基于C语言设计符号表

素颜马尾好姑娘i 2024-04-07 15:36 76阅读 0赞

## 基于C语言设计符号表 ##

### c-语言的语法描述 ###

![在这里插入图片描述][410b8f56dd2445baaaa028b55e21ac64.png]

### 系统设计 ###

#### 符号表的实现 ####

符号表采用了哈希表的形式，可以方便地查找、插入和删除，但是问题也随之而来，就是符号的作用于较难跟踪。很有可能同一名称的变量在不同作用于出现，如果孤立地对待每一个变量便会出现变量冲突。因此的符号表将作用域做了栈式处理。再将栈中每一个元素，即每一个作用域做延伸，对每一个作用域建立一个哈希表，将范围缩小。这样一来可以对每一个变量框在一个作用域中进行跟踪。

#### 中间代码生成 ####

的中间代码生成运用一遍扫描的方法自下而上归约，但是和课本的方法有出入，进行了一些改变。首先，建立一个链表存储所有的生成的四元式，每个四元式的本质是一个结构体。其中，在对if-else或是while这种需要回填的部分处理时，先对判断条件进行判断，结果存在一个临时变量`t`之中，这个变量的值非0即1.
    
    当面临if语句规约时，判断的是`t`的值，真出口就是继续执行的下一条语句，执行完语句之后，生成了又一个临时变量L，并且新增一个操作叫做`label`，它用来指示整个if-else语句的结尾，这个label四元式是在控制语句的结尾，当生成`（label，L2，-，-）`的同时，顺序查找四元式链表中`j_if_false`后紧跟的`（j,-,-,-）`，并将其填为`（j,L2,-,-）`，代表无条件跳转到L2。
    
    对于假出口的处理同理，只不过是在else语句开始之前就生成一个`（label，L1，-，-）`，记下标号，并且在生成之后顺序查找四元式链表，找到`j_if_false`开头的代码进行回填。这样，真假出口的回填就完成了。其他的四元式根据不同节点的类型直接生成不同的四元式，最后将四元式链表输出到文件当中即可

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### 系统的总体结构 ###

结构框图如图所示，共分为五大部分以及两个辅佐部分，五大部分为词法分析、语法分析、建立符号表、类型检查和中间代码，辅佐部分为符号表和语法树。

![在这里插入图片描述][5a3bf02b6141436b8cea3a857ff6484e.png]

#### 主要功能模块的设计 ####

\*\*词法分析和语法分析：\*\*利用flex & bison工具实现，在`cminus.l`文件中写好词法规则和`getToken`函数，在`cminus.y`文件中写好BNF语法和其他相关函数即可，flex和bison可以帮助生成`lex.yy.c`文件和`.tab.`文件。

\*\*语义分析：\*\*生成语法分析树和符号表，借助这两个数据结构分析语义。

\*\*中间代码生成：\*\*通过一遍扫描和回填技术实现中间代码生成。

### 系统运行流程 ###

C-minus编译器运行于Linux系统。编译完成后即可运行，运行命令

./{
        编译好后的程序的名字}  ./{
        目标程序的位置}

结果存放于同名txt文件中

### 系统实现 ###

#### 系统主要函数说明（主要功能、输入\\输出、实现思想） ####

##### CMINUS.L #####

这一文件的主要功能为flex分析器的文件。第一部分为定义，flex工具在处理这一部分的时候，会将第一部分的所有代码原封不动的插入到 lex.yy.c（词法分析代码）中，在这一部分中插入了程序需要用到的头文件等内容。第二部分是词法规则部分：正则表达式+代码片段。当匹配相对应的正则表达式时，这些代码片段就会被执行。的代码片段为一个单词符号的编码。最后一个部分包括辅助函数，它们用于在第2个部分被调用且不在任何地方被定义的辅助程序。

##### CMINUS.Y #####

这一文件的主要功能是产生语法分析代码。首先是定义部分：定义部分包括bison需要用来建立分析程序的有关记号、数据类型以及文法规则的信息，还包括了一些头文件。规则部分：包括修改的BNF格式中的文法规则以及将在识别出相关的文法规则时被执行的C代码中的动作。根据每一条产生式执行不同的语义动作，例如生成节点、赋上相应属性等等。最后是用户自定义函数部分，定义了几个插入节点的函数，可以和语义动作对应起来。最后这个文件会被建立成两个`.tab.`程序，实现语法分析和语法树的建立。

##### BUILDSYMTAB #####

Cminus的语义分析器在`analyze.c`和`symtab.c`中，其对应的主要功能，`analyse.c`是用于语义分析本身，而`symtab.c`则是用于生成其对应的符号表。

