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编译器从零到一 · 实战课程

📚 共计 30 章节

编译器概述

什么是编译器？编译器与解释器的区别、编译器的历史、基本工作流程（词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、优化、目标代码生成）。

入门核心概念

开发环境搭建

选择开发语言（C/C++/Rust/Go）、安装编译器工具链（GCC/LLVM）、配置IDE（VS Code/CLion）、版本控制（Git）、构建工具（CMake/Makefile）。

词法分析基础

词法分析的作用、词法单元（Token）的定义、正则表达式基础、有限自动机（DFA/NFA）概念、手工编写词法分析器。

词法自动机

正则表达式与自动机

正则表达式到NFA的转换（Thompson构造法）、NFA到DFA的转换（子集构造法）、DFA的最小化、词法分析器生成工具（Lex/Flex）。

实现词法分析器

Token类型定义、关键字与标识符识别、数字与字符串字面量处理、注释与空白跳过、错误恢复机制、符号表初步。

语法分析概述

语法分析的作用、上下文无关文法（CFG）、推导与归约、最左推导与最右推导、语法分析树的构建、二义性文法的处理。

自顶向下语法分析

递归下降分析法、LL(1)文法、FIRST集与FOLLOW集的计算、预测分析表的构建、递归下降分析器的实现。

LL(1)递归下降

自底向上语法分析

LR(0)文法、SLR(1)文法、LR(1)文法、LALR(1)文法、移进-归约冲突与归约-归约冲突、LR分析表的构建。

语法分析器生成工具

Yacc/Bison的使用、语法规则定义、结合词法分析器、错误处理与恢复、生成可执行分析器。

实现语法分析器

表达式文法设计、递归下降分析器实现、抽象语法树（AST）的定义、AST的构建与遍历、语法错误报告。

语义分析基础

语义分析的作用、属性文法、综合属性与继承属性、语法制导翻译、类型系统概述、类型检查。

语义属性文法

符号表管理

符号表的作用、符号表的数据结构（哈希表/树）、作用域管理（全局/局部）、符号的插入与查找、符号表的实现。

符号表作用域

基本类型与复合类型、类型等价（结构等价/名等价）、类型推断、类型转换（隐式/显式）、类型错误报告。

类型系统检查

中间代码生成

三地址码（TAC）、四元式与三元式、控制流语句的翻译（if-else/while/for）、函数调用的翻译、中间代码的表示。

TAC中间表示

抽象语法树到中间代码

AST遍历生成TAC、表达式的翻译、赋值语句的翻译、数组与结构体访问的翻译、临时变量的管理。

AST代码生成

中间代码优化概述

优化的分类（机器无关/机器相关）、基本块与流图、数据流分析基础、常用优化技术概览（常量折叠/死代码消除/公共子表达式消除）。

优化数据流

基本块内的优化、常量传播与常量折叠、复写传播、死代码消除、代数化简、局部优化的实现。

局部基本块

数据流分析框架、到达定值分析、活跃变量分析、可用表达式分析、全局公共子表达式消除、循环优化（循环不变式外提/强度削弱）。

全局循环优化

寄存器分配

寄存器分配问题、图着色算法、溢出处理、寄存器分配与指令调度的交互、线性扫描寄存器分配。

寄存器图着色

目标代码生成

指令选择（树覆盖/模式匹配）、指令调度（流水线优化）、目标机器模型、x86-64指令集基础、ARM指令集基础。

指令选择x86-64

x86-64代码生成

寄存器约定（调用者保存/被调用者保存）、函数调用约定（System V AMD64 ABI）、栈帧管理、简单表达式的代码生成。

控制流语句的代码生成

条件分支的代码生成、循环的代码生成、switch语句的代码生成、函数调用与返回的代码生成。

控制流分支

运行时环境

内存布局（代码段/数据段/堆/栈）、静态分配与动态分配、栈帧结构、堆管理（malloc/free）、垃圾回收基础。

运行时内存

函数调用与返回

调用约定详解、参数传递（寄存器/栈）、返回值处理、尾调用优化、嵌套函数的实现。

调用约定尾调用

面向对象特性的编译

类的布局（虚表/成员变量）、方法调用（静态/动态/虚函数）、继承与多态的实现、接口与抽象类的处理。

异常处理的编译

异常处理机制（try-catch-finally）、栈展开、异常表、零成本异常处理模型、setjmp/longjmp。

异常栈展开

链接与加载

静态链接与动态链接、符号解析与重定位、共享库（.so/.dll）、加载器的工作流程、地址空间布局随机化（ASLR）。

编译器优化实战

使用LLVM Pass框架编写优化、中间表示（IR）操作、编写自定义优化Pass、优化Pass的注册与运行。

完整编译器项目实战（上）

设计一门简单语言（MiniC/教学语言）、实现词法分析器与语法分析器、构建AST、实现语义分析。

完整编译器项目实战（下）

实现中间代码生成、实现代码优化、实现目标代码生成、测试与调试、性能分析、课程总结与展望。