應用編譯技術ppt

① 了解什麼叫做jit compiling，與傳統的編譯技術有何不同

java 應用程序的性能經常成為開發社區中的討論熱點。因為該語言的設計初衷是使用解釋的方式支持應用程序的可移植性目標，早期
Java 運行時所提供的性能級別遠低於 C 和
C++
之類的編譯語言。盡管這些語言可以提供更高的性能，但是生成的代碼只能在有限的幾種系統上執行。在過去的十年中，Java
運行時供應商開發了一些復雜的動態編譯器，通常稱作即時（Just-in-time，JIT）編譯器。程序運行時，JIT
編譯器選擇將最頻繁執行的方法編譯成本地代碼。運行時才進行本地代碼編譯而不是在程序運行前進行編譯（用 C 或
C++ 編寫的程序正好屬於後一情形），保證了可移植性的需求。有些 JIT 編譯器甚至不使用解釋程序就能編譯所有的代碼，但是這些編譯器仍然通過在程序執行時進行一些操作來保持 Java 應用程序的可移植性。
由於動態編譯技術的多項改進，在很多應用程序中，現代的 JIT 編譯器可以產生與 C 或 C++
靜態編譯相當的應用程序性能。但是，仍然有很多軟體開發人員認為 —— 基於經驗或者傳聞 ——
動態編譯可能嚴重干擾程序操作，因為編譯器必須與應用程序共享 CPU。一些開發人員強烈呼籲對 Java
代碼進行靜態編譯，並且堅信那樣可以解決性能問題。對於某些應用程序和執行環境而言，這種觀點是正確的，靜態編譯可以極大地提高 Java
性能，或者說它是惟一的實用選擇。但是，靜態地編譯 Java 應用程序在獲得高性能的同時也帶來了很多復雜性。一般的
Java 開發人員可能並沒有充分地感受到 JIT 動態編譯器的優點。

本文考察了 Java 語言靜態編譯和動態編譯所涉及的一些問題，重點介紹了實時 (RT) 系統。簡要描述了 Java
語言解釋程序的操作原理並說明了現代 JIT 編譯器執行本地代碼編譯的優缺點。介紹了 IBM 在 WebSphere Real Time 中發布的
AOT 編譯技術和它的一些優缺點。然後比較了這兩種編譯策略並指出了幾種比較適合使用 AOT
編譯的應用程序領域和執行環境。要點在於這兩種編譯技術並不互斥：即使在使用這兩種技術最為有效的各種應用程序中，它們也分別存在一些影響應用程序的優缺
點。

執行 Java 程序

Java 程序最初是通過 Java SDK 的 javac程序編譯成本地的與平台無關的格式（類文件）。可將此格式看作 Java
平台，因為它定義了執行 Java 程序所需的所有信息。Java 程序執行引擎，也稱作 Java 運行時環境（JRE），包含了為特定的本地平台實現
Java 平台的虛擬機。例如，基於 Linux 的 Intel x86 平台、Sun Solaris 平台和 AIX 操作系統上運行的 IBM
System p 平台，每個平台都擁有一個 JRE。這些 JRE 實現實現了所有的本地支持，從而可以正確執行為
Java 平台編寫的程序。

事實上，操作數堆棧的大小有實際限制，但是編程人員極少編寫超出該限制的方法。JVM 提供了安全性檢查，對那些創建出此類方法的編程人員進行通知。

Java 平台程序表示的一個重要部分是位元組碼序列，它描述了 Java
類中每個方法所執行的操作。位元組碼使用一個理論上無限大的操作數堆棧來描述計算。這個基於堆棧的程序表示提供了平台無關性，因為它不依賴任何特定本地平台
的 CPU 中可用寄存器的數目。可在操作數堆棧上執行的操作的定義都獨立於所有本地處理器的指令集。Java
虛擬機（JVM）規范定義了這些位元組碼的執行（參見 參考資料）。執行 Java 程序時，用於任何特定本地平台的任何 JRE 都必須遵守 JVM
規范中列出的規則。

因為基於堆棧的本地平台很少（Intel X87 浮點數協處理器是一個明顯的例外），所以大多數本地平台不能直接執行 Java 位元組碼。為了解決這個問題，早期的 JRE 通過解釋位元組碼來執行 Java 程序。即 JVM 在一個循環中重復操作：

