创建功能完整的编译器。

作者简介

Andrew W. Appel
美国普林斯顿大学计算机科学系教授，1998~1999年在贝尔实验室做研究工作。主要研究方向是计算机安全、编译器设计、程序设计语言等。
Maia Ginsburg
美国普林斯顿大学计算机科学系讲师。

目录

* 一部分　编译基本原理
* 1章　绪论　　1
1．1　模块与接口　　1
1．2　工具和软件　　3
1．3　树语言的数据结构　　3
程序设计：直线式程序解释器　　7
推荐阅读　　8
习题　　9
* 2章　词法分析　　10
2．1　词法单词　　10
2．2　正则表达式　　11
2．3　有限自动机　　13
2．4　非确定有限自动机　　15
2．5　Lex：词法分析器的生成器　　20
程序设计：词法分析　　22
推荐阅读　　23
习题　　23
第3章　语法分析　　27
3．1　上下文无关文法　　28
3．2　预测分析　　32
3．3　LR分析　　39
3．4　使用分析器的生成器　　48
3．5　错误恢复　　54
程序设计：语法分析　　57
推荐阅读　　58
习题　　58
第4章　抽象语法　　62
4．1　语义动作　　62
4．2　抽象语法分析树　　65
程序设计：抽象语法　　71
推荐阅读　　71
习题　　72
第5章　语义分析　　73
5．1　符号表　　73
5．2　Tiger编译器的绑定　　79
5．3　表达式的类型检查　　82
5．4　声明的类型检查　　84
程序设计：类型检查　　86
习题　　87
第6章　活动记录　　89
6．1　栈帧　　90
6．2　Tiger编译器的栈帧　　96
程序设计：栈帧　　102
推荐阅读　　103
习题　　103
第7章　翻译成中间代码　　106
7．1　中间表示树　　106
7．2　翻译为树中间语言　　108
7．3　声明　　120
程序设计：翻译成树　　122
习题　　123
第8章　基本块和轨迹　　125
8．1　规范树　　126
8．2　处理条件分支　　131
推荐阅读　　134
习题　　134
第9章　指令选择　　136
9．1　指令选择算法　　138
9．2 　CISC机器　　144
9．3　Tiger编译器的指令选择　　146
程序设计：指令选择　　152
推荐阅读　　153
习题　　154
* 10章　活跃分析　　155
10．1　数据流方程的解　　156
10．2　Tiger编译器的活跃分析　　162
程序设计：构造流图　　164
程序设计：活跃分析模块　　165
习题　　165
* 11章　寄存器分配　　166
11．1　通过简化进行着色　　166
11．2　合并　　168
11．3　预着色的结点　　171
11．4　图着色的实现　　175
11．5　针对树的寄存器分配　　181
程序设计：图着色　　184
推荐阅读　　185
习题　　185
* 12章　整合为一体　　188
程序设计：过程入口/出口　　189
程序设计：创建一个可运行的编译器　　191
* 二部分　高 级主题
* 13章　垃圾收集　　193
13．1　标记-清扫式收集　　194
13．2　引用计数　　197
13．3　复制式收集　　198
13．4　分代收集　　201
13．5　增量式收集　　203
13．6　Baker算法　　205
13．7　编译器接口　　205
程序设计：描述字　　208
程序设计：垃圾收集　　208
推荐阅读　　208
习题　　210
* 14章　面向对象的语言　　211
14．1　类　　211
14．2　数据域的单继承性　　213
14．3　多继承　　214
14．4　测试类成员关系　　216
14．5　私有域和私有方法　　218
14．6　无类语言　　219
14．7　面向对象程序的优化　　219
程序设计：OBJECT-Tiger　　220
推荐阅读　　220
习题　　221
* 15章　函数式程序设计语言　　222
15．1　一个简单的函数式语言　　222
15．2　闭包　　224
15．3　不变的变量　　225
15．4　内联扩展　　229
15．5　闭包变换　　233
15．6　高效的尾递归　　235
15．7　懒惰计算　　236
推荐阅读　　243
程序设计：编译函数式语言　　244
习题　　244
* 16章　多态类型　　246
16．1　参数多态性　　246
16．2　类型推论　　253
16．3　多态变量的表示　　259
16．4　静态重载的解决方法　　265
推荐阅读　　266
习题　　266
* 17章　数据流分析　　269
17．1　流分析使用的中间表示　　270
17．2　各种数据流分析　　271
17．3　使用数据流分析结果的几种转换　　274
17．4　加快数据流分析　　276
17．5　别名分析　　281
推荐阅读　　285
习题　　285
* 18章　循环优化　　287
18．1　必经结点　　289
18．2　循环不变量计算　　292
18．3　归纳变量　　293
18．4　数组边界检查　　297
18．5　循环展开　　300
推荐阅读　　301
习题　　301
* 19章　静态单赋值形式　　303
19．1　转化为SSA形式　　305
19．2　必经结点树的高效计算　　310
19．3　使用SSA的优化算法　　315
19．4　数组、指针和存储器　　320
19．5　控制依赖图　　321
19．6　从SSA形式转变回来　　323
19．7　函数式中间形式　　324
推荐阅读　　327
习题　　328
* 20章　流水和调度　　331
20．1　没有资源约束时的循环调度　　332
20．2　有资源约束的循环流水　　336
20．3　分支预测　　341
推荐阅读　　343
习题　　343
* 21章　存储层次　　346
21．1　cache的组织结构　　346
21．2　cache块对齐　　349
21．3　预取　　350
21．4　循环交换　　354
21．5　分块　　355
21．6　垃圾收集和存储层次　　357
推荐阅读　　358
习题　　358
附录　Tiger语言参考手册　　360
参考文献　　368
索引　　376

