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標題: 第一個C語言編譯器是怎樣編寫的？ [打印本頁]

作者: 51hei小林 時間: 2016-9-24 20:43
標題: 第一個C語言編譯器是怎樣編寫的？

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）。現(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)。可見在C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。總之，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：

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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：

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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：

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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：

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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：

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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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