◆獲取待執行的下一個位元組碼；

◆解碼；

◆從操作數堆棧獲取所需的操作數；

◆按照 JVM 規范執行操作；

◆將結果寫回堆棧。

這種方法的優點是其簡單性：JRE 開發人員只需編寫代碼來處理每種位元組碼即可。並且因為用於描述操作的位元組碼少於 255 個，所以實現的成本比較低。當然，缺點是性能：這是一個早期造成很多人對 Java 平台不滿的問題，盡管擁有很多其他優點。

解決與 C 或 C++ 之類的語言之間的性能差距意味著，使用不會犧牲可移植性的方式開發用於 Java 平台的本地代碼編譯。

編譯 Java 代碼

盡管傳聞中 Java 編程的 「一次編寫，隨處運行」
的口號可能並非在所有情況下都嚴格成立，但是對於大量的應用程序來說情況確實如此。另一方面，本地編譯本質上是特定於平台的。那麼 Java
平台如何在不犧牲平台無關性的情況下實現本地編譯的性能？答案就是使用 JIT 編譯器進行動態編譯，這種方法已經使用了十年（參見圖 1）：

圖 1. JIT 編譯器

使用 JIT 編譯器時，Java
程序按每次編譯一個方法的形式進行編譯，因為它們在本地處理器指令中執行以獲得更高的性能。此過程將生成方法的一個內部表示，該表示與位元組碼不同但是其級
別要高於目標處理器的本地指令。（IBM JIT
編譯器使用一個表達式樹序列表示方法的操作。）編譯器執行一系列優化以提高質量和效率，最後執行一個代碼生成步驟將優化後的內部表示轉換成目標處理器的本
地指令。生成的代碼依賴運行時環境來執行一些活動，比如確保類型轉換的合法性或者對不能在代碼中直接執行的某些類型的對象進行分配。JIT
編譯器操作的編譯線程與應用程序線程是分開的，因此應用程序不需要等待編譯的執行。

圖 1 中還描述了用於觀察執行程序行為的分析框架，通過周期性地對線程取樣找出頻繁執行的方法。該框架還為專門進行分析的方法提供了工具，用來存儲程序的此次執行中可能不會改變的動態值。

因為這個 JIT 編譯過程在程序執行時發生，所以能夠保持平台無關性：發布的仍然是中立的 Java 平台代碼。C 和 C++ 之類的語言缺乏這種優點，因為它們在程序執行前進行本地編譯；發布給（本地平台）執行環境的是本地代碼。

挑戰

盡管通過 JIT 編譯保持了平台無關性，但是付出了一定代價。因為在程序執行時進行編譯，所以編譯代碼的時間將計入程序的執行時間。任何編寫過大型 C 或 C++ 程序的人都知道，編譯過程往往較慢。

為了克服這個缺點，現代的 JIT
編譯器使用了下面兩種方法的任意一種（某些情況下同時使用了這兩種方法）。第一種方法是：編譯所有的代碼，但是不執行任何耗時多的分析和轉換，因此可以快
速生成代碼。由於生成代碼的速度很快，因此盡管可以明顯觀察到編譯帶來的開銷，但是這很容易就被反復執行本地代碼所帶來的性能改善所掩蓋。第二種方法是：
將編譯資源只分配給少量的頻繁執行的方法（通常稱作熱方法）。低編譯開銷更容易被反復執行熱代碼帶來的性能優勢掩蓋。很多應用程序只執行少量的熱方法，因
此這種方法有效地實現了編譯性能成本的最小化。

動態編譯器的一個主要的復雜性在於權衡了解編譯代碼的預期獲益使方法的執行對整個程序的性能起多大作用。一個極端的例子是，程序執行後，您非常清楚哪些方
法對於這個特定的執行的性能貢獻最大，但是編譯這些方法毫無用處，因為程序已經完成。而在另一個極端，程序執行前無法得知哪些方法重要，但是每種方法的潛
在受益都最大化了。大多數動態編譯器的操作介於這兩個極端之間，方法是權衡了解方法預期獲益的重要程度。

Java 語言需要動態載入類這一事實對 Java
編譯器的設計有著重要的影響。如果待編譯代碼引用的其他類還沒有載入怎麼辦？比如一個方法需要讀取某個尚未載入的類的靜態欄位值。Java
語言要求第一次執行類引用時載入這個類並將其解析到當前的 JVM
中。直到第一次執行時才解析引用，這意味著沒有地址可供從中載入該靜態欄位。編譯器如何處理這種可能性？編譯器生成一些代碼，用於在沒有載入類時載入並解
析類。類一旦被解析，就會以一種線程安全的方式修改原始代碼位置以便直接訪問靜態欄位的地址，因為此時已獲知該地址。

