概述
咕得有点久了
这是编译原理大作业的第二步：进行语义分析，生成三地址码。
三地址码是一种平台无关的中间代码（类似汇编，但没到 x86、MIPS 那么具体），特点是：1、变量和 label 无需换成具体的地址，能区分清楚就行（例如嵌套作用域的同名变量要区分开）；2、寄存器无限量，不需要考虑有限的寄存器池；3、没有关于 CPU、操作系统的对接细节。这还是一个比较中间层次的东西，要生成具体的可执行代码时，不同平台可以直接拿三地址码来翻译。
有了上一步的语法树之后，这一部分就不需要额外的工具了，就在语法树上完成需要的操作。尽管语义分析可以在语法分析的过程中完成，但是建出树以后再操作会好写一点，反正时间复杂度是不变的。
参考书用龙书即可（Compilers Principles, Techniques, Tools. second version），龙书已经把框架给得很清楚了，虽然略去了一堆坑 b 的细节。。。
三地址码的格式也用龙书的。
项目地址
语义分析
语义分析是比较大的概念，对于不同的程序有不同的语义分析内容，例如，基于我的语言定义，可以进行包括但不限于如下的语义分析：
- 检查整个程序是否有且仅有一个
MAIN标识的函数； - 检查变量、函数引用前是否声明；
- 检查变量、函数是否重定义；
- 类型检查与类型强制转换。目前 Tiny+ 程序可用的类型只有
BOOL,CHAR,INT,REAL，它们之间都可以强制转换，且已按优先级从低到高排好。因此可以不用进行类型检查，只需在类型不匹配时强制类型转换（低优先级转换到高优先级）； - 调用函数时检查参数及类型是否匹配；
- 检查函数是否以
RETURN结尾，若不是，需提出 warning。
我们可以在生成三地址码的过程中顺便做这些事情。
符号表
符号表是一个栈结构，用于记录生成代码中遇到的各种符号，以便在真正的编译中替换成地址。本次的符号表需记录以下内容：
- 定义的变量；
- 定义的函数；
- 控制流跳转用的 label
具体实现，在基类 node 中定义符号表：(26 行)
enum Symbol_t{
SB_VAR,
SB_FUNC,
SB_LABEL,
SB_NOTFOUND
};
class node;
struct Symbol {
Symbol_t type;
string label;
Var_t varType;
node *ref; // reference to that symbol
Symbol(Symbol_t ty,string lb="",Var_t vt=V_BOOL,node *rf=nullptr) {
type=ty, varType=vt, label=lb, ref=rf;
}
Symbol() {}
};
typedef unordered_map<string,Symbol> SymbolTabType;
class node{
public:
...
static vector<SymbolTabType> symbolTab; // symbol table. It is a stack
static int EOCFCnt, elseCnt, loopCnt, varCnt; // label count
};
用 std::vector 来模拟符号表的栈（为了可以遍历栈元素而不用 std::stack）；栈的每一项是一个 unordered_map<string,Symbol>，用于映射符号到其信息；信息用 struct Symbol 来记录，内容包括符号类型、符号的 label、符号的运算类型（BOOL,INT 等）、代表该符号的语法树节点。
在实际编译中，只有跨文件的符号需要记录 label 以用于链接，其余符号可直接记录其内存地址，因为符号最终就是要替换成地址的。
另使用 ```EOCFCnt, elseCnt, loopCnt, varCnt` 四个计数器来生成控制流跳转 label 标号、else 跳转 label 标号、循环跳转 label 标号、变量及寄存器唯一标号。使用计数器的目的就是使得 label、变量和寄存器标号变得唯一。
从符号表中查找符号
从符号表中查找一个符号，就从栈顶往栈底依次查找，找到了返回相应的 Symbol 信息，找不到就返回 NOTFOUND。
Symbol find_symbol(string s) {
for(int i=node::symbolTab.size()-1; i>=0; i--)
if (node::symbolTab[i].count(s)) return node::symbolTab[i][s];
return Symbol(SB_NOTFOUND);
}
控制流结束跳转 label
If、For 等控制流需要一个继承属性 label 表示该控制流结束之后跳转到何处。这个继承属性在符号表中实现，用 %EOCF 符号（End Of Control Flow）来表示该语句结束后应跳转到的 label。这样 If、For 等节点具体生成代码的时候，只要从符号表中查找最近的 %EOCF，就知道如何跳转了。
三地址码
在基类 node 中定义虚函数 generate_3addr_code()，即每个节点类实现自己的三地址码生成过程。
typedef vector<pair<string,string>> Codes; // format: pair<label,instruction>
class node{
public:
...
