技术标签: 编译器
我们在上一节中实现了对语句的编译,在这一节中,我们希望向语句中加入全局变量。实现类似以下语句:
int a;
int b;
int c;
int d;
int e;
int f;
int g;
a = 2;
b = 3;
c = 4;
d = 5;
e = 6;
f = 7;
g = 8;
print a + b * c / d % e - f + g;
这需要变量有以下功能:
变量声明: VarDecl → ‘int’ Ident ‘;’
变量赋值: Stmt → Ident ‘=’ IntConst ‘;’
为了实现变量,我们必须要有一张符号表,来存放变量。在本节中,只建立全局变量符号表。
#define SYMBOL_NUM 1024 // 符号表长度
// 符号表结构体
struct symtable
{
char *name; // 符号名
};
struct symbol_table Tsym[SYMBOL_NUM]; // 全局符号表
此外,我们还要添加三个操作全局变量符号表的函数。
int Globals = 0; // 全局符号表下一个空闲位置
// 检查符号s是否在全局符号表中。
// 返回其插槽位置或-1
int find_global(char *s)
{
int i;
for (i = 0; i < Globals; i++)
{
if (*s == *Tsym[i].name && !strcmp(s, Tsym[i].name))
return i;
}
return -1;
}
// 获取新的全局符号槽的位置
int new_global()
{
int p;
if ((p = Globals++) >= SYMBOL_NUM)
{
fprintf(stderr, "Too many global symbols on line %d\n", Line);
exit(1);
}
return p;
}
// 将全局变量添加到符号表,并返回符号表中的位置
int add_global(char *name)
{
int y;
// 如果已经在符号表中,则返回现有位置
if ((y = find_global(name)) != -1)
return (y);
// 获得一个新的位置,并填入信息和返回位置
y = new_global();
Tsym[y].name = strdup(name);
return y;
}
为了实现新加的语法功能,我们需要一些新单词类型:
将‘int’加入match_keyword()函数:
case 'i':
if(!strcmp(s, "int"))
return (T_KEYINT);
break;
将"="加入scan()函数:
case '=': t->token = T_EQU; break;
对于标识符,我们已经在scan_ident() 将单词存储到Text变量中了,如果变量不是关键字,那它就是标识符,返回T_IDENT。将scan()函数中的语句段
printf("Unrecognised symbol %s on line %d\n", Text, Line);
exit(1);
修改为
t->token = T_IDENT;
break;
新增变量语法后,语句分析器也要进行相应的修改:
// 分析语句
void statements()
{
while (1)
{
switch (Token.token)
{
case T_PRINT: print_statement(); break;
case T_KEYINT: var_declaration(); break;
case T_IDENT: assignment_statement(); break;
case T_EOF: return;
default: fprintf(stderr, "Syntax error, token:%s on line %d\n", Token.token, Line);
exit(1);
}
}
}
同时把原来在statement()函数中的分析打印语句的语句块函数化,生成一个新的函数。
// 分析打印语句
void print_statement()
{
struct ASTnode *tree;
int reg;
// 匹配第一个"print"单词
match(T_PRINT, "print");
// 分析表达式并生成汇编代码
tree = binexpr(0);
reg = code_generator(tree, -1);
arm_print_reg(reg);
arm_freeall_registers();
// 匹配接下来的";"
semi();
}
为词法分析器,添加一个声明变量的函数
// 检查当前单词是否为标识符,并获取下一个单词
void ident()
{
match(T_IDENT, "identifier");
}
// decl.c
// 分析变量声明
void var_declaration()
{
// 检查当前单词是否为“int”,后跟一个标识符和一个分号
match(T_KEYINT, "int");
ident();
add_global(Text);
arm_global_sym(Text);
semi();
}
我们考虑下面这个式子
a = b + c;
我们计算这个式子的流程是先计算b + c,再将和赋给a。所以,在建立AST树的时候,我们要生成一个A_ASSIGN的新类型节点,表示是赋值操作,它的左孩子是表达式(a + b),右孩子是一个A_LVIDENT的新类型的节点。A_LVIDENT节点表示,该节点是左值标识符,左值是绑定到特定位置的值,在这里它是内存中保存变量值的地址。
这样做时,我们将先计算左子树的表达式值,然后赋给右子树中保存的地址得到的标识符。好处是右值不依赖于特定的位置,表达式结果可能在任意寄存器中。
修改AST节点类型为
// AST节点类型
enum
{
A_ADD, A_SUB, A_MUL, A_DIV, A_MOD, A_INT, A_IDENT, A_ASSIGN, A_LVIDENT
};
现在我们需要在 A_INTLIT AST 节点中存储整数文字值,或者在 A_IDENT AST 节点中存储符号的详细信息,所以在 AST 结构中添加了一个并集以执行此操作,修改AST结构体为
// 抽象语法树结构体
struct ASTnode
{
int op; // 节点的操作类型
struct ASTnode *left;
struct ASTnode *right;
union {
