编译原理课程与系统能力培养 - USTCstaff.ustc.edu.cn/~yuzhang/compiler/slide/slide20160508.pdf02多层次的编译原理课程内容概要 04 教学上采取的策略 01

编译原理课程与系统能力培养

张昱

中国科学技术大学计算机科学与技术学院http://staff.ustc.edu.cn/~yuzhang

第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会[2016.5.6‐8,合肥] 1

02 多层次的编译原理课程

内容概要

教学上采取的策略04

中科大的程序语言系列课程简介01

03 编译原理课程实践案例

第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会[2016.5.6‐8,合肥]

总结05

2


内容概要





总结05

3

中科大程序语言系列课程简介

程序设计语言课程

程序设计I（C语言） 40/30学时，2.5学分，一上，通修

程序设计II 40/40，3，一下，通修

Java软件开发基础 2学分，选修

编译原理和技术： 60/40学时，4学分，三上，专业核心课

程序设计语言基础：60/20，3.5学分，三下，专业方向课

JavaScript中的闭包、动态绑定；函数式语言；并发……

并行计算：2.5学分

程序设计语言理论：研究生课程



内容概要





总结05

5

多层次的编译原理课程

计算机专业

分两个级别，同时间段授课，学生可以选择

英才班（30+）从2010级开始

加大实验强度，基础实验+扩展实验，占总分50%

普通班

基础实验，实验占总分20~30%

学生均要开发出小型实验型语言的编译器

计算机双学位

周六上课，4节/次，弱化实验（2个），内容适当删减


普通高校本科/双学位的教学目标

通过编程语言实现技术的学习，提高：

学习、理解编程语言的能力

在程序开发中应用编程语言的能力

提高程序排错的能力

即快速理解、定位和解决在程序开发与程序运行

中碰到的问题的能力

提高编写高质量代码的能力


重点高校本科的教学目标

通过对和编程语言相关的理论和技术的学习，提高

学习、理解编程语言的能力

在程序开发中应用编程语言的能力

在软件工程中应用这些理论和技术的能力

形式语言和自动机理论

语法制导的翻译技术

类型论和类型系统

数据流分析的理论基础


中科大编译原理课程实验历史

1984~1993：实现扩展PL/0语言到扩展PL/0抽象机的编译器、

实现扩展PL/0抽象机的解释器数组类型和函数类型

1994~2001：单独的实践课

布尔类型、exit/break语句和布尔表达式短路计算等

2002~2006 ：本科学制五年改成四年，单独的实践课被取消，

仅开展熟悉Lex和Yacc的课程小实验

2007~2010 ：以“源语言 ‐抽象语法树 ‐低级中间表示 ‐汇编代

码的内部表示 ‐ x86/MIPS汇编”为主线，每个学生完成编译器

的前端(后端)，自行选择合作伙伴，分组逐个答辩

2011春，2012春：PL/0扩展

2012秋至今：分英才班、普通班

循序渐进的小实验 [ + 综合实验]


中科大专业实践改革(编译原理2006-)

指导思想

首先抓课程实验改革，课程实验要整体规划

像讨论教学计划那样来讨论技术水平的培养：语言、工具、

平台的覆盖范围和相互之间的衔接。

其覆盖程度依赖于

制度的保证、学科机构的资源、教职人员的利益

软件类的课程实验

• 学生至少参与完成一个有一定规模的软件项目的设计

与开发, 涉及对多门课程所学原理的综合运用

• 遵循由小到大、循序渐进的原则

• 整体规划课程实践涉及的语言、工具和环境

• 注意培养工程意识、质量意识和团队意识


中科大专业实践改革(编译原理2006-)

软件类的课程实验

低年级的课程实验（如C语言、数据结构）

以巩固课程知识的小实验为主

训练学生基本的程序设计技能

高年级的课程实验（如编译原理、操作系统等）

以综合运用的课程设计为主

训练学生软件工程的能力

培养学生的系统能力


中科大2006-2010实验方案的主线


源语言程序

分析器高级中间表示

(AST) 解释器

变换器(AST2LIR)

汇编代码的内部表示汇编代码

(如x86, MIPS)

低级中间表示(如三地址码)

寄存器分配器

检查器正确?

变换器(IR优化器/IR之间的转换器)

代码生成器

以“源语言－抽象语法树－低级中间表示－汇编代码的内部表示－x86/MIPS汇编”为主线搭建的、基于组件的编译原理实验体系

中科大2006-2010实验方案的主线


源语言程序

分析器高级中间表示

(AST) 解释器

变换器(AST2LIR)

汇编代码的内部表示汇编代码

(如x86, MIPS)

低级中间表示(如三地址码)

寄存器分配器

检查器正确?

变换器(IR优化器/IR之间的转换器)

代码生成器

以“源语言－抽象语法树－低级中间表示－汇编代码的内部表示－x86/MIPS汇编”为主线搭建的、基于组件的编译原理实验体系

张昱, 陈意云.编译原理实验教程. 北京：高等教育出版社, 2009.5.(附光盘)