进入语义分析部分的代码在main.c中：

# if !NO_ANALYZE
        if (! Error) {
        
            if (TraceAnalyze) fprintf(listing, "\nBuilding the symbol table...\n");
            buildSymtab(syntaxTree);
            if (TraceAnalyze) fprintf(listing, "\nChecking type...\n");
            typeCheck(syntaxTree);
            if (TraceAnalyze) fprintf(listing, "\nType check completed!\n");
        }

在语义分析之前，编译器最开始的输入是一段代码，经过词法分析，输出的是词法单元，从而被语法分析单元所识别；语法分析的输入是一个个词法单元，通过分析这些词法单元之间的逻辑，利用递归下降等方法，形成一棵语法树，并将语法树的根结点存储在一个TreeNode类中，从而通过根结点就可以实现对于整个语法树的遍历（一般是前序遍历）；之后，来到了语义分析部分，语义分析的输入是一个语法树，这里我的输入是根结点；语义分析的输出，则是符号表和语法报错信息。

符号表的意义在于，分析代码中所有的声明，比如变量函数等内容；而语法报错信息，则会通过语法树结点关系，检测相邻词法单元是否符合文法规则：比如，int 1和int a两种输入，在语法分析阶段均可通过，但是在语义分析阶段，int 1会被识别为一个错误，因为根据语法规则，int是一个声明，声明后面只能跟着一个变量名ID，而词法单元1的属性是NUM，int后面是不允许接着一个NUM的。

函数buildSymtab构造符号，通过语法树的遍历构建。

/* Function buildSymtab constructs the symbol
     * table by preorder traversal of the syntax tree
     */
    void buildSymtab(TreeNode * syntaxTree) {
        
    	globalScope = sc_create((char *) "ESCOPO_GLOBAL");
    	sc_push(globalScope);
    	traverse(syntaxTree, insertNode, afterInsertNode);
    	sc_pop();
        sys_free();
    	if(mainDeclaration == FALSE) {
        
    		fprintf(listing, "Declaration Error: Undeclared main function\n");
        	return;
    	}
     	if (TraceAnalyze) {
        
    		fprintf(listing,"\nSymbol Table:\n");
        	printSymTab(listing);
      	}
    }

该函数共分为四个步骤，首先调用sc\_create（）函数创建一个作用域栈，作用域栈用于储存一个符号的作用域，如果给出作用域名称作为参数，它将分配内存并填写每个属性。在初始化的时候，如果是全局变量，则它就是最大的全局作用域，如果不是，则把指针设置为该作用域所属的较大作用域的父作用域。

l例如，名为main的作用域将global作为其父作用域。 在main中创建另一个作用域时，它以相同的方式堆叠在栈上。 当main结束时（遇到复合语句时），main作用域弹出并查看全局作用域中的其余TreeNodes。

Scope sc_create(char * funcName) {
        
        Scope newScope = (Scope) malloc(sizeof(struct ScopeRec));
        newScope->funcName = funcName;
        newScope->tamanhoBlocoMemoria = 0;
        if(!strcmp(funcName, "ESCOPO_GLOBAL")) {
        
            newScope->parent = NULL;
        } else {
        
            newScope->parent = globalScope;
        }
        scopes[nScope++] = newScope;
        return newScope;
    }
    123456789101112

之后，调用sc\_push（）函数，将全局作用域先推入栈中：

void sc_push(Scope scope) {
        
        scopeStack[nScopeStack++] = scope;
    }
    123

接着，调用traverse（）函数，它采用深度遍历，即先遍历preProc（t）以及它的子节点，再遍历postProc（t）。

/* Procedure traverse is a generic recursive
     * syntax tree traversal routine:
     * it applies preProc in preorder and postProc
     * in postorder to tree pointed to by t
     */
    static void traverse( TreeNode * t,
                   void (* preProc) (TreeNode *),
                   void (* postProc) (TreeNode *) )
    {
         if (t != NULL)
      {
         preProc(t);
        {
         int i;
          for (i=0; i < MAXCHILDREN; i++)
            traverse(t->child[i],preProc,postProc);
        }
        postProc(t);
        traverse(t->sibling,preProc,postProc);
      }
    }
    123456789101112131415161718

最后，调用printSymTab（）打印函数，间接调用printSymTabRows（）：打印符号表的一行和insertNode（）：把一个节点插入到符号表中，最终将打印出所有的函数名和每个函数里所有的变量名，打印项目有名字、id类型、数据类型、作用域、大小（以字为单位）、相对位置和在源程序中出现的行数。

