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第一個C語言編譯器是怎樣編寫的?

[復(fù)制鏈接]
ID:140343 發(fā)表于 2016-9-24 20:43 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
下面的不一定都是真實的,但至少邏輯上是通的!


首先向C語言之父Dennis Ritchie致敬!
當今幾乎所有的實用的編譯器/解釋器(以下統(tǒng)稱編譯器)都是用C語言編寫的,有一些語言比如Clojure,Jython等是基于JVM或者說是用Java實現(xiàn)的,IronPython等是基于.NET實現(xiàn)的,但是Java和C#等本身也要依靠C/C++來實現(xiàn),等于是間接調(diào)用了調(diào)用了C。所以衡量某種高級語言的可移植性其實就是在討論ANSI/ISO C的移植性。
C語言是很低級的語言,很多方面都近似于匯編語言,在《Intel32位匯編語言程序設(shè)計》一書中,甚至介紹了手工把簡單的C語言翻譯成匯編的方法。對于編譯器這種系統(tǒng)軟件,用C語言來編寫是很自然不過的,即使是像Python這樣的高級語言依然在底層依賴于C語言(舉Python的例子是因為因特爾的黑客正在嘗試讓Python不需要操作系統(tǒng)就能運行——實際上是免去了BIOS上的一次性C代碼),F(xiàn)在的學(xué)生,學(xué)過編譯原理后,只要有點編程能力的都可以實現(xiàn)一個功能簡單的類C語言編譯器。
可是問題來了,不知道你有沒有想過,大家都用C語言或基于C語言的語言來寫編譯器,那么世界上第一個C語言編譯器又是怎么編寫的呢?這不是一個“雞和蛋”的問題……
還是讓我們回顧一下C語言歷史:1970年Tomphson和Ritchie在BCPL(一種解釋型語言)的基礎(chǔ)上開發(fā)了B語言,1973年又在B語言的基礎(chǔ)上成功開發(fā)出了現(xiàn)在的C語言。在C語言被用作系統(tǒng)編程語言之前,Tomphson也用過B語言編寫操作系統(tǒng)?梢娫贑語言實現(xiàn)以前,B語言已經(jīng)可以投入實用了。因此第一個C語言編譯器的原型完全可能是用B語言或者混合B語言與PDP匯編語言編寫的。我們現(xiàn)在都知道,B語言的效率比較低,但是如果全部用匯編語言來編寫,不僅開發(fā)周期長、維護難度大,更可怕的是失去了高級程序設(shè)計語言必需的移植性。所以早期的C語言編譯器就采取了一個取巧的辦法:先用匯編語言編寫一個C語言的一個子集的編譯器,再通過這個子集去遞推完成完整的C語言編譯器。詳細的過程如下:
先創(chuàng)造一個只有C語言最基本功能的子集,記作C0語言,C0語言已經(jīng)足夠簡單了,可以直接用匯編語言編寫出C0的編譯器。依靠C0已有的功能,設(shè)計比C0復(fù)雜,但仍然不完整的C語言的又一個子集C1語言,其中C0屬于C1,C1屬于C,用C0開發(fā)出C1語言的編譯器。在C1的基礎(chǔ)上設(shè)計C語言的又一個子集C2語言,C2語言比C1復(fù)雜,但是仍然不是完整的C語言,開發(fā)出C2語言的編譯器……如此直到CN,CN已經(jīng)足夠強大了,這時候就足夠開發(fā)出完整的C語言編譯器的實現(xiàn)了。至于這里的N是多少,這取決于你的目標語言(這里是C語言)的復(fù)雜程度和程序員的編程能力——簡單地說,如果到了某個子集階段,可以很方便地利用現(xiàn)有功能實現(xiàn)C語言時,那么你就找到N了。下面的圖說明了這個抽象過程:
C語言
CN語言
……
C0語言
匯編語言
機器語言
這張圖是不是有點熟悉?對了就是在將虛擬機的時候見到過,不過這里是CVM(C Language Virtual Machine),每種語言都是在每個虛擬層上可以獨立實現(xiàn)編譯的,并且除了C語言外,每一層的輸出都將作為下一層的輸入(最后一層的輸出就是應(yīng)用程序了),這和滾雪球是一個道理。用手(匯編語言)把一小把雪結(jié)合在一起,一點點地滾下去就形成了一個大雪球,這大概就是所謂的0生1,1生C,C生萬物吧?
那么這種大膽的子集簡化的方法,是怎么實現(xiàn)的,又有什么理論依據(jù)呢?先介紹一個概念,“自編譯”(Self-Compile),也就是對于某些具有明顯自舉性質(zhì)的強類型(所謂強類型就是程序中的每個變量必學(xué)聲明類型后才能使用,比如C語言,相反有些腳本語言則根本沒有類型這一說法)編程語言,可以借助它們的一個有限小子集,通過有限次數(shù)的遞推來實現(xiàn)對它們自身的表述,這樣的語言有C、Pascal、Ada等等,至于為什么可以自編譯,可以參見清華大學(xué)出版社的《編譯原理》,書中實現(xiàn)了一個Pascal的子集的編譯器?傊,已經(jīng)有CS科學(xué)家證明了,C語言理論上是可以通過上面說的CVM的方法實現(xiàn)完整的編譯器的,那么實際上是怎樣做到簡化的呢?
下面是C99的關(guān)鍵字:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
auto        enum        restrict        unsigned
break       extern      return          void
case        float       short           volatile
char        for         signed          while
const       goto        sizeof          _Bool
continue    if          static          _Complex
default     inline      struct          _Imaginary
do          int         switch      
double      long        typedef
else        register    union
//共37個