《代码的奥秘：踏入编译器的奇妙世界》 一、 背景与价值：理解软件的基石 在数字时代，软件已渗透到我们生活的方方面面，从智能手机上的应用程序到驱动庞大数据库的服务器，再到操控现代汽车的嵌入式系统，无处不在。我们习惯于使用高级语言（如Python、Java、C++）编写指令，然后由计算机直接执行。但在这流畅的用户体验背后，隐藏着一个至关重要的过程——编译。 编译是将人类可读的高级编程语言转化为计算机能够理解和执行的低级机器码的过程。它就像一位精明的翻译官，将复杂的思想转化为机器能够准确执行的指令。没有编译，我们就无法在日常使用的计算机上运行任何程序。因此，深入理解编译原理，不仅是对编程技能的提升，更是对软件工程本质的深刻洞察。它帮助我们理解程序运行的深层机制，优化代码性能，甚至能够诊断和解决棘手的程序错误。 本书《代码的奥秘：踏入编译器的奇妙世界》旨在带领读者踏上一段探索编译原理的旅程。我们并非聚焦于某一本特定的参考书，而是从编译器的核心概念入手，剥离其技术细节，展现其内在的逻辑和优雅。我们将从零开始，逐步揭示一个编译器是如何工作的，从最初的源代码，到最终的机器指令，每一个环节都充满了智慧与挑战。 二、 内容概览：编译器的五脏六腑 编译器的设计和实现是一个复杂但高度模块化的过程。本书将深入剖析编译器的主要组成部分，并辅以概念性的阐述和逻辑性的讲解，确保读者能够清晰地理解每个阶段的功能和相互关系。 1. 词法分析：识别语言的“单词” 任何语言，无论是自然语言还是编程语言，都由基本的“词语”构成。在编程语言中，这些“词语”被称为记号（tokens）。词法分析器的任务就是读取源代码字符流，将其划分成有意义的记号序列。例如，在C语言中，`int count = 0;` 这行代码会被词法分析器识别为： `int` (关键字) `count` (标识符) `=` (赋值运算符) `0` (整型常量) `;` (分号) 词法分析器通常使用有限自动机（Finite Automata）作为其理论基础，通过定义一系列规则（即正则表达式）来匹配源代码中的模式。本书将深入讲解正则表达式的强大之处，以及如何将其转化为高效的有限自动机。我们会探讨如何处理空格、注释、关键字、标识符、常量（数字、字符串等）、运算符、分隔符等各种类型的记号。理解词法分析，就像学会了辨认文字中的每个单词，为后续的理解打下基础。 2. 语法分析：理解语言的“句子结构” 仅仅识别出单词还不够，我们需要理解这些单词如何组合成有意义的“句子”或“短语”。这个过程就是语法分析（Parsing），也称为句法分析。语法分析器接收记号流，并根据编程语言的文法（Grammar）规则，构建一个层次化的结构，通常是一个抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）。 抽象语法树是源代码的一种树形表示，它省略了许多非必要的语法细节（如分号、括号等），只保留了程序的结构和语义信息。例如，对于表达式 `a + b c`，其抽象语法树会清晰地表示出乘法运算优先于加法运算。 本书将重点讲解两种主要的语法分析技术： 自顶向下分析：例如递归下降分析（Recursive Descent Parsing），这种方法易于理解和实现，常用于手写分析器。我们将详细阐述如何通过定义一系列相互调用的函数来对应文法规则。 自底向上分析：例如移进-归约分析（Shift-Reduce Parsing），包括LR分析（LR Parsing）及其变种（SLR, LALR, Canonical LR）。这类方法功能更强大，能够处理更广泛的文法，是许多商业编译器采用的核心技术。我们将阐述移进、归约、栈等关键概念，并分析它们如何构建抽象语法树。 通过语法分析，我们从一串无序的记号，构建出程序的逻辑骨架，为后续的语义理解和代码生成铺平了道路。 3. 语义分析：赋予“句子”意义 拥有了抽象语法树，我们还需要确保程序的“意思”是合法的。语义分析（Semantic Analysis）负责检查程序的语法正确性之外的错误，并收集程序中与类型、声明、作用域等相关的信息。 主要的语义分析任务包括： 类型检查：确保运算符的操作数类型匹配，函数的参数类型与声明一致，赋值操作的左右两边类型兼容等。例如，不允许将字符串直接赋值给整型变量。 声明检查：验证所有使用的变量、函数等都已声明，并且在合法的作用域内使用。 作用域分析：确定每个标识符的可见范围，处理嵌套作用域和全局作用域。 信息收集：为后续的代码生成阶段准备符号表（Symbol Table）。