不标题党，分享一个牛逼哄哄的编译器实现过程

本篇文章来自于云巴技术工程师，在介绍编译器的原理之后，还手把手教你实现一个简单的编译器~

简单的说 编译器 就是语言翻译器，它一般将高级语言翻译成更低级的语言，如 GCC 可将 C/C++ 语言翻译成可执行机器语言， Java 编译器可以将 Java 源代码翻译成 Java 虚拟机可以执行的字节码。

编译器如此神奇，那么它到底是如何工作的呢？本文将简单介绍编译器的原理，并实现一个简单的编译器，使它能编译我们自定义语法格式的源代码。（文中使用的源码都已上传至 GitHub 以方便查看）。

自定义语法

为了简洁易懂，我们的编译器将只支持以下简单功能：

• 数据类型只支持整型，这样不需要数据类型符；

• 支持 加（+），减（-），乘（*）， 除（/） 运算

• 支持函数调用

• 支持 extern（为了调用 printf 打印计算结果）

以下是我们要支持的源码实例 demo.xy：

extern printi(val)

sum(a, b) {
  return a + b
}

mult(a, b) {
  return a * b
}

printi(mult(4, 5) - sum(4, 5))

编译原理简介

一般编译器有以下工作步骤：

1. 词法分析（ Lexical analysis ）： 此阶段的任务是从左到右一个字符一个字符地读入源程序，对构成源程序的字符流进行扫描然后根据构词规则识别 单词（ Token ），完成这个任务的组件是 词法分析器（ Lexical analyzer ，简称 Lexer ），也叫 扫描器（ Scanner ）；

2. 语法分析（ Syntactic analysis ，也叫 Parsing ）： 此阶段的主要任务是由 词法分析器 生成的单词构建 抽象语法树（ Abstract Syntax Tree ， AST ），完成此任务的组件是 语法分析器（ Parser ）；

3. 目标码生成： 此阶段编译器会遍历上一步生成的抽象语法树，然后为每个节点生成 机器 / 字节码。

编译器完成编译后，由 链接器（ Linker ） 将生成的目标文件链接成可执行文件，这一步并不是必须的，一些依赖于虚拟机运行的语言（如 Java ， Erlang ）就不需要链接。

工具简介

对应编译器工作步骤我们将使用以下工具，括号里标明了所使用的版本号：

• Flex （ 2.6.0 ）: Flex 是 Lex 开源替代品，他们都是 词法分析器 制作工具，它可以根据我们定义的规则生成 词法分析器 的代码；

• Bison （ 3.0.4 ）： Bison 是 语法分析器 的制作工具，同样它可以根据我们定义的规则生成 语法分析器 的代码；

• LLVM （ 3.8.0 ）： LLVM 是构架编译器的框架系统，我们会利用他来完成从 抽象语法树 生成目标码的过程。

在 ubuntu 上可以通过以下命令安装这些工具：

sudo apt-get install flex
sudo apt-get install bison
sudo apt-get install llvm-3.8*

介绍完工具，现在我们可以开始实现我们的编译器了。

词法分析器

前面提到 词法分析器 要将源程序分解成 单词，我们的语法格式很简单，只包括：标识符，数字，数学运算符，括号和大括号等，我们将通过 Flex 来生成 词法分析器 的源码，给 Flex 使用的规则文件 lexical.l 如下：

%{
#include <string>
#include "ast.h"
#include "syntactic.hpp"

#define SAVE_TOKEN  yylval.string = new std::string(yytext, yyleng)
#define TOKEN(t)    (yylval.token = t)
%}

%option noyywrap

%%

[ \t\n]                 ;
"extern"                return TOKEN(TEXTERN);
"return"                return TOKEN(TRETURN);
[a-zA-Z_][a-zA-Z0-9_]*  SAVE_TOKEN; return TIDENTIFIER;
[0-9]+                  SAVE_TOKEN; return TINTEGER;

"="                     return TOKEN(TEQUAL);
"=="                    return TOKEN(TCEQ);
"!="                    return TOKEN(TCNE);

"("                     return TOKEN(TLPAREN);
")"                     return TOKEN(TRPAREN);
"{"                     return TOKEN(TLBRACE);
"}"                     return TOKEN(TRBRACE);

","                     return TOKEN(TCOMMA);

"+"                     return TOKEN(TPLUS);
"-"                     return TOKEN(TMINUS);
"*"                     return TOKEN(TMUL);
"/"                     return TOKEN(TDIV);