IBM JIT
編譯器中進行了大量的努力以便使用安全而有效率的代碼補丁技術，因此在解析類之後，執行的本地代碼只載入欄位的值，就像編譯時已經解析了欄位一樣。另外一
種方法是生成一些代碼，用於在查明欄位的位置以前一直檢查是否已經解析欄位，然後載入該值。對於那些由未解析變成已解析並被頻繁訪問的欄位來說，這種簡單
的過程可能帶來嚴重的性能問題。

動態編譯的優點

動態地編譯 Java 程序有一些重要的優點，甚至能夠比靜態編譯語言更好地生成代碼，現代的 JIT 編譯器常常向生成的代碼中插入掛鉤以收集有關程序行為的信息，以便如果要選擇方法進行重編譯，就可以更好地優化動態行為。

關於此方法的一個很好的例子是收集一個特定 array操作的長度。如果發現每次執行操作時該長度基本不變，則可以為最頻繁使用的

array長度生成專門的代碼，或者可以調用調整為該長度的代碼序列。由於內存系統和指令集設計的特性，用於復制內存的最佳通用常式的執行速度通
常比用於復制特定長度的代碼慢。例如，復制 8
個位元組的對齊的數據可能需要一到兩條指令直接復制，相比之下，使用可以處理任意位元組數和任意對齊方式的一般復制循環可能需要 10 條指令來復制同樣的 8

個位元組。但是，即使此類專門的代碼是為某個特定的長度生成的，生成的代碼也必須正確地執行其他長度的復制。生成代碼只是為了使常見長度的操作執行得更快，
因此平均下來，性能得到了改進。此類優化對大多數靜態編譯語言通常不實用，因為所有可能的執行中長度恆定的操作比一個特定程序執行中長度恆定的操作要少得
多。

此類優化的另一個重要的例子是基於類層次結構的優化。例如，一個虛方法調用需要查看接收方對象的類調用，以便找出哪個實際目標實現了接收方對象的虛方法。
研究表明：大多數虛調用只有一個目標對應於所有的接收方對象，而 JIT
編譯器可以為直接調用生成比虛調用更有效率的代碼。通過分析代碼編譯後類層次結構的狀態，JIT
編譯器可以為虛調用找到一個目標方法，並且生成直接調用目標方法的代碼而不是執行較慢的虛調用。當然，如果類層次結構發生變化，並且出現另外的目標方法，
則 JIT
編譯器可以更正最初生成的代碼以便執行虛調用。在實踐中，很少需要作出這些更正。另外，由於可能需要作出此類更正，因此靜態地執行這種優化非常麻煩。

因為動態編譯器通常只是集中編譯少量的熱方法，所以可以執行更主動的分析來生成更好的代碼，使編譯的回報更高。事實上，大部分現代的
JIT
編譯器也支持重編譯被認為是熱方法的方法。可以使用靜態編譯器（不太強調編譯時間）中常見的非常主動的優化來分析和轉換這些頻繁執行的方法，以便生成更好
的代碼並獲得更高的性能。

這些改進及其他一些類似的改進所產生的綜合效果是：對於大量的 Java 應用程序來說，動態編譯已經彌補了與 C 和 C++ 之類語言的靜態本地編譯性能之間的差距，在某些情況下，甚至超過了後者的性能。

缺點

但是，動態編譯確實具有一些缺點，這些缺點使它在某些情況下算不上一個理想的解決方案。例如，因為識別頻繁執行的方法以及編譯這些方法需要時間，所以應用
程序通常要經歷一個准備過程，在這個過程中性能無法達到其最高值。在這個准備過程中出現性能問題有幾個原因。首先，大量的初始編譯可能直接影響應用程序的
啟動時間。不僅這些編譯延遲了應用程序達到穩定狀態的時間（想像 Web
伺服器經
歷一個初始階段後才能夠執行實際有用的工作），而且在准備階段中頻繁執行的方法可能對應用程序的穩定狀態的性能所起的作用也不大。如果 JIT
編譯會延遲啟動又不能顯著改善應用程序的長期性能，則執行這種編譯就非常浪費。雖然所有的現代 JVM
都執行調優來減輕啟動延遲，但是並非在所有情況下都能夠完全解決這個問題。

其次，有些應用程序完全不能忍受動態編譯帶來的延遲。如 GUI 介面之類互動式應用程序就是這樣的例子。在這種情況下，編譯活動可能對用戶使用造成不利影響，同時又不能顯著地改善應用程序的性能。