内容概要





总结05

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编译原理课程实践案例

2012级（2015年秋季学期）英才班课程实践安排

http://staff.ustc.edu.cn/~yuzhang/compiler/

https://www.zybuluo.com/sangyy/note/166600

7个基础实验：和讲授内容配套，循序渐进

最后1个扩展实验：自由选题，1月份逐个答辩

实验环境：Linux+命令行编译运行（Makefile、shell脚本）

学生平时在个人电脑上实验

助教上讨论课、QQ交流等

长期在线的服务器：git版本管理，学生专有的库

助教：以往的研究生近年的大四学生（上届学本课程）


编译原理课程实践案例 - 基础实验

P1 预备阶段

熟悉实验环境：Linux、LLVM 3.6.0、GCC，Makefile

熟悉C1语言的特征：编写C1程序，用GCC/Clang编译

初步了解编译的过程

提交的目录结构要求

• README

• Makefile

• src/

• doc/

• bin/ ：shell脚本

• test/第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会[2016.5.6‐8,合肥] 16

编译原理课程实践案例- 基础实验

P2 词法分析

学习LLVM提供的教程Kaleidoscope

• 理解其中的词法分析过程

• 对上述词法分析进行扩展：多行注释、八进制数

• 修改扩展后的词法分析部分，使之输出记号流

学习使用Flex，用Flex生成C1的词法分析器

阅读Clang源代码中的词法分析文件，并回答问题




P3 Kaleidoscope语法分析

理解Kaleidoscope的语法分析和抽象语法树

扩展while循环

P4 C1语言的语法分析与错误恢复

学习Bison

用Flex+bison为C1语言构造能识别正确 C1程序的分析器




P5 生成C1的抽象语法树(AST)

理解所提供的asgn2ast样例

为C1生成AST

P6 Clang源码阅读：理解语法分析和静态检查

用ninja编译clang，了解其中由td描述文件自动生成代

码的技术

阅读clang源码中的部分源程序文件，来理解clang的语

法分析和静态语义检查的实现机制

了解clang编译工具的构造（可选的库+驱动程序）

P7代码生成：为C1程序生成LLVM IR代码第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会[2016.5.6‐8,合肥] 19

编译原理课程实践案例- 综合实验

基础实验扩展：22人

基于流水技术的并行化数据流语言：2人合作

静态存储布局优化

重复代码检测：3人合作

小型MASM汇编语言编译器

GO语言调研

Python编译器调研

ucc扩展



内容概要





总结05

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教学上采取的策略

介绍许多从实际编译和运行时碰到的问题

多以C语言作为实例语言

学过、非类型安全的语言、可生成汇编便于阅读

引导用所学知识去分析、解决、理解实际编程中的问

题和发生的现象让学生出题

不同的编码方法、不同的实现技术产生的不同影响

介绍现代常用语言的编译运行系统的结构

编译、连接生成本地码：C汇编码

即时编译器+垃圾收集：Java虚拟机、JavaScript引擎

安卓代码的编译、运行：Delvik ART第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会[2016.5.6‐8,合肥] 22

例题1 全局存储分配

下面的程序运行时输出3个整数。试从运行时存储空间

的组织和printf的实现来分析，为什么此程序会有3个整数

输出？

main() {printf(“%d, %d, %d\n”);

}


… …

main控制链

printf返回地址

printf控制链

printf局部变量ebpesp

栈

低

高

格式串指针其它参数

main返回地址

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例题2 编译和连接

cc是UNIX系统上C语言编译命令， l是连接库函数的选

择项。某程序员自己编写了两个函数库 libuser1.a和libuser2.a，当用命令

cc test.c luser1.a luser2.a编译时，报告有未定义的符号，而改用命令

cc test.c luser2.a luser1.a时，能得到可执行程序。试分析原因

(备注：库名中的lib在命令中省略。该命令和命令cc test.clibuser1.a libuser2.a的效果一致)


例题2 编译和连接

cc test.c luser1.a luser2.acc test.c luser1.a luser2.a

解答

test.c libuser1.a libuser2.a引用a 定义b 定义a

引用b

test.c libuser2.a libuser1.a引用a 定义a 定义b

引用b


例题3 代码生成

下面的程序在X86/Linux机器上编译后的运行结果是7，

而在SPARC/SUNOS机器上的运行结果是6。试分析运行结

果不同的原因

main(){

long i;

i = 0;printf("%ld\n", (++i)+(++i)+(++i) );

}



按一般的代码生成，i = i +1的计算结果保留在寄存器中，因此这三个i = i +1的计算次序不会影响最终的结果。结果应该是6


++

= ==

i

i +

1 i

i +

1 i

i +

1

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按一般的代码生成，i = i +1的计算结果保留在寄存器中，因此这三个i = i +1的计算次序不会影响最终的结果。结果应该是6


++

= ==

i

i +

1 i

i +

1 i

i +

1

结果是7的话，一定是某个i = i +1的结果未保

留在寄存器中。上层计算对它的引用落在计算另一个i = i +1的后面

28


内容概要





总结05

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总结

教学与实践内容选择的建议

第1门程序语言：细讲、GUI命令行、WindowsLinux

以后的语言课学习：相比以前语言的特点、实现

养成查语言规范、编译器版本的说明来了解语言特征

程序设计方法学及一定规模的程序的程序设计

编译原理和技术（针对一般的高校）

淡化对分析器的自动生成技术的叙述

增强对实际编译、运行问题的分析

引入编译器源码的阅读


资源

教师的课程主页

http://staff.ustc.edu.cn/~yuzhang/compiler

http://staff.ustc.edu.cn/~qlzheng/compiler

中科大省级精品课程资源

http://www.bb.ustc.edu.cn/jpkc/sheng_ji.html

2013年《编译原理和技术》省级精品资源共享课

2009年《编译原理》省级精品课程

两年1次的龙星计划课程（2014、2016）

http://dragonstar.ict.ac.cn/dragonstar/curriculum.asp

欢迎省内同仁反馈、交流探讨！第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会[2016.5.6‐8,合肥] 31

Q＆A

谢谢！


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