##### ST\_INSERT（）、ST\_CREATE（） #####

将bucketList添加到作用域栈中， 使用hash函数获取哈希值。 从scope\_top搜索指定的作用域名称，直到找到正确的作用域，并将bucketList放在指定作用域的bucket数组中的哈希值处。 此时，如果没有相同的bucketList，则添加一个新的bucketList。

void st_insert(char * name, int lineno, int loc, TreeNode * treeNode, int tamanho) {
        
    	int h = hash(name);
    	Scope top = sc_top();
    
        if(top->hashTable[h] == NULL) {
        
    	// Add scope to syntax tree node
            treeNode->kind.var.scope = top;
            top->hashTable[h] = st_create(name, lineno, loc, treeNode, tamanho);
            treeNode->kind.var.scope->tamanhoBlocoMemoria += tamanho;
        } else {
        
            BucketList l = top->hashTable[h];
            while ((l->next != NULL) && (strcmp(name, l->name))) {
        
                l = l->next;
            }
            if (l->next == NULL && (strcmp(name, l->name))) {
         /* Variable not yet in table */
                //Add scope to syntax tree node
                treeNode->kind.var.scope = top;
                //Add a new item to the symbol table
                l->next = st_create(name, lineno, loc, treeNode, tamanho);
                treeNode->kind.var.scope->tamanhoBlocoMemoria += tamanho;
            }
        }
    } /* st_insert */
    
    BucketList st_create(char * name, int lineno, int loc, TreeNode * treeNode, int tamanho) {
        
        BucketList l = (BucketList) malloc(sizeof(struct BucketListRec));
        l->name = name;
        l->lines = (LineList) malloc(sizeof(struct LineListRec));
        l->lines->lineno = lineno;
        l->lines->next = NULL;
        l->memloc = loc;
        l->tamanho = tamanho;
        l->treeNode = treeNode;
        l->next = NULL;
        return l;
    } /* st_create */
    123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536

##### ST\_LOOKUP()、ST\_LOOKUP\_TOP（） #####

st\_lookup()从当前堆栈顶部的范围中查找父范围。st\_lookup\_top仅在当前作用域内查找，它以范围名称作为参数，并仅检查该范围的BucketList。

##### TYPECHECK（） #####

在建立完符号表之后，语义分析的下一个任务是对于语法错误的检查，该部分的实现原理是，通过检查相邻语法树结点的词法属性，确保是符合常规的。具体的实现函数在`analyse.c`中的`type check`函数：

/* Procedure typeCheck performs type checking
     * by a postorder syntax tree traversal
     */
    void typeCheck(TreeNode * syntaxTree) {
        
    	traverse(syntaxTree, beforeCheckNode, checkNode);
    }
    123456

typeCheck直接调用了一个遍历函数traverse，传入的三个参数，第一个是syntaxTree，代表语法树，第二个beforeCheckNode，它是一个函数，代表遍历的终止条件，即遍历到叶子结点时，语法树遍历停止，第三个函数则是需要重点分析的checkNode，它制定了语法规则分析的过程。

static void beforeCheckNode(TreeNode * t) {
        
    	if (t->node == EXPK) {
        
    		if (t->kind.var.varKind == FUNCTIONK) {
        
    			funcName = t->kind.var.attr.name;
    		}
      	}
    }

check node函数的工作原理是，一边遍历语法树，遍历到当前的一个结点之后，检查该结点的相邻结点是否符合语法规则，如果不符合就报错，如果符合就可以继续。

例如：如果该节点是`t->node == EXPK`，那么它有三种情况，第一种是赋值语句，那么它的孩子节点的类型必须相同；如果是判断表达式，那么结点类型必须是void；如果是算术表达式，它的类型必须是int，这样对应起来。

/* Procedure checkNode performs
     * type checking at a single tree node
     */
    static void checkNode(TreeNode * t) {
        
        if (t->node == STMTK) {
        
            switch (t->kind.stmt) {
        
                case INTEGERK: t->child[0]->type = INTEGER_TYPE; break;
                case VOIDK:
                    if (t->child[0]->kind.var.varKind == IDK) {
        
                        typeError(t, "Variable cannot be void!");
                    } else {
        
                        t->child[0]->type = VOID_TYPE;
                    }
                    break;
                case IFK: break;
                case WHILEK: break;
                case RETURNK: break;
                case COMPK: break;
            }
        } else if (t->node == EXPK) {
        
            switch (t->kind.exp) {
        
                case ATRIBK:
                    if ((t->child[0]->type != INTEGER_TYPE) || (t->child[1]->type != INTEGER_TYPE)) {
        