Codes codes;
virtual bool generate_3addr_code() {} // return 0 if compiled successfully
};
三地址码形如 vector<pair<string,string>>，每条指令代码用两个 string 表示，前一个 string 表示 label，后一个 string 表示指令。
本次实验中，label 和指令是多对一的关系，即相同名称的 label 一定指向同一条指令，但一条指令可以对应多个 label。这在实际编译中也是可行的，因为 label 的本质是内存地址，如果用内存地址代替 label 的记录，那么 label 和指令就是一一对应的了。
接下来分不同的节点类来说明 generate_3addr_code() 的实现，以及相应的语法检查。
Program
Program 是整个语法树的根，它新建一层符号表用于标记全局 label，调用它的子节点（MethodDecls）生成代码，并在整份代码开头补充一句 goto mainFuncLabel 使得程序跳到 MAIN 函数入口。
bool node_Program::generate_3addr_code() {
symbolTab.push_back(SymbolTabType()); // global label
bool err=son[0]->generate_3addr_code();
codes.push_back(make_pair("","goto "+mainFuncLabel)); // goto main function
add_codes(codes,son[0]->codes);
symbolTab.pop_back();
return err;
}
add_codes(a,b) 是把 b 的代码加到 a 的末尾。
void add_codes(Codes &a,Codes &b) {
if (a.empty()) a=b;
else for(auto code:b) a.push_back(code);
b.clear();
}
MethodDecls
该节点可以得到整个程序的函数列表。因此先把函数标识符添加到符号表中，生成它们的跳转 label（"__" 加函数名），这样就可以做到函数的调用与声明顺序无关。
此处顺便找出 MAIN 标识的函数，并检查是否唯一。
string node::mainFuncLabel="NO";
bool node_MethodDecls::generate_3addr_code() {
bool err=0;
// add function names to symbol table, and find 'main'
for(auto xp:son) {
node_MethodDecl *x=(node_MethodDecl*)xp;
string &funcName=((node_Id*)(x->son[1]))->name;
symbolTab.back()[funcName]=Symbol(SB_FUNC,"__"+funcName,((node_Type*)(x->son[0]))->varType,xp);
if (x->isMain) {
if (mainFuncLabel!="NO") semantic_error("more than one main function")
else mainFuncLabel="__"+funcName;
}
}
if (mainFuncLabel=="NO") semantic_error("no main function");
for(auto xp:son) { // enumerate each method
// each method generates its codes and add to this->codes
node_MethodDecl *x=(node_MethodDecl*)xp;
err|=x->generate_3addr_code();
add_codes(codes,x->codes);
}
return err;
}
这里用到了语义报错操作。简单地在节点类里记录一下当前节点对应的代码的行号（新建节点时保存 flex 的 yylineno 即可），就可以报错时输出行号了。
#define semantic_error(message) {
cout << lineno << ": semantic error: " << message << endl;
err=1;
}
#define semantic_warning(message) {
cout << lineno << ": warning: " << message << endl;
}
MethodDecl
该节点是具体的一个函数。首先新建一层符号表，表示新一层的局部变量，以及在表里记录当前所在的函数信息（return 要用）；然后处理形参表，将形参加入局部变量；接着生成函数内的 statements 的具体代码；最后检查代码的最后一条指令是否是 return。
这里需要新建一个 %EOCF 符号，指向最后的 return，即如果该函数最后一条语句是 If 等控制流，那么这个 If 语句就知道它要跳转到最后的 return 了。（如果代码自己生成了 return，那么这个符号也是用不上的。）
bool node_MethodDecl::generate_3addr_code() {
bool err=0;
symbolTab.push_back(SymbolTabType()); // local label