仔細看看,其實其中有很多關(guān)鍵字是為了幫助編譯器進行優(yōu)化的,還有一些是用來限定變量、函數(shù)的作用域、鏈接性或者生存周期(函數(shù)沒有)的,這些在編譯器實現(xiàn)的早期根本不必加上,于是可以去掉auto,restrict,extern,volatile,const,sizeof,static,inline,register,typedef,這樣就形成了C的子集,C3語言,C3語言的關(guān)鍵字如下:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
enum       unsigned
break       return      void
case        float       short  
char        for         signed     while
goto        _Bool
continue    if          _Complex
default     struct      _Imaginary
do          int         switch      
double      long   
else        union
//共27個

再想一想,發(fā)現(xiàn)C3中其實有很多類型和類型修飾符是沒有必要一次性都加上去的,比如三種整型,只要實現(xiàn)int就行了,因此進一步去掉這些關(guān)鍵詞,它們是:unsigned,float,short,char(char is int),signed,_Bool,_Complex,_Imaginary,long,這樣就形成了我們的C2語言,C2語言關(guān)鍵字如下:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
enum
break      return      void
case
for         while
goto      
continue    if        
default     struct   
do          int         switch      
double
else        union
//共18個

繼續(xù)思考,即使是只有18個關(guān)鍵字的C2語言,依然有很多,高級的地方,比如基于基本數(shù)據(jù)類型的復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),另外我們的關(guān)鍵字表中是沒有寫運算符的,在C語言中的復(fù)合賦值運算符->運算符等的++,–等過于靈活的表達方式此時也可以完全刪除掉,因此可以去掉的關(guān)鍵字有:enum,struct,union,這樣我們可以得到C1語言的關(guān)鍵字:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
break      return      void
case
for         while
goto      
continue    if        
default
do          int         switch      
double
else
//共15個

接近完美了,不過最后一步手筆自然要大一點。這個時候數(shù)組和指針也要去掉了,另外C1語言其實仍然有很大的冗雜度,比如控制循環(huán)和分支的都有多種表述方法,其實都可簡化成一種,具體的來說,循環(huán)語句有while循環(huán),do…while循環(huán)和for循環(huán),只需要保留while循環(huán)就夠了;分支語句又有if…{},if…{}…else,if…{}…else if…,switch,這四種形式,它們都可以通過兩個以上的if…{}來實現(xiàn),因此只需要保留if,…{}就夠了。可是再一想,所謂的分支和循環(huán)不過是條件跳轉(zhuǎn)語句罷了,函數(shù)調(diào)用語句也不過是一個壓棧和跳轉(zhuǎn)語句罷了,因此只需要goto(未限制的goto)。因此大膽去掉所有結(jié)構(gòu)化關(guān)鍵字,連函數(shù)也沒有,得到的C0語言關(guān)鍵字如下:
1
2
3
4
5
break    void
goto      
int   
double
//共5個

這已經(jīng)是簡約的極致了。
只有5個關(guān)鍵字,已經(jīng)完全可以用匯編語言快速的實現(xiàn)了。通過逆向分析我們還原了第一個C語言編譯器的編寫過程,也感受到了前輩科學(xué)家們的智慧和勤勞!我們都不過是巨人肩膀上的灰塵罷了!0生1,1生C,C生萬物,實在巧妙!

、、、、、、、、、、、、、、、、、

第一個C語言編譯器應(yīng)該是用匯編寫的,但是第一個成熟的C語言編譯器應(yīng)該是由匯編和C語言共同寫的。   

編譯原理講到了“自舉編譯器”。大意就是先用底層語言(應(yīng)該是匯編)寫一個能運行,但效率極低的C語言編譯器(底層語言不好優(yōu)化),有了C語言的編譯器以后,就可以用C語言好好寫一個編譯器了,用之前那個運行沒問題,但效率低得編譯器編譯一下,就得到了可以使用的編譯器了。

    一旦有了第一個C語言編譯器,就可以在第一個基礎(chǔ)上用C語言再寫一個C語言編譯器,逐步進化;然后可以用c語言再寫一個匯編語言的匯編器,這樣反而會造成高層再去實現(xiàn)低層的效果。
    但有個感覺就是層次越高,規(guī)則就越多,編譯出的代碼也就越規(guī)則,但機器語言可基本上是沒有啥規(guī)則的哦。效果就是程序越來越大,但人越來越解放,程序的功能更加強大,更易于移植。



    還有就是世界上第一個匯編代碼的匯編器是哪個?用啥語言怎么寫出來的(這個估計是機器語言,就是先寫出功能,人工翻譯成二進制代碼)?



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