.                       printf("Unknown token!\n"); yyterminate();

%%

我们来解释一下，这个文件被 2 个 %% 分成 3 部分，第 1 部分用 %{ 与 %} 包括的是一些 C++ 代码，会被原样复制到 Flex 生成的源码文件中，还可以在指定一些选项，如我们使用了 %option noyywrap，也可以在这定义宏供后面使用；第 2 部分用来定义构成单词的规则，可以看到每条规都是一个 正则表达式 和 动作，很直白，就是 词法分析器 发现了匹配的 单词 后执行相应的 动作 代码，大部分只要返回 单词 给调用者就可以了；第 3 部分可以定义一些函数，也会原样复制到生成的源码中去，这里我们留空没有使用。

现在我们可以通过调用 Flex 生成 词法分析器 的源码：

flex -o lexical.cpp lexical.l

生成的　 lexical.cpp 　里会有一个 yylex() 函数供　语法分析器　调用；你可能发现了，有些宏和变量并没有被定义（如 TEXTERN，yylval，yytext 等），其实有些是 Flex 会自动定义的内置变量（如 yytext），有些是后面 语法分析器 生成工具里定义的变量（如 yylval），我们后面会看到。

语法分析器

语法分析器 的作用是构建 抽象语法树，通俗的说 抽象语法树 就是将源码用树状结构来表示，每个节点都代表源码中的一种结构；对于我们要实现的语法，其语法树是很简单的，如下：

现在我们使用 Bison 生成 语法分析器 代码，同样 Bison 需要一个规则文件，我们的规则文件 syntactic.y 如下，限于篇幅，省略了某些部分，可以通过链接查看完整内容：

%{
    #include "ast.h"
    #include <cstdio>

...

    extern int yylex();
    void yyerror(const char *s) { std::printf("Error: %s\n", s);std::exit(1); }
%}

...

%token <token> TLPAREN TRPAREN TLBRACE TRBRACE TCOMMA

...

%%

program:
  stmts { programBlock = $1; }
        ;
...

func_decl:
  ident TLPAREN func_decl_args TRPAREN block { $$ = new NFunctionDeclaration(*$1, *$3, *$5); delete $3; }
;

...

%%

是不是发现和 Flex 的规则文件很像呢？确实是这样，它也是分 3 个部分组成，同样，第一部分的 C++ 代码会被复制到生成的源文件中，还可以看到这里通过以下这样的语法定义前面了 Flex 使用的宏：

%token <token> TLPAREN TRPAREN TLBRACE TRBRACE TCOMMA

比较不同的是第 2 部分，不像 Flex 通过 正则表达式 通过定义规则，这里使用的是 巴科斯范式（ BNF: Backus-Naur Form ） 的形式定义了我们识别的语法结构。如下的语法表示函数：

func_decl:
  ident TLPAREN func_decl_args TRPAREN block { $$ = new NFunctionDeclaration(*$1, *$3, *$5); delete $3; }
;

可以看到后面大括号中间的也是 动作 代码，上例的动作是在 抽象语法树 中生成一个函数的节点，其实这部分的其他规则也是生成相应类型的节点到语法树中。像 NFunctionDeclaration 这是一个我们自己定义的节点类，我们在 ast.h 中定义了我们所要用到的节点，同样的，我们摘取一段代码如下：

...

class NFunctionDeclaration : public NStatement {
public:
	const NIdentifier& id;
	VariableList arguments;
	NBlock& block;
	NFunctionDeclaration(const NIdentifier& id,
			const VariableList& arguments, NBlock& block) :
		id(id), arguments(arguments), block(block) { }
	virtual llvm::Value* codeGen(CodeGenContext& context);
};

...

可以看到，它有 标识符（ id ），参数列表（ arguments ），函数体（ block ） 这些成员，在语法分析阶段会设置好这些成员的内容供后面的 目标码生成 阶段使用。还可以看到有一个 codeGen() 虚函数，你可能猜到了，后面就是通过调用它来生成相应的目标代码。

我们可以通过以下命令调用 Bison 生成 语法分析器 的源码文件，这里我们使用 -d 使头文件和源文件分开，因为前面 词法分析器 的源码使用了这里定义的一些宏，所以需要使用这个头文件，这里将会生成 syntactic.cpp 和 syntactic.hpp：

bison -d -o syntactic.cpp syntactic.y

目标码生成

这是最后一步了，这一步的主角是前面提到 LLVM ， LLVM 是一个构建编译器的框架系统，我们使用他遍历 语法分析 阶段生成的 抽象语法树，然后为每个节点生成相应的 目标码。当然，无法避免的是我们需要使用 LLVM 提供的函数来编写生成目标码的源码，就是实现前面提到的虚函数 codeGen()，是不是有点拗口？不过确实是这样。我们在 gen.cpp 中编写了不同节点的生成代码，我们摘取一段看一下：

...