                        typeError(t, "Invalid assignment, int value expected and void received");
                    } else  {
        
                        t->type = INTEGER_TYPE;
                    }
                    break;
                case RELK: t->type = VOID_TYPE; break;
                case ARITHK: t->type = INTEGER_TYPE; break;
            }
        } else if (t->node == VARK) {
        
            switch (t->kind.var.varKind) {
        
                case IDK: t->type = INTEGER_TYPE; break;
                case VECTORK: t->type = INTEGER_TYPE; break;
                case CONSTK: t->type = INTEGER_TYPE; break;
                case FUNCTIONK: break;
                case CALLK: break;
            }
        }
    }

至此，语义分析结束了。

##### CODEGEN（） #####

接下来的中间代码生成则也是对于语法树进行操作，传入一棵语法树，从根结点，根据该节点的词法属性，分析词法结点之间的逻辑，翻译成四元式。

进入中间代码生成部分的代码在main.c中，将中间代码写入同名的txt文件中，strcspn函数的作用是，在pgm字符串中查找到第一个“.”，并返回它之前的所有字符作为子串，这样做的目的在于，传入给编译器的文件是一个文件，、中间代码的输出结果也需要保存在一个文件中，输出文件在这里这样做，是为了保持和输入文件同名。strncpy函数的作用是拷贝字符串，这里用于将strcspn提取的文件名存入字符串供输出文件使用。

# if !NO_CODE
        if (! Error) {
        
            char * codefile;
            int fnlen = strcspn(codeInfo.pgm, ".");
            codefile = (char *) calloc(fnlen + 4, sizeof(char));
            strncpy(codefile, codeInfo.pgm, fnlen);
            strcat(codefile, ".txt");
            code = fopen(codefile, "w");
            if (code == NULL) {
        
                printf("Cannot open the file %s\n", codefile);
                exit(1);
            }
            if (TraceCode) fprintf(listing, "\nGenerate intermediate code...\n");
            codeGen(syntaxTree, codefile, codeInfo);
            free(syntaxTree);
            fclose(code);
            if (TraceCode) fprintf(listing, "\nIntermediate code generation is complete!\n");
        }

codeGen函数传入了语法树根结点以及需要写入的文件，进行后续操作

/* Procedure codeGen generates code to a code
     * file by traversal of the syntax tree. The
     * second parameter (codefile) is the file name
     * of the code file, and is used to print the
     * file name as a comment in the code file
     */
    void codeGen(TreeNode * syntaxTree, char * codefile, CodeInfo codeInfo) {
        
        cGen(syntaxTree);
            // If it is a Common Program code, add SYSCALL to the end of the code.
        insertQuad(createQuad(SYSCALL, NULL, NULL, NULL));
        emitCode("********** Intermediate Code **********\n");
        printIntermediateCode();
    }
    12345678910111213

这和函数主要调用了 cGen（）、insertQuad（）和printIntermediateCode（）

##### INSERTQUAD（） #####

生成四元式函数。四元式由一个结构体构成。

Quadruple * insertQuad(Quadruple q) {
        
        Quadruple * ptr = (Quadruple *) malloc(sizeof(struct Quad));
        if(head == NULL) {
        
            head = q;
            head->next = NULL;
            ptr = &head;
        } else {
        
            Quadruple temp = head;
            while(temp->next != NULL) {
        
                temp = temp->next;
            }
            temp->next = q;
            temp->next->next = NULL;
            ptr = &temp->next;
        }
        return ptr;
    }
    1234567891011121314151617

##### CGEN() #####

static void cGen(TreeNode * tree) {
        
        if (tree != NULL) {
        
            switch (tree->node) {
        
                case STMTK:
                    genStmt(tree);
                    break;
                case EXPK:
                    genExp(tree);
                    break;
                case VARK:
                    genVar(tree);
                    break;
                default:
                    break;
            }
            /*If the number of parameters is greater than 0, cGen () will be called automatically*/
            if(paramHead == NULL) {
        
                cGen(tree->sibling);
            } else {
        
                if(paramHead->count == 0) {
        
                    cGen(tree->sibling);
                }
            }
        }
    }

可以看到，传入的语法树在一边遍历的同时，检查结点的类型，分为三种语句结点，一种是STMTK，主要分析保留字和复合语句；一种是EXPK，主要分析表达式，一种是VARK，主要分析不同类型的变量。