最後，用於實時環境並具有嚴格的任務時限的應用程序可能無法忍受編譯的不確定性性能影響或動態編譯器本身的內存開銷。

因此，雖然 JIT 編譯技術已經能夠提供與靜態語言性能相當（甚至更好）的性能水平，但是動態編譯並不適合於某些應用程序。在這些情況下，Java 代碼的提前（Ahead-of-time，AOT）編譯可能是合適的解決方案。

AOT Java 編譯

大致說來，Java 語言本地編譯應該是為傳統語言（如 C++ 或
Fortran）而開發的編譯技術的一個簡單應用。不幸的是，Java 語言本身的動態特性帶來了額外的復雜性，影響了 Java
程序靜態編譯代碼的質量。但是基本思想仍然是相同的：在程序執行前生成 Java 方法的本地代碼，以便在程序運行時直接使用本地代碼。目的在於避免
JIT 編譯器的運行時性能消耗或內存消耗，或者避免解釋程序的早期性能開銷。

挑戰

動態類載入是動態 JIT 編譯器面臨的一個挑戰，也是 AOT
編譯的一個更重要的問題。只有在執行代碼引用類的時候才載入該類。因為是在程序執行前進行 AOT
編譯的，所以編譯器無法預測載入了哪些類。就是說編譯器無法獲知任何靜態欄位的地址、任何對象的任何實例欄位的偏移量或任何調用的實際目標，甚至對直接調
用（非虛調用）也是如此。在執行代碼時，如果證明對任何這類信息的預測是錯誤的，這意味著代碼是錯誤的並且還犧牲了 Java 的一致性。

因為代碼可以在任何環境中執行，所以類文件可能與代碼編譯時不同。例如，一個 JVM
實例可能從磁碟的某個特定位置載入類，而後面一個實例可能從不同的位置甚至網路載入該類。設想一個正在進行 bug
修復的開發環境：類文件的內容可能隨不同的應用程序的執行而變化。此外，Java 代碼可能在程序執行前根本不存在：比如 Java
反射服務通常在運行時生成新類來支持程序的行為。

缺少關於靜態、欄位、類和方法的信息意味著嚴重限制了 Java 編譯器中優化框架的大部分功能。內聯可能是靜態或動態編譯器應用的最重要的優化，但是由於編譯器無法獲知調用的目標方法，因此無法再使用這種優化。

內聯

內聯是一種用於在運行時生成代碼避免程序開始和結束時開銷的技術，方法是將函數的調用代碼插入到調用方的函數中。但是內聯最大的益處可能是優化方可見的代碼的范圍擴大了，從而能夠生成更高質量的代碼。下面是一個內聯前的代碼示例：

int foo() { int x=2, y=3; return bar(x,y); }final int bar(int a, int b) { return a+b; }

如果編譯器可以證明這個 bar就是 foo()中調用的那個方法，則 bar中的代碼可以取代 foo()中對
bar()的調用。這時，bar()方法是 final類型，因此肯定是 foo()中調用的那個方法。甚至在一些虛調用例子中，動態 JIT
編譯器通常能夠推測性地內聯目標方法的代碼，並且在絕大多數情況下能夠正確使用。編譯器將生成以下代碼：

int foo() { int x=2, y=3; return x+y; }

在這個例子中，簡化前名為值傳播的優化可以生成直接返回
5的代碼。如果不使用內聯，則不能執行這種優化，產生的性能就會低很多。如果沒有解析
bar()方法（例如靜態編譯），則不能執行這種優化，而代碼必須執行虛調用。運行時，實際調用的可能是另外一個執行兩個數字相乘而不是相加的
bar方法。所以不能在 Java 程序的靜態編譯期間直接使用內聯。

AOT
代碼因此必須在沒有解析每個靜態、欄位、類和方法引用的情況下生成。執行時，每個這些引用必須利用當前運行時環境的正確值進行更新。這個過程可能直接影響
第一次執行的性能，因為在第一次執行時將解析所有引用。當然，後續執行將從修補代碼中獲益，從而可以更直接地引用實例、靜態欄位或方法目標。

另外，為 Java 方法生成的本地代碼通常需要使用僅在單個 JVM 實例中使用的值。例如，代碼必須調用 JVM
運行時中的某些運行時常式來執行特定操作，如查找未解析的方法或分配內存。這些運行時常式的地址可能在每次將 JVM 載入到內存時變化。因此 AOT
編譯代碼需要綁定到 JVM 的當前執行環境中，然後才能執行。其他的例子有字元串的地址和常量池入口的內部位置。

