編譯原理--04 符號表、運行時存儲組織和代碼優化複習(清華大學出版社第3版)

前言

目錄

01 文法和語言、詞法分析複習

02 自頂向下、自底向上的LR分析複習

03 語法制導翻譯和中間代碼生成複習

04 符號表、運行時存儲組織和代碼優化複習

第8章 靜態語義分析和中間代碼生成(續)

符號表

符號表需要在編譯期間用到，記錄符號的具體信息。本部分只討論PL/0符號表的建立。

PL/0符號表結構

PL/0的符號表包含5個信息：

1. NAME，符號名
2. KIND，符號類型
3. LEVEL/VAL，層次/值。如果類型爲CONSTANT，存放的是常量的值；如果類型爲VARIABLE或PROCEDURE，存放所屬分程序的層次，主程序的層次爲0；在主程序中定義的內容層次爲1；主程序內第一層分程序中定義的內容層次爲2，以此類推。
4. ADR，地址。如果爲簡單變量或常量，則記錄的是該量在數據區所佔單元的相對地址，用DX表示給本層局部變量分配的相對存儲位置，每說明一個變量後DX加1；如果爲過程，則存放該過程的分程序入口地址（需要返填）
5. SIZE，大小。該過程局部變量的個數（需要返填）

例如下面的程序：

const a = 35, b = 49;
var c, d, e;
procedure p;
    var g;

對應的符號表爲：

NAME	KIND	VAL/LEVEL	ADD	SIZE
a	CONSTANT	35
b	CONSTANT	49
c	VARIABLE	LEV	DX
d	VARIABLE	LEV	DX+1
e	VARIABLE	LEV	DX+2
p	PROCEDURE	LEV	p的入口地址	4
g	VARIABLE	LEV+1	DX

又例如下面的程序：

const a = 25;
var x, y;
procedure p;
    var z;
    begin
        ...
    end;
procedure r;
var x, s;
    procedure t;
    var v;
        begin
        ...
        end;
    begin
    ...
    end;
begin
...
end.

對應的符號表爲：

NAME	KIND	VAL/LEVEL	ADD	SIZE
a	CONSTANT	25
x	VARIABLE	LEV	DX
y	VARIABLE	LEV	DX+1
p	PROCEDURE	LEV	p的入口地址	3
z	VARIABLE	LEV+1	DX
r	PROCEDURE	LEV	r的入口地址	4
x	VARIABLE	LEV+1	DX
s	VARIABLE	LEV+1	DX+1
t	PROCEDURE	LEV+1	t的入口地址	3
v	VARIABLE	LEV+2	DX

第9章 運行時存儲組織(暫跳)

第10章 代碼優化

優化技術簡介

常用優化技術有：

1. 刪除多餘運算
2. 循環不變代碼外提
3. 強度削弱
4. 變換循環控制條件
5. 合併已知量
6. 複寫傳播與刪除無用賦值

刪除多餘運算

\((1)T_1:=4*I\)
\((2)T_2:=addr(A)-4\)
\((3)T_3:=T_2[T_1]\)
\((4)T_4:=4*I\)
\((5)T_5:=addr(B)-4\)
\((6)T_6:=T_5[T_4]\)

可以看到\((4)\)式做了和\((1)\)式重複的工作，可以改寫成\(T_4:=T_1\)

循環不變代碼外提

原代碼：
塊1
\((1)P:=0\)
\((2)I:=1\)
塊2
\((3)T_1:=4*I\)
\((4)T_2:=addr(A)-4\)
\((5)T_3:=T_2[T_1]\)
\((6)P:=P+T_3\)
\((7)I:=I+1\)
\((8)if \;I<=20\;goto\;(3)\)

可以看到\((4)\)式在每次循環都做重複的工作，可以把它提到循環外來，記得修改跳轉：
塊1
\((1)P:=0\)
\((2)I:=1\)
\((3)T_2:=addr(A)-4\)
塊2
\((4)T_1:=4*I\)
\((5)T_3:=T_2[T_1]\)
\((6)P:=P+T_3\)
\((7)I:=I+1\)
\((8)if \;I<=20\;goto\;(4)\)

強度削弱

把強度大的運算換成強度小的運算，比如用加法換乘法：
塊1
\((1)P:=0\)
\((2)I:=1\)
\((3)T_2:=addr(A)-4\)
塊2
\((4)T_1:=4*I\)
\((5)T_3:=T_2[T_1]\)
\((6)P:=P+T_3\)
\((7)I:=I+1\)
\((8)if \;I<=20\;goto\;(4)\)

把\((4)\)式經過處理，並修改跳轉：
塊1
\((1)P:=0\)
\((2)I:=1\)
\((3)T_1:=0\)
\((4)T_2:=addr(A)-4\)
塊2
\((5)T_1:=T_1+4\)
\((6)T_3:=T_2[T_1]\)
\((7)P:=P+T_3\)
\((8)I:=I+1\)
\((9)if \;I<=20\;goto\;(5)\)

變換循環控制條件

下面的代碼中，\(I\)和\(T_1\)保持4倍的線性關係：
塊1
\((1)I:=1\)
\((2)T_1:=4*I\)
塊2
\((3)P:=T_2[T_1]\)
\((4)I:=I+1\)
\((5)T_1=T_1+4\)
\((6)if\;I<=20\;goto\;(3)\)

可以把循環條件\(I<=20\)改爲\(T_1<=80\)，然後修改\(T_1\)的初始賦值，這樣\(I\)在整個循環都沒有被用上，可以剔除：
塊1
\((1)T_1:=4\)
塊2
\((2)P:=T_2[T_1]\)
\((3)T_1=T_1+4\)
\((4)if\;T_1<=80\;goto\;(2)\)