符号表是一个记录程序中所有标识符及其属性（类型、作用域、存储位置等）的数据结构。 本书将深入探讨如何构建和维护符号表，以及如何遍历抽象语法树来执行各种语义检查。理解语义分析，就像为理解的句子赋予了具体的含义，确保程序逻辑的合理性。 4. 中间代码生成：搭建通往机器的桥梁 在将高级语言代码直接翻译成机器码之前，一个重要的中间步骤是生成中间代码（Intermediate Code，IC）。中间代码是一种比高级语言更接近机器语言，但又独立于特定机器架构的表示形式。它简化了编译器的设计，使得编译器可以更容易地进行优化，并且更容易支持多种目标机器。 常见的中间代码形式包括： 三地址码（Three-Address Code）：每个指令最多包含三个地址（操作数或结果）。例如，`t1 = a + b`。 P-代码（P-Code）：一种栈式虚拟机代码。 控制流图（Control Flow Graph，CFG）：以基本块为节点的有向图，表示程序执行的控制流程。 本书将重点讲解三地址码的生成，因为它是一种直观且易于优化的中间表示。我们将探讨如何从抽象语法树生成三地址码，并分析如何表示各种控制结构（如条件语句、循环语句）。 5. 代码优化：让程序“跑得更快” 生成的中间代码虽然能正确执行，但往往不够高效。代码优化（Code Optimization）的目标是改进中间代码，使其在运行时更快、占用更少的内存或更少的能源。优化可以发生在多个层面，从局部优化到全局优化。 常见的优化技术包括： 常量折叠（Constant Folding）：在编译时计算常量表达式的值。例如，将 `2 + 3` 替换为 `5`。 代数简化（Algebraic Simplification）：利用代数定律简化表达式。例如，将 `x 1` 替换为 `x`。 死代码消除（Dead Code Elimination）：移除永远不会被执行的代码。 公共子表达式消除（Common Subexpression Elimination）：识别并消除重复计算的表达式。 循环优化：如循环不变代码外提（Loop-Invariant Code Motion），将不会在循环中改变的计算移到循环外。 过程内优化（Intra-procedural Optimization）和过程间优化（Inter-procedural Optimization）。 本书将介绍一些经典的优化技术，并通过具体的例子展示它们如何改善中间代码的效率。我们将着重于理解这些优化的原理，以及它们对程序性能的影响。 6. 代码生成：转化为机器的语言 这是编译过程的最后一步，将经过优化的中间代码转化为目标机器的机器码（Machine Code）。这一阶段需要考虑目标处理器的指令集架构（ISA）、寄存器分配、内存管理等细节。 代码生成器的工作主要包括： 指令选择（Instruction Selection）：将中间代码的操作映射到目标机器的机器指令。 寄存器分配（Register Allocation）：将变量和临时值分配到CPU的寄存器中，以减少对内存的访问。这是影响性能的关键步骤。 指令调度（Instruction Scheduling）：重新排列指令的顺序，以充分利用CPU的流水线，避免停顿。 本书将探讨代码生成的基本原理，并介绍寄存器分配的一些常用算法，如图着色算法。我们将理解机器指令的本质，以及如何巧妙地利用硬件资源来生成高效的机器码。 三、 学习方法与实践建议 为了真正掌握编译原理，理论学习与实践相结合至关重要。 概念优先：初期应重点理解每个阶段的核心概念、目的和输入输出。不要过早陷入细节。 循序渐进：从简单的语言（如一个小型自定义语言）开始，逐步实现编译器的各个阶段。 工具辅助：利用现有的工具，如Lex/Yacc（或Flex/Bison）、ANTLR等，来辅助词法和语法分析器的生成，可以将精力更多地集中在语义分析和代码生成上。 阅读经典：虽然本书不直接引用某本教材，但了解经典的编译器著作（如《编译原理：龙书》）的结构和思想，有助于建立更全面的认识。 实践项目：尝试编写一个简单的解释器，或者一个针对特定计算任务的编译器，在实践中巩固所学知识。 四、 结语 《代码的奥秘：踏入编译器的奇妙世界》的目标是揭示隐藏在高级编程语言背后的强大机制。通过对编译过程的系统性讲解，我们希望读者能够从更宏观的视角理解软件的构成，掌握分析和优化程序的新工具，并激发对计算机科学更深层次的探索兴趣。掌握了编译的原理，就如同掌握了造字的奥秘，能够更自由地驾驭代码，创造更强大、更高效的软件。