symbolTab.back()["%EOCF"]=Symbol(SB_LABEL,"EOCF_"+to_string(EOCFCnt++)); // 'End Of Control Flow' label
// mark which function we are in
symbolTab.back()["%FUNC"]=Symbol(SB_LABEL,"",((node_Type*)son[0])->varType,(node*)this);
err|=((node_FormalParams*)son[2])->add_formal_params(); // formal parameters
if (son.size()>=4) {
err|=son[3]->generate_3addr_code(); // statements
add_codes(codes,son[3]->codes);
}
// check if the last instruction is return
if (codes.empty() || codes.back().second!="return") {
semantic_warning("lack of return at the end of function");
codes.push_back(make_pair("","return"));
}
codes.back().first.insert(0,symbolTab.back()["%EOCF"].label+": ");
codes[0].first.insert(0,"__"+((node_Id*)son[1])->name+": "); // mark the entrance of function
symbolTab.pop_back();
return err;
}
Statements
该节点表示语句的集合，同时也表示被 BEGIN, END 包起来的一个区块。所以逻辑就是先新建一层符号表表示局部变量，然后每条语句依次生成。
但是遇到控制流语句的时候，要判断该语句是否是最后一句，如果是，那么 %EOCF 沿用祖先的（即控制流结束后跳转到祖先指定的地方），否则新建一个 %EOCF 指向下一条语句，并在下一条语句的第一个指令加上这个 label。
听起来很简单
但实际上。。。细思极恐，所谓“%EOCF指向下一条语句，并在下一条语句的第一个指令加上这个 label”，它可能需要处理这样的代码：
IF (z==1) BEGIN
IF (i==1) BEGIN
IF (y==2) BEGIN
END
BEGIN
END
BEGIN
BEGIN
END
END
END
BEGIN
BEGIN
END
END
BEGIN
END
END
BEGIN
INT a;
END
这里的三个 if 全部都有“下一条语句”，但由于“下一条语句”为空，因此它们最终全都要使用祖先的 %EOCF，而不能新建 label 然后加到“下一条语句”。
有同学说，既然这是空语句产生的 bug，那在生成语法树时就把这些空语句规避掉，不建立节点，不就好了？其一，空语句结构可能很复杂（比如这样嵌套的），从语法上处理它是比较麻烦的；其二，空语句不一定是形式上的空语句，还可以是实质空语句（就是写了非平凡的代码但生成的是空语句，例如因代码优化导致的空语句，例如局部变量定义也是不产生代码的），这导致一个不可规避的问题。
解决方法是，遇到控制流，就把这一段连续的控制流语句抠出来，然后倒着做，相当于先要找到真正的非空的“下一条语句”在哪，然后倒序依次在这条语句的开头新建 %EOCF（或是决定用祖先的）给上一条语句用。
bool isControlFlow(node *x) {
return (!x->son.empty() && (x->son[0]->nodeType==IFSTMT || x->son[0]->nodeType==FORSTMT));
}
bool node_Statements::generate_3addr_code() {
bool err=0;
symbolTab.push_back(SymbolTabType()); // local label
for(int i=0; i<son.size(); i++) {
node_Statement *x=(node_Statement*)son[i];
if (isControlFlow(x)) {
// for continuous control flows, generate codes in reverse order,
// to avoid bugs of EOCF label with empty statement
vector<node*> CFlist;
int j=i; // i: the first CF; j: after the last CF
for(; ; j++) {
for(; j<son.size() && isControlFlow(son[j]); j++) CFlist.push_back(son[j]);
if (j>=son.size()) break;
err|=son[j]->generate_3addr_code();
if (!son[j]->codes.empty()) break;
}
if (j<son.size()) {
string eocf="EOCF_"+to_string(EOCFCnt++);
symbolTab.back()["%EOCF"]=Symbol(SB_LABEL,eocf);
son[j]->codes[0].first.insert(0,eocf+": ");
}
for(int k=CFlist.size()-1; k>=0; k--) {