合併已知量

下面的代碼中，在計算\(4*I\)時，\(I\)必定爲1：
\((1)I:=1\)
\((2)T_1:=4*I\)

因此可以直接在編譯期間算出它的值是4：
\((1)I:=1\)
\((2)T_1:=4\)

複寫傳播和刪除無用賦值

看下面的代碼：
塊1
\((1)T_1:=4\)
\((2)I:=1\)
塊2
\((3)T_2:=T_1\)
\(...\)
\((7)T_3:=T_4[T_2]\)
\((8)T_1:=T_1+T_3\)
\((9)I:=I+1\)
\((10)if\;T_1<=80\;goto\;(3)\)

四元式\((3)\)把\(T_1\)的值寫入\(T_2\)中，但\(T_2\)和\(T_1\)的值在\((3)\)到\((7)\)之間沒有發生改變，故將\((7)\)改爲\(T_3:=T_4[T_1]\)

此時\((3)\)式沒有被引用，屬於無用賦值，可以刪掉。

然後，\((2)\),\((9)\)對\(I\)賦值，但也只是自我引用，其餘地方沒有需要用到\(I\)，屬於無用賦值，故可以刪掉。

最終變爲：
塊1
\((1)T_1:=4\)
塊2
\(...\)
\((5)T_3:=T_4[T_1]\)
\((6)T_1:=T_1+T_3\)
\((7)if\;T_1<=80\;goto\;(2)\)

基本塊、流圖和循環

基本塊

一個基本塊內部是順序執行的，故內部不能有任何停止、分支、跳轉。

基本塊的劃分：

1. 條件轉移語句或者無條件轉移語句和下一句語句之間要劃分開
2. 跳轉的目標語句要和上一句語句之間劃分開

例如：
\((1)\quad pi:=3.14\)
\((2)\quad ar:=0.0\)
\((3)\quad n:=16\)
\((4)\quad r:=1\)
\((5)\quad if\;n<=1\;goto\;(9)\)
\((6)\quad r:=r*n\)
\((7)\quad n:=n-1\)
\((8)\quad goto\;(5)\)
\((9)\quad ar:=2*pi\)
\((10)\quad ar:=ar*r\)
\((11)\quad print\;ar\)

經過劃分後：
B1
\((1)\quad pi:=3.14\)
\((2)\quad ar:=0.0\)
\((3)\quad n:=16\)
\((4)\quad r:=1\)
/////////////////////////////////////////////////
B2
\((5)\quad if\;n<=1\;goto\;(9)\)
/////////////////////////////////////////////////
B3
\((6)\quad r:=r*n\)
\((7)\quad n:=n-1\)
\((8)\quad goto\;(5)\)
/////////////////////////////////////////////////
B4
\((9)\quad ar:=2*pi\)
\((10)\quad ar:=ar*r\)
\((11)\quad print\;ar\)

流圖

流圖 是在已經劃分基本塊的基礎上，構造一個有向圖。

1. 兩個相鄰基本塊如果上面的沒有跳轉，可以直接和下面的相連
2. 如果當前基本塊最後存在無條件跳轉，直接和跳轉的目標基本塊相連
3. 如果當前基本塊存在最後有條件跳轉，需要先和下面相鄰的基本塊相連，然後和跳轉的目標基本塊相連

上面的基本塊集合爲\(\{B1,B2,B3,B4\}\)，可以用有向邊集合\(\{B1\rightarrow B2, B2\rightarrow B3, B3\rightarrow B2, B2\rightarrow B4\}\)，這裏不畫圖。

循環

支配結點，指的是對任意兩個結點m和n來說，如果從流圖的首結點出發，到達n的任一通路都要經過m，則稱m是n的支配結點，記爲\(m\;DOM\;n\)

下圖是某個程序的流圖，其結點即程序中的基本塊

所有結點的支配結點集D(n)：
\(D(1)=\{1\}\)
\(D(2)=\{1,2\}\)
\(D(3)=\{1,2,3\}\)
\(D(4)=\{1,2,4\}\)
\(D(5)=\{1,2,4,5\}\)
\(D(6)=\{1,2,4,6\}\)
\(D(7)=\{1,2,4,7\}\)

該圖的有向邊集合爲：\(\{1\rightarrow 2, 2\rightarrow 3, 2\rightarrow 4, 3\rightarrow 4, 4\rightarrow 2, 4\rightarrow 5, 4\rightarrow 6, 5\rightarrow 7, 6\rightarrow 6, 6\rightarrow 7, 7\rightarrow 4\}\)

回邊指的是存在一條邊\(A\rightarrow B\)，使得\(B\in D(A)\)。故上圖的回邊有\(4\rightarrow 2, 6\rightarrow 6,7\rightarrow4\)

一個循環由其中的一條回邊\(A\rightarrow B\)對應的兩個結點\(B,A\)，以及有通路到達\(A\)而不經過\(B\)的所有結點組成，並且保證\(B\)是該循環的唯一入口結點。

如包含回邊\((6\rightarrow 6)\)的循環爲\(\{6\}\)
包含回邊\((7\rightarrow 4)\)的循環爲\(\{4,5,6,7\}\)
包含回邊\((4\rightarrow 2)\)的循環爲\(\{2,3,4,5,6,7\}\)

這一章可能的考點

1. 劃分基本表、畫出流圖、求支配集、找回邊、找循環
2. 代碼局部優化