int intvalue; // 对于立即数,储存数值
int id; // 对于标识符,储存符号表位置
} v;
};
增加分析赋值语句的函数
// 分析赋值语句
void assignment_statement()
{
struct ASTnode *left, *right, *tree;
int id;
// 检查标识符
ident();
// 检查它是否已定义,然后为它创建一个叶节点
if ((id = find_global(Text)) == -1)
{
fprintf(stderr, "Undeclared variable on line %d\n", Line);
exit(1);
}
right = mkastleaf(A_LVIDENT, id);
// 匹配等号
match(T_EQU, "=");
// 分析接下来的表达式
left = binexpr(0);
// 生成赋值AST树
tree = mkastnode(A_ASSIGN, left, right, 0);
// 生成汇编代码
code_generator(tree, -1);
arm_freeall_registers();
// 匹配";"
semi();
}
我们首先执行左侧的AST子级,然后获取一个保存左侧子树值的寄存器号,现在我们将此寄存器号传递给右侧子树,我们需要对A_LVIDENT节点执行此操作,以便于让后面的函数知道哪个寄存器保存赋值表达式的右值结果。
代码如下:
// 给定AST,生成汇编代码,返回值为结果所在寄存器号
int code_generator(struct ASTnode *n, int reg)
{
int leftreg, rightreg;
if (n->left) leftreg = code_generator(n->left, -1);
if (n->right) rightreg = code_generator(n->right, leftreg);
switch (n->op)
{
case A_ADD: return (arm_add(leftreg,rightreg));
case A_SUB: return (arm_sub(leftreg,rightreg));
case A_MUL: return (arm_mul(leftreg,rightreg));
case A_DIV: return (arm_div(leftreg,rightreg));
case A_MOD: return (arm_mod(leftreg,rightreg));
case A_INT: return (arm_load_int(n->v.intvalue));
case A_IDENT: return (arm_load_global(n->v.id));
case A_LVIDENT:return (arm_stor_global(reg, n->v.id));
case A_ASSIGN: return rightreg;
default: fprintf(stderr, "Unknown AST operator %d\n", n->op);
exit(1);
}
}
注:这里将arm_load()
修改成其他arm_load函数一样的arm_load_XXX()
形式。
这里解释一下这段代码的意思,考虑以下 AST 树:
A_ASSIGN
/ \
A_INT A_LVIDENT
(3) (5)
我们调用leftreg = code_generator(n->left, -1);
以执行 A_INT操作,这将执行 case A_INT: return (arm_load_int(n->v.intvalue));
即加载值为3的寄存器并返回寄存器ID。
然后我们调用 rightreg = code_generator(n->right, leftreg);
以执行A_LVIDENT操作,这将把 return (arm_load_global(Tsym[n->v.id].name));
返回的寄存器存储到名称为Tsym[5]的变量中。
然后我们回到A_ASSIGN操作,右值仍在寄存器中,因此让它保留在那里并返回它。
我们对primary()函数进行修改,使其同时加载变量的值:
// 解析一个整数单词并返回表示它的AST节点
struct ASTnode *primary()
{
struct ASTnode *n;
int id;
switch (Token.token)
{
// 对于整数单词,为其生成一个AST叶子节点
case T_INT:
n = mkastleaf(A_INT, Token.intvalue);
break;
// 对于标识符,检查存在并为其生成一个AST叶子节点
case T_IDENT:
id = find_global(Text);
if (id == -1)
{
fprintf(stderr, "Unknown variable %s on line %d\n", Text, Line);
exit(1);
}
n = mkastleaf(A_IDENT, id);
break;
default:
fprintf(stderr, "syntax error, token %s on line %d\n", Token.token, Line);
exit(1);
}
// 扫描下一个单词,并返回左节点
scan(&Token);
return n;
}
上面已经说了,我将旧arm_load()
函数的名称更改为arm_load_int()
,现在我们有一个函数可以从全局变量加载值:
// 确定变量与.L2标签的偏移量
void set_var_offset(int id)
{
fprintf(Outfile, "\tldr\tr3, .L2+%d\n", id * 4);
}
// 将变量中的值加载到寄存器中,并返回寄存器编号
int arm_load_global(int id)
{
// 获得一个新的寄存器
int r = arm_alloc_register();
// 获得变量偏移地址
set_var_offset(id);
fprintf(Outfile, "\tldr\tr%d, [r3]\n", r);
return r;
}
同样我们需要一个函数来将寄存器值保存到变量中:
// 将寄存器的值装载入变量
int arm_stor_global(int r, int id)
{
// 获得变量偏移地址
set_var_offset(id);
fprintf(Outfile, "\tstr\tr%d, [r3]\n", r);