\*\*genStmt（）：\*\*该函数的作用主要是处理Cminus中所包含的关键字——int，void，if，while，return和compound。以`if`作为一个例子来分析说明这个函数需要做的工作：`if`结点包括三个子结点：`if`本身的判断表达式、复合语句、以及else。对于每个if的子结点递归分析，因为if的子结点可能也会是一个表达式，比如if的条件判断，这样的话就需要对它进行递归分析。

case IFK:
                p1 = tree->child[0];
                p2 = tree->child[1];
                p3 = tree->child[2];
                /* Generate code for test expression */
                cGen(p1);
                /* Assigns as the first operand*/
                op1 = operandoAtual;
                /* Assigns instruction type */
                instrucaoAtual = JP;
                /* Create and insert a new intermediate code representation*/
                q = insertQuad(createQuad(instrucaoAtual, op1, NULL, NULL));
                /* Save if's IR to update with label representing end of block */
                pushLocation(q);
                /* Generate code for block */
                cGen(p2);
                /* set second operand */
                op2 = createOperand();
                op2->kind = String;
                op2->contents.variable.name = createLabelName();
                op2->contents.variable.scope = tree->kind.var.scope;
                /* update if intermediate code instruction */
                updateLocation(op2);
                popLocation();
                if(p3 != NULL) {
        
                    q = insertQuad(createQuad(GOTO, NULL, NULL, NULL));
                    pushLocation(q);
                }
                /* Label used to mark end of block */
                insertQuad(createQuad(LBL, op2, NULL, NULL));
                cGen(p3);
    
                if(p3 != NULL) {
        
                    op1 = createOperand();
                    op1->kind = String;
                    op1->contents.variable.name = createLabelName();
                    op1->contents.variable.scope = tree->kind.var.scope;
                    /* update if intermediate code instruction */
                    updateLocation(op1);
                    popLocation();
    
                    /* Label used to mark end of block else*/
                    insertQuad(createQuad(LBL, op1, NULL, NULL));
                }
                break; /* IFK */

`instrucaoAtual`用来标记四元式的第一区间，即操作类型，它是一个枚举类型，记录在cgen.h中：

typedef enum instrucao {
        ADD, SUB, MULT, _DIV, MOD,
        VEC, VEC_ADDR,
        EQ, NE, _LT, LET,_GT, GET, ASN,
        FUNC, RTN, GET_PARAM, SET_PARAM, CALL, PARAM_LIST,
        JP, GOTO, LBL, SYSCALL, HALT} InstructionKind;

pushLocation（）用于保存if的地址，记录递归的返回位置，待分析完这一条路径之后，就可以找到函数在哪里被调用了，在调用的过程中，由于各个节点都需要递归地访问，实现回填。

其他的处理也是类似的，比如在while语句里面，包含的是两个结点，一个是循环它本身，第二个是与之对应的条件，同if一样，分为两块进行分别的一个递归处理。

\*\*genExp（）：\*\*处理表达式结点的逻辑比较简单，如果表达式的结点类型是ID或者数字，就直接记录它，但有一个需要特殊处理的地方就是数组，在赋值中，如果左操作数是数组，则存储此变量的内存位置。如果结点是一个运算符，那么据所知，运算符是由子结点构成的，它的子结点就是运算的两个数字，或者是ID字符。需要使用LD命令将子结点里面的具体数字或字符读取出来，再根据运算符的类型构造相应的四元式。

M, CALL, PARAM\_LIST,  
JP, GOTO, LBL, SYSCALL, HALT\} InstructionKind;

pushLocation（）用于保存if的地址，记录递归的返回位置，待分析完这一条路径之后，就可以找到函数在哪里被调用了，在调用的过程中，由于各个节点都需要递归地访问，实现回填。
    
    其他的处理也是类似的，比如在while语句里面，包含的是两个结点，一个是循环它本身，第二个是与之对应的条件，同if一样，分为两块进行分别的一个递归处理。
    
    **genExp（）：**处理表达式结点的逻辑比较简单，如果表达式的结点类型是ID或者数字，就直接记录它，但有一个需要特殊处理的地方就是数组，在赋值中，如果左操作数是数组，则存储此变量的内存位置。如果结点是一个运算符，那么据所知，运算符是由子结点构成的，它的子结点就是运算的两个数字，或者是ID字符。需要使用LD命令将子结点里面的具体数字或字符读取出来，再根据运算符的类型构造相应的四元式。
    
    **genVar（）：**对于CONSTK、IDK、VECTORK，FUNCTIONK，在四元式中记录他们的类型和名字、CALLK节点记录跳转的函数，参数个数和参数列表的地址。

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