err|=CFlist[k]->generate_3addr_code();
if (k>i) {
string eocf="EOCF_"+to_string(EOCFCnt++);
symbolTab.back()["%EOCF"]=Symbol(SB_LABEL,eocf);
CFlist[k]->codes[0].first.insert(0,eocf+": ");
}
}
symbolTab.back().erase("%EOCF");
for(; i<=j; i++) if (i<son.size()) add_codes(codes,son[i]->codes);
i--;
} else {
err|=x->generate_3addr_code(); // each statement
add_codes(codes,x->codes);
}
}
symbolTab.pop_back();
return err;
}
简单语句
LocalVarDecl, AssignStmt, ReturnStmt, ReadStmt, WriteStmt 都是单条简单语句，它们生成的代码都较为简单，代码不赘述。
ReturnStmt 需要注意若返回表达式的类型与函数类型不匹配，则要强制类型转换。
ReadStmt, WriteStmt 当作函数调用处理。
以 AssignStmt 为例：
bool node_AssignStmt::generate_3addr_code() {
bool err=0;
string &leftName=((node_Id*)son[0])->name;
Symbol left=find_symbol(leftName);
if (left.type==SB_NOTFOUND) semantic_error("undeclared identifier '"+leftName+"'")
else if (left.type!=SB_VAR) semantic_error("identifier '"+leftName+"' is not a variable");
err|=son[1]->generate_3addr_code();
add_codes(codes,son[1]->codes);
codes.push_back(make_pair("",left.label+" = "+((node_Expression*)son[1])->resultLabel));
return err;
}
IfStmt
If 是一个控制流，有 else 和没 else 的生成规则分别为：
<codes of expression of condition>
ifFalse <condition> goto %EOCF
<codes of ifTrue>
%EOCF: ...
和
<codes of expression of condition>
ifFalse <condition> goto else
<codes of ifTrue>
goto %EOCF
else: <codes of else>
%EOCF: ...
注意 ifTrue 和 else 的语句都要新建一层符号表。这里的 else label 要用 elseCnt 计数器来生成唯一标号。具体代码翻译该逻辑即可，不赘述。
ForStmt
For 语句共 4 个部分：初始化语句 init、循环条件 condition、每次循环结束后执行的操作 afterLoop、循环体 loop。生成规则为：
<codes of init>
<codes of condition>
loop: ifFalse <condition> goto %EOCF
<codes of loop>
<codes of afterLoop>
goto loop
%EOCF: ...
Expression
每个 Expression 类要得到它的代码、返回类型、存放结果的 label。
- 若为二元算术运算，则先生成左右两个子 Expression 的代码，然后两个返回值取类型优先级较高的作为最终结果类型，接着对两边进行强制类型转换，最后进行左右两个返回值的运算；
- 若为二元逻辑运算，则同上，但最后结果类型是
BOOL - 若为一元运算，则先生成子 Expression 的代码，然后进行运算；
- 若为立即数，则结果直接赋为该立即数；
- 若为变量，则从符号表中寻找该变量的 label 作为结果 label；
- 若为函数调用，则先生成实参的 Expression 的代码（并检查是否与形参匹配），接着用
param语句传递参数，然后调用函数，最后取出返回值放到一个寄存器。
这里是把布尔表达式和算数表达式等同对待了，但实际编译器是区别对待的，比如 or 运算，前件成立了是不判断后件的。本来这只是个代码优化，但它已经形成一种编程规范了，如果前件成立仍然判断后件会导致很多程序出错的。
至此，三地址码的生成就基本说完了。
后续内容
做一做前端交互，用 -o 选项把代码输出到指定文件啥的，改一下上次的代码不要因为存在语法错误就把整棵树析构了，使其能够同时检查语法错误和语义错误，最好再按行号排个序输出。
我现在的语言定义里还有很多东西没做，例如数组、指针、break、continue 之类的，因此这个语言还不是很完备。
再后续，就是代码优化了，平台无关代码优化的部分龙书讲了很多，都挺有趣的。
但是学期结束了哈哈哈哈哈哈哈哈哈哈
最后
以上就是超帅宝马为你收集整理的【编译原理大作业】Tiny+的三地址码的全部内容，希望文章能够帮你解决【编译原理大作业】Tiny+的三地址码所遇到的程序开发问题。
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