Value *NMethodCall::codeGen(CodeGenContext &context) {
    Function *function = context.module->getFunction(id.name.c_str());
    if (function == NULL) {
        std::cerr << "no such function " << id.name << endl;
    }
    std::vector<Value *> args;
    ExpressionList::const_iterator it;
    for (it = arguments.begin(); it != arguments.end(); it++) {
        args.push_back((**it).codeGen(context));
    }
    CallInst *call = CallInst::Create(function, makeArrayRef(args), "", context.currentBlock());
    std::cout << "Creating method call: " << id.name << endl;
    return call;
}

...

看起来有点复杂，简单来说就是通过 LLVM 提供的接口来生成 目标码，需要了解更多的话可以去 LLVM 的官网学习一下。

至此，我们所有的工作基本都做完了。简单回顾一下：我们先通过 Flex 生成 词法分析器 源码文件 lexical.cpp，然后通过 Bison 生成 语法分析器 源码文件 syntactic.cpp 和头文件 syntactic.hpp，我们自己编写了 抽象语法树 节点定义文件 ast.h 和 目标码 生成文件 ast.cpp，还有一个 gen.h 包含一点 LLVM 环境相关的代码，为了输出我们程序的结果，还在 printi.cpp 里简单的通过调用 C 语言库函数实现了输出一个整数。

对了，我们还需要一个 main 函数作为编译器的入口函数，它在 main.cpp 里：

...

int main(int argc, char **argv) {
    yyparse();
    InitializeNativeTarget();
    InitializeNativeTargetAsmPrinter();
    InitializeNativeTargetAsmParser();
    CodeGenContext context;
    context.generateCode(*programBlock);
    context.runCode();

    return 0;
}

我们可以看到其调用了 yyparse() 做 语法分析，（yyparse() 内部会先调用 yylex() 做 词法分析）；然后是一系列的 LLVM 初始化代码，context.generateCode(*programBlock) 是开始生成 目标码；最后是 context.runCode() 来运行代码，这里使用了 LLVM 的 JIT （ Just In Time ） 来直接运行代码，没有链接的过程。

现在我们可以用这些文件生成我们的编译器了，需要说明一下，因为 词法分析器 的源码使用了一些 语法分析器 头文件中的宏，所以正确的生成顺序是这样的：

bison -d -o syntactic.cpp syntactic.y
flex -o lexical.cpp lexical.l syntactic.hpp
g++ -c `llvm-config --cppflags` -std=c++11 syntactic.cpp gen.cpp lexical.cpp printi.cpp main.cpp
g++ -o xy-complier syntactic.o gen.o main.o lexical.o printi.o `llvm-config --libs` `llvm-config --ldflags` -lpthread -ldl -lz -lncurses -rdynamic

如果你下载了 GitHub 的源码，那么直接：

cd src
make

就可以完成以上过程了，正常会生成一个二进制文件 xy-complier，它就是我们的编译器了。

编译测试

我们使用之前提到实例 demo.xy 来测试，将其内容传给 xy-complier 的标准输入就可以看到运行结果了：

cat demo.xy | ./xy-complier

也可以直接通过

make test

来测试，输出如下：

...

define internal i64 @mult(i64 %a1, i64 %b2) {
entry:
  %a = alloca i64
  %0 = load i64, i64* %a
  store i64 %a1, i64* %a
  %b = alloca i64
  %1 = load i64, i64* %b
  store i64 %b2, i64* %b
  %2 = load i64, i64* %b
  %3 = load i64, i64* %a
  %4 = mul i64 %3, %2
  ret i64 %4
}
Running code:
11
Exiting...

可以看到最后正确输出了期望的结果，至此我们简单的编译器就完成了。

参考

• Writing an Interpreter with Lex, Yacc, and Memphis

• Lex & Yacc Tutorial

• Writing Your Own Toy Compiler Using Flex, Bison and LLVM

• Kaleidoscope: Implementing a Language with LLVM