在 WebSphere Real Time 中，AOT 本地代碼編譯通過 jxeinajar工具（參見圖 2）來執行。該工具對 JAR 文件中所有類的所有方法應用本地代碼編譯，也可以選擇性地對需要的方法應用本地代碼編譯。結果被存儲到名為 Java eXEcutable (JXE) 的內部格式中，但是也可輕松地存儲到任意的持久性容器中。

您可能認為對所有的代碼進行靜態編譯是最好的方法，因為可以在運行時執行最大數量的本地代碼。但是此處可以作出一些權衡。編譯的方法越多，代碼佔用的內存
就越多。編譯後的本地代碼大概比位元組碼大 10 倍：本地代碼本身的密度比位元組碼小，而且必須包含代碼的附加元數據，以便將代碼綁定到 JVM
中，並且在出現異常或請求堆棧跟蹤時正確執行代碼。構成普通 Java 應用程序的 JAR
文件通常包含許多很少執行的方法。編譯這些方法會消耗內存卻沒有什麼預期收益。相關的內存消耗包括以下過程：將代碼存儲到磁碟上、從磁碟取出代碼並裝入
JVM，以及將代碼綁定到 JVM。除非多次執行代碼，否則這些代價不能由本地代碼相對解釋的性能優勢來彌補。

圖 2. jxeinajar

跟大小問題相違背的一個事實是：在編譯過的方法和解釋過的方法之間進行的調用（即編譯過的方法調用解釋過的方法，或者相反）可能比這兩類方法各自內部之間
進行的調用所需的開銷大。動態編譯器通過最終編譯所有由 JIT
編譯代碼頻繁調用的那些解釋過的方法來減少這項開銷，但是如果不使用動態編譯器，則這項開銷就不可避免。因此如果是選擇性地編譯方法，則必須謹慎操作以使
從已編譯方法到未編譯方法的轉換最小化。為了在所有可能的執行中都避免這個問題而選擇正確的方法會非常困難。
優點
雖然 AOT 編譯代碼具有上述的缺點和挑戰，但是提前編譯 Java 程序可以提高性能，尤其是在不能將動態編譯器作為有效解決方案的環境中。

可以通過謹慎地使用 AOT 編譯代碼加快應用程序啟動，因為雖然這種代碼通常比 JIT
編譯代碼慢，但是卻比解釋代碼快很多倍。此外，因為載入和綁定 AOT
編譯代碼的時間通常比檢測和動態編譯一個重要方法的時間少，所以能夠在程序執行的早期達到那樣的性能。類似地，互動式應用程序可以很快地從本地代碼中獲
益，無需使用引起較差響應能力的動態編譯。

RT 應用程序也能從 AOT 編譯代碼中獲得重要的收益：更具確定性的性能超過了解釋的性能。WebSphere Real Time
使用的動態 JIT 編譯器針對在 RT 系統中的使用進行了專門的調整。使編譯線程以低於 RT
任務的優先順序操作，並且作出了調整以避免生成帶有嚴重的不確定性性能影響的代碼。但是，在一些 RT 環境中，出現 JIT
編譯器是不可接受的。此類環境通常需要最嚴格的時限管理控制。在這些例子中，AOT
編譯代碼可以提供比解釋過的代碼更好的原始性能，又不會影響現有的確定性。消除 JIT
編譯線程甚至消除了啟動更高優先順序 RT 任務時發生的線程搶占所帶來的性能影響。

優缺點統計

動態（JIT）編譯器支持平台中立性，並通過利用應用程序執行的動態行為和關於載入的類及其層次結構的信息來生成高質量的代碼。但是
JIT
編譯器具有一個有限的編譯時預算，而且會影響程序的運行時性能。另一方面，靜態（AOT）編譯器則犧牲了平台無關性和代碼質量，因為它們不能利用程序的動
態行為，也不具有關於載入的類或類層次結構的信息。AOT 編譯擁有有效無限制的編譯時預算，因為 AOT
編譯時間不會影響運行時性能，但是在實踐中開發人員不會長期等待靜態編譯步驟的完成。

表 1 總結了本文討論的 Java 語言動態和靜態編譯器的一些特性：

表 1. 比較編譯技術

兩種技術都需要謹慎選擇編譯的方法以實現最高的性能。對動態編譯器而言，編譯器自身作出決策，而對於靜態編譯器，由開發人員作出選擇。讓
JIT 編譯器選擇編譯的方法是不是優點很難說，取決於編譯器在給定情形中推斷能力的好壞。在大多數情況下，我們認為這是一種優點。