return r;
}
我们还需要一个函数来创建新的全局整数变量:
// 生成全局变量符号表
void arm_global_sym(char *name)
{
fprintf(Outfile, "\t.text\n\t.comm\t%s,4,4\n", name);
}
对应的,我们也要修改汇编尾代码函数,时期能输出全局变量表。
// 汇编尾代码
void arm_postamble()
{
fputs(
"\tmov r3, #0\n"
"\tmov r0, r3\n"
"\tpop {fp, pc}\n"
".L3:\n"
"\t.word .LC0\n"
"\t.size main, .-main\n",
Outfile);
fprintf(Outfile, ".L2:\n");
for (int i = 0; i < Globals; i++)
{
fprintf(Outfile, "\t.word %s\n", Tsym[i].name);
}
}
输入:
int a;
int b;
int c;
int d;
int e;
int f;
int g;
int h;
int i;
a = 1;
b = 4;
c = 13;
d = 11;
e = 2;
f = 0;
g = 20;
h = 1024;
i = 10;
a = a + b;
c = c - d;
e = e * f;
g = g / g;
h = h % i;
print a;
print c;
print e;
print g;
print h;
g = a + c + e + g + h;
print g;
输出(out.s):
.text
.global __aeabi_idiv
.section .rodata
.align 2
.LC0:
.ascii "%d\012\000"
.text
.align 2
.global main
.type main, %function
main:
push {
fp, lr}
add fp, sp, #4
.text
.comm a,4,4
.text
.comm b,4,4
.text
.comm c,4,4
.text
.comm d,4,4
.text
.comm e,4,4
.text
.comm f,4,4
.text
.comm g,4,4
.text
.comm h,4,4
.text
.comm i,4,4
mov r4, #1
ldr r3, .L2+0
str r4, [r3]
mov r4, #4
ldr r3, .L2+4
str r4, [r3]
mov r4, #13
ldr r3, .L2+8
str r4, [r3]
mov r4, #11
ldr r3, .L2+12
str r4, [r3]
mov r4, #2
ldr r3, .L2+16
str r4, [r3]
mov r4, #0
ldr r3, .L2+20
str r4, [r3]
mov r4, #20
ldr r3, .L2+24
str r4, [r3]
mov r4, #1024
ldr r3, .L2+28
str r4, [r3]
mov r4, #10
ldr r3, .L2+32
str r4, [r3]
ldr r3, .L2+0
ldr r4, [r3]
ldr r3, .L2+4
ldr r5, [r3]
add r4, r4, r5
ldr r3, .L2+0
str r4, [r3]
ldr r3, .L2+8
ldr r4, [r3]
ldr r3, .L2+12
ldr r5, [r3]
sub r4, r4, r5
ldr r3, .L2+8
str r4, [r3]
ldr r3, .L2+16
ldr r4, [r3]
ldr r3, .L2+20
ldr r5, [r3]
mul r4, r4, r5
ldr r3, .L2+16
str r4, [r3]
ldr r3, .L2+24
ldr r4, [r3]
ldr r3, .L2+24
ldr r5, [r3]
mov r0, r4
mov r1, r5
bl __aeabi_idiv
mov r4, r0
ldr r3, .L2+24
str r4, [r3]
ldr r3, .L2+28
ldr r4, [r3]
ldr r3, .L2+32
ldr r5, [r3]
mov r6, r4
mov r0, r6
mov r1, r5
bl __aeabi_idiv
mov r6, r0
mul r6, r6, r5
sub r4, r4, r6
ldr r3, .L2+28
str r4, [r3]
ldr r3, .L2+0
ldr r4, [r3]
mov r1, r4
ldr r0, .L3
bl printf
ldr r3, .L2+8
ldr r4, [r3]
mov r1, r4
ldr r0, .L3
bl printf
ldr r3, .L2+16
ldr r4, [r3]
mov r1, r4
ldr r0, .L3
bl printf
ldr r3, .L2+24
ldr r4, [r3]
mov r1, r4
ldr r0, .L3
bl printf
ldr r3, .L2+28
ldr r4, [r3]
mov r1, r4
ldr r0, .L3
bl printf
ldr r3, .L2+0
ldr r4, [r3]
ldr r3, .L2+8
ldr r5, [r3]
add r4, r4, r5
ldr r3, .L2+16
ldr r5, [r3]
add r4, r4, r5
ldr r3, .L2+24
ldr r5, [r3]
add r4, r4, r5
ldr r3, .L2+28
ldr r5, [r3]
add r4, r4, r5
ldr r3, .L2+24
str r4, [r3]
ldr r3, .L2+24
ldr r4, [r3]
mov r1, r4
ldr r0, .L3
bl printf
mov r3, #0
mov r0, r3
pop {
fp, pc}
.L3:
.word .LC0
.size main, .-main
.L2:
.word a
.word b
.word c
.word d
.word e
.word f
.word g
.word h
.word i
输出(out):
5
2
0
1
4
12
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