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你知道第一個C語言C++編譯器是如何誕生的嗎?

2020-10-23 02:49:11 後端開發

當今幾乎所有的實用的編譯器/解釋器(以下統稱編譯器)都是用 C 語言撰寫的,有一些語言比如 Clojure,Jython 等是基于 JVM 或者說是用 Java 實作的,IronPython 等是基于 .NET 實作的,但是 Java 和 C# 等本身也要依靠 C/C++ 來實作,等于是間接呼叫了 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《Intel 32 位匯編語言程式設計》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軟體,用 C 語言來撰寫是很自然不過的,即使是像 Python 這樣的高級語言依然在底層依賴于 C 語言,現在的學生,學過編譯原理后,只要有點編程能力的都可以實作一個功能簡單的類 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撰寫的呢?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)的基礎上開發了 B 語言,1973 年又在 B 語言的基礎上成功開發出了現在的 C 語言,在 C 語言被用作系統編程語言之前,Tomphson 也用過 B 語言撰寫過作業系統,可見在 C 語言實作以前,B 語言已經可以投入實用了,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 匯編語言撰寫的,我們現在都知道,B 語言的執行效率比較低,但是如果全部用匯編語言來撰寫,不僅開發周期長、維護難度大,更可怕的是失去了高級程式設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:先用匯編語言撰寫一個 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,詳細的程序如下:

先創造一個只有 C 語言最基本功能的子集,記作 C0 語言,C0 語言已經足夠簡單了,可以直接用匯編語言撰寫出 C0 的編譯器,依靠 C0 已有的功能,設計比 C0 復雜,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 開發出 C1 語言的編譯器,在 C1 的基礎上設計 C 語言的又一個子集 C2 語言,C2 語言比 C1 復雜,但是仍然不是完整的 C 語言,開發出 C2 語言的編譯器……如此直到 CN,CN 已經足夠強大了,這時候就足夠開發出完整的 C 語言編譯器的實作了,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)的復雜程度和程式員的編程能力——簡單地說,如果到了某個子集階段,可以很方便地利用現有功能實作 C 語言時,那么你就找到 N 了,下面的圖說明了這個抽象程序:


 

那么這種大膽的子集簡化的方法,是怎么實作的,又有什么理論依據呢?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的強型別(所謂強型別就是程式中的每個變數必須宣告型別后才能使用,比如 C 語言,相反有些腳本語言則根本沒有型別這一說法)編程語言,可以借助它們的一個有限小子集,通過有限次數的遞推來實作對它們自身的表述,這樣的語言有 C、Pascal、Ada 等等,至于為什么可以自編譯,可以參見清華大學出版社的《編譯原理》,書中實作了一個 Pascal 的子集的編譯器,總之,已經有計算機科學家證明了,C 語言理論上是可以通過上面說的 CVM 的方法實作完整的編譯器的,那么實際上是怎樣做到簡化的呢?這張圖是不是有點熟悉?對了就是在講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作編譯的,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用程式了),這和滾雪球是一個道理,用手(匯編語言)把一小把雪結合在一起,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?

下面是 C99 的關鍵字:


 

仔細看看,其實其中有很多關鍵字是為了幫助編譯器進行優化的,還有一些是用來限定變數、函式的作用域、鏈接性或者生存周期(函式沒有)的,這些在編譯器實作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 語言的關鍵字如下:


 

再想一想,發現 C3 中其實有很多型別和型別修飾符是沒有必要一次性都加上去的,比如三種整型,只要實作 int 就行了,因此進一步去掉這些關鍵詞,它們是:unsigned, float, short, char(char 是 int), signed, _Bool, _Complex, _Imaginary, long,這樣就形成了我們的C2語言,C2 語言關鍵字如下:


 

繼續思考,即使是只有 18 個關鍵字的 C2 語言,依然有很多高級的地方,比如基于基本資料型別的復合資料結構,另外我們的關鍵字表中是沒有寫運算子的,在 C 語言中的復合賦值運算子 ->、運算子的 ++、–– 等過于靈活的表達方式此時也可以完全洗掉掉,因此可以去掉的關鍵字有:enum, struct, union,這樣我們可以得到 C1 語言的關鍵字:


 

接近完美了,不過最后一步手筆自然要大一點,這個時候陣列和指標也要去掉了,另外 C1 語言其實仍然有很大的冗雜度,比如控制回圈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,回圈陳述句有 while 回圈,do…while 回圈和 for 回圈,只需要保留while回圈就夠了;分支陳述句又有 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…{} 來實作,因此只需要保留 if,…{} 就夠了,可是再一想,所謂的分支和回圈不過是條件跳轉陳述句罷了,函式呼叫陳述句也不過是一個壓堆疊和跳轉陳述句罷了,因此只需要 goto(未限制的 goto),因此大膽去掉所有結構化關鍵字,連函式也沒有,得到的 C0 語言關鍵字如下:


 

只有 5 個關鍵字,已經完全可以用匯編語言快速的實作了,通過逆向分析我們還原了第一個 C 語言編譯器的撰寫程序,也感受到了前輩科學家們的智慧和勤勞!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!

 

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