因為它們可以最好地優化運行中的程序，所以 JIT 編譯器在提供穩定狀態性能方面更勝一籌，而這一點在大量的生產 Java
系統中最為重要。靜態編譯可以產生最佳的互動式性能，因為沒有運行時編譯行為來影響用戶預期的響應時間。通過調整動態編譯器可以在某種程度上解決啟動和確
定性性能問題，但是靜態編譯在需要時可提供最快的啟動速度和最高級別的確定性。表 2 在四種不同的執行環境中對這兩種編譯技術進行了比較：

表 2. 使用這些技術的最佳環境

圖 3 展示了啟動性能和穩定狀態性能的總體趨勢：

圖 3. AOT 和 JIT 的性能對比

使用 JIT 編譯器的初始階段性能很低，因為要首先解釋方法。隨著編譯方法的增多及 JIT
執行編譯所需時間的縮短，性能曲線逐漸升高最後達到性能峰值。另一方面，AOT 編譯代碼啟動時的性能比解釋的性能高很多，但是無法達到 JIT
編譯器所能達到的最高性能。將靜態代碼綁定到 JVM 實例中會產生一些開銷，因此開始時的性能比穩定狀態的性能值低，但是能夠比使用 JIT
編譯器更快地達到穩定狀態的性能水平。

沒有一種本地代碼編譯技術能夠適合所有的 Java
執行環境。某種技術所擅長的通常正是其他技術的弱項。出於這個原因，需要同時使用這兩種編譯技術以滿足 Java
應用程序開發人員的要求。事實上，可以結合使用靜態和動態編譯以便提供最大可能的性能提升 —— 但是必須具備平台無關性，它是 Java
語言的主要賣點，因此不成問題。

結束語

本文探討了 Java 語言本地代碼編譯的問題，主要介紹了 JIT 編譯器形式的動態編譯和靜態 AOT 編譯，比較了二者的優缺點。

雖然動態編譯器在過去的十年裡實現了極大的成熟，使大量的各種 Java 應用程序可以趕上或超過靜態編譯語言（如 C++ 或
Fortran）所能夠達到的性能。但是動態編譯在某些類型的應用程序和執行環境中仍然不太合適。雖然 AOT
編譯號稱動態編譯缺點的萬能解決方案，但是由於 Java 語言本身的動態特性，它也面臨著提供本地編譯全部潛能的挑戰。

這兩種技術都不能解決 Java 執行環境中本地代碼編譯的所有需求，但是反過來又可以在最有效的地方作為工具使用。這兩種技術可以相互補充。能夠恰當地使用這兩種編譯模型的運行時系統可以使很大范圍內的應用程序開發環境中的開發人員和用戶受益。

② 編譯原理

編譯原理是計算機專業的一門重要專業課，旨在介紹編譯程序構造的一般原理和基本方法。內容包括語言和文法、詞法分析、語法分析、語法制導翻譯、中間代碼生成、存儲管理、代碼優化和目標代碼生成。 編譯原理是計算機專業設置的一門重要的專業課程。編譯原理課程是計算機相關專業學生的必修課程和高等學校培養計算機專業人才的基礎及核心課程，同時也是計算機專業課程中最難及最挑戰學習能力的課程之一。編譯原理課程內容主要是原理性質，高度抽象[1]。

中文名
編譯原理[1]
外文名
Compilers: Principles, Techniques, and Tools[1]
領域
計算機專業的一門重要專業課[1]
快速
導航
編譯器

編譯原理課程

編譯技術的發展

編譯的基本流程

編譯過程概述
基本概念
編譯原理即是對高級程序語言進行翻譯的一門科學技術, 我們都知道計算機程序由程序語言編寫而成, 在早期計算機程序語言發展較為緩慢, 因為計算機存儲的數據和執行的程序都是由0、1代碼組合而成的, 那麼在早期程序員編寫計算機程序時必須十分了解計算機的底層指令代碼通過將這些微程序指令組合排列從而完成一個特定功能的程序, 這就對程序員的要求非常高了。人們一直在研究如何如何高效的開發計算機程序, 使編程的門檻降低。[2]
編譯器
C語言編譯器是一種現代化的設備, 其需要藉助計算機編譯程序, C語言編譯器的設計是一項專業性比較強的工作, 設計人員需要考慮計算機程序繁瑣的設計流程, 還要考慮計算機用戶的需求。計算機的種類在不斷增加, 所以, 在對C語言編譯器進行設計時, 一定要增加其適用性。C語言具有較強的處理能力, 其屬於結構化語言, 而且在計算機系統維護中應用比較多, C語言具有高效率的優點, 在其不同類型的計算機中應用比較多。[3]
C語言編譯器前端設計
編譯過程一般是在計算機系統中實現的, 是將源代碼轉化為計算機通用語言的過程。編譯器中包含入口點的地址、名稱以及機器代碼。編譯器是計算機程序中應用比較多的工具, 在對編譯器進行前端設計時, 一定要充分考慮影響因素, 還要對詞法、語法、語義進行分析。[3]
1 詞法分析[3]
詞法分析是編譯器前端設計的基礎階段, 在這一階段, 編譯器會根據設定的語法規則, 對源程序進行標記, 在標記的過程中, 每一處記號都代表著一類單詞, 在做記號的過程中, 主要有標識符、關鍵字、特殊符號等類型, 編譯器中包含詞法分析器、輸入源程序、輸出識別記號符, 利用這些功能可以將字型大小轉化為熟悉的單詞。[3]
2 語法分析[3]
語法分析是指利用設定的語法規則, 對記號中的結構進行標識, 這包括句子、短語等方式, 在標識的過程中, 可以形成特殊的結構語法樹。語法分析對編譯器功能的發揮有著重要影響, 在設計的過程中, 一定要保證標識的准確性。[3]
3 語義分析[3]
語義分析也需要藉助語法規則, 在對語法單元的靜態語義進行檢查時, 要保證語法規則設定的准確性。在對詞法或者語法進行轉化時, 一定要保證語法結構設置的合法性。在對語法、詞法進行檢查時, 語法結構設定不合理, 則會出現編譯錯誤的問題。前端設計對精確性要求比較好, 設計人員能夠要做好校對工作, 這會影響到編譯的准確性, 如果前端設計存在失誤, 則會影響C語言編譯的效果。[3]

③ 應用編譯優化哪個模式好

即時編譯技術。
JIT為「即時編譯技術」，當App運行時，每當遇到一個新類，JIT編譯器就會對這個類進行編譯，經過編譯後的代碼，會被優化成相當精簡的原生型指令碼（即nativecode），這樣在下次執行到相同邏輯的時候，速度就會更快。

④ 軟體開發技術課程有哪些

軟體技術主要是學計算機導論、數字電路與數字邏輯、計算機組成原理與匯編語言、計算機網路、計算機體系結構和離散數學等課程。



1軟體技術學什麼

一、計算機導論

主要內容：為學生提供關於計算機科學與技術的入門知識，使他們對計算機學科有一個完整的理解。

二、數字電路與數字邏輯

主要內容：本課程主要是介紹數字邏輯與數字系統的基本概念、分析方法和設計原理。

三、計算機組成原理與匯編語言

主要內容：以馮諾依曼計算機模型為出發點，介紹計算機的組織結構和工作原理，剖析計算機的運算器、存儲器、控制器和輸入輸出設備的結構、工作原理和相互關系；介紹 80X86指令系統、匯編語言與匯編指令、匯編程序與匯編過程、簡單匯編程序設計、匯編語言與高級語言的介面、宏匯編等。

四、計算機網路

主要內容：介紹數據通信的基本概念和計算網路的基本原理，同時還介紹計算機網路系統的安全和管理意識。

五、計算機體系結構

主要內容：研究計算機系統結構的基本概念、基本原理、基本結構和基本分析方法。

六、離散數學

包括集合論、數字邏輯、圖論、組合數學等內容。

七、高級程序設計語言

主要內容：分別以 C、C#或JAVA為例，介紹程序設計和語言，程序的基本數據結構、類型定義、簡單類型和結構化類型、程序的基本控制結構、結構化程序設計、面向對象的程序設計等。

八、演算法分析與設計

本課程延續數據結構課程的學習，從演算法分析和設計的角度出發。

九、數據結構

主要內容：介紹線性表及其鏈接存儲結構與演算法、數組與矩陣、堆棧與隊列、廣義表的存儲結構與多元多項式表示、串與文本編輯、排序、樹、圖、文件結構。

十、資料庫系統原理

主要內容：介紹資料庫系統的基本概念、原理、方法及應用。

十一、編譯技術

主要內容：介紹編譯原理的理論和實踐。

十二、操作系統

主要內容：介紹操作系統的設計與實現。

⑤ 編譯原理技術有哪些應用呢

編譯原理，說得通俗易懂一些就是：讓機器通過某種機制和規則，將一種由人們書寫的高級程序代碼，經過若干步驟，最終翻譯成機器可理解執行的二進制代碼。
編譯原理技術的具體應用，例如：
（1）、我們用戶通常編寫的 C/C++ 程序源代碼（*.C/*.CPP），通過 Microsoft Visual C++ 編譯器，將由人工書寫的 C/C++ 語言程序源代碼（*.C/*.CPP），最終翻譯成機器可執行的二進制代碼（*.EXE）；
（2）、人工智慧領域中的自然語言處理、機器翻譯技術（例如：英/漢翻譯、日/漢翻譯系統等）等，都需要使用到編譯原理技術。

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書名：Compilers Principles編譯原理

作者：Alfred V. Aho

豆瓣評分：9.2

出版社：機械工業出版社

出版年份：2011-1

頁數：1009

內容簡介：

本書是編譯領域無可替代的經典著作，被廣大計算機專業人士譽為「龍書」。本書上一版自1986年出版以來，被世界各地的著名高等院校和研究機構（包括美國哥倫比亞大學、斯坦福大學、哈佛大學、普林斯頓大學、貝爾實驗室）作為本科生和研究生的編譯原理課程的教材。該書對我國高等計算機教育領域也產生了重大影響。 第2版對每一章都進行了全面的修訂，以反映自上一版出版20多年來軟體工程。程序設計語言和計算機體系結構方面的發展對編譯技術的影響。本書全面介紹了編譯器的設計，並強調編譯技術在軟體設計和開發中的廣泛應用。每章中都包含大量的習題和豐富的參考文獻。 本書適合作為高等院校計算機專業本科生和研究生的編譯原理與技術課程的教材，也可供廣大計算機技術人員參考。

作者簡介：

Alfred V．Aho，美國歌倫比亞大學教授，美國國家工程院院士，ACM和IEEE會士，曾獲得IEEE的馮·諾伊曼獎。著有多部演算法、數據結構、編譯器、資料庫系統及計算機科學基礎方面的著作。

Monica S．Lam，斯坦福大學計算機科學系教授，曾任Tensilica的首席科學家，也是Moka5的首任CEO。曾經主持SUIF項目，該項目產生了最流行的研究用編譯器之一。

Ravi Sethi，Avaya實驗室總裁，曾任貝爾實驗室高級副總裁和Lucent Technologies通信軟體的CTO。他曾在賓夕法尼亞州立大學，亞利桑那州立大學和普林斯頓大學任教，是ACM會士。

Jefirey D．Ullman斯坦福大學計算機科學系教授和Gradiance CEO。他的研究興趣包括資料庫理論、資料庫集成、數據挖掘和利用信息基礎設施教學等。他是美國國家工程學院院士、IEEE會士，獲得過ACM的Karlstrom傑出教育獎和Knuth獎。

⑦ 編譯技術的發展歷程

1954年至1957年間，IBM的John Backus帶領一個小組開發FORTRAN語言及其編譯器，使得上面的擔憂不必要了。
但由於當時處理中所涉及到的大多數程序設計語言的翻譯並不為人所掌握，所以這個項目的成功也伴隨著巨大的辛勞。
幾乎與此同時，人們也在開發著第一個編譯器，Noam Chomsky開始自然語言結構的研究。使得編譯器結構異常簡單，甚至還帶有了一些自動化。
Chomsky的研究導致了根據語言文法(grammar，結構規則)的難易程度以及識別它們所需的演算法來為語言分類。文法有4個層次：0型、1型、2型和3型文法，且其中的每一個都是其前者的專門化。2型(或上下文無關文法context-free grammar)是程序設計語言中最有用的，代表著程序設計語言結構的標准方式。
人們接著又深化了生成有效的目標代碼的方法，這就是最初的編譯器，它們被一直使用至今。人們通常將其誤稱為優化技術(optimization technique)，但因其從未真正地得到過被優化了的目標代碼而僅僅改進了它的有效性，因此實際上應稱作代碼改進技術（code improvement technique）。
在70年代後期和80年代早期，大量的項目都關注於編譯器其他部分的生成自動化，這其中就包括了代碼生成。這些嘗試並未取得多少成功，這大概是因為操作太復雜而人們又對其不甚了解。