C%语言设计规格说明书-胡奔-ZY2006310-蒋孟贤ZY2006311

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程
序
设
计
语
言
原
理
C%语言设计规格说明书
所在学院：
计算机学院
课程名称：
程序设计语言原理
组员 1：
胡奔 ZY2006310
组员 2：
蒋孟贤 ZY2006311
任课教师：
2
目录
1. 语言设计的背景及泛型 ............................................ 3
1.1 背景与动机 ......................................................... 3
1.2 环境搭建 ........................................................... 4
2. 语言的语法、语义规格说明 ........................................ 6
2.1 词法元素 ........................................................... 6
2.2 EBNF 语法 .......................................................... 7
2.3 指称语义 ........................................................... 9
2.3.1 抽象语法 ............................................................. 10
2.3.2 语义域 ............................................................... 10
2.3.3 语义函数 ............................................................. 12
2.3.4 辅助函数 ............................................................. 16
3. 语言编译器实现 ................................................. 20
3.1 词法分析 .......................................................... 20
3.2 语法分析 .......................................................... 24
3.2.1 语言文法描述 ......................................................... 24
3.2.2 抽象语法树 ........................................................... 26
3.2.3 语言分析器设计 ....................................................... 35
3.3 语义分析 .......................................................... 43
3.3.1 属性文法 ............................................................. 44
3.3.2 符号表 ............................................................... 45
3.3.3 语义程序架构 ......................................................... 47
3.3.4 语义分析实现 ......................................................... 49
3.4 中间代码生成 ...................................................... 62
3.4.1 中间代码格式定义 ..................................................... 63
3.4.2 中间代码生成过程 ..................................................... 65
3.5 目标代码生成 ...................................................... 68
3.5.1 指令集选择 ........................................................... 69
3.5.2 寄存器分配 ........................................................... 70
3.5.3 栈管理 ............................................................... 70
3.5.4 目标代码生成 ......................................................... 71
4. 验证与测试 ..................................................... 78
3
1.
语言设计的背景及泛型
1.1
背景与动机
空指针/空引用异常（NullPointerException）是导致程序崩溃率最高的异常类
型，被图灵奖得主托尼·霍尔（Tony Hoare）称为《十亿美元的错误》。其根源在
于空指针异常是一种不受编译器检查的运行时异常，只能由程序员通过主动逻辑
来判断避免，但即使是最出色的程序员，也极难将所有潜在的空指针异常都考虑
周全。
因此，为了尽可能避免空指针错误，我们设计并引入了
编译时可空类型判断
系统
的概念。即在程序编译阶段，一个变量必须声明是否可空，对于非可空变量，
在访问其成员时必须做空处理，否则无法通过编译。例如，对于 C 语言来说，
以下代码可以通过编译，但是运行结果会有问题：
#include <stdio.h>
int plusplus(int *a){
return *a + 1;
}
int main(){
int *a = NULL; // a为空引用
printf("%d\n", plusplus(a)); // 函数传入空引用值，结果出错
return 0;
}
而如果采用编译时可控类型判断系统，则上述代码中非空指针 a赋值为
NULL 就无法通过编译。考虑某些情况下确实需要赋值为 NULL，我们也保留了
可空指针变量，后面加“?”表示，即：
int *a = NULL; // a 为非空指针变量，无法通过编译
int *a? = NULL; // a 为可空指针变量，可以通过编译
为了验证设计方案的可行性，我们设计了 C%（读作：C-Percent）语言，它
是一门类 C的语言，引入编译时可空类型判断系统，在很大程度上可以杜绝空指
针异常所引起的错误。目前我们实现了 C%语言的绝大部分常用功能（运算、分
支、循环、数组、结构体、函数、指针等），编译器完成了词法分析、语法分析、
语义分析、中间代码生成和目标代码生成5个阶段的测试，程序可正常运行和定
位报错。
4
C%语言中的百分号有多层意思：C语言的子集或超集、oo 表示 2个人共同
完成（也表示未来可能会加入的面向对象特征）、除号（/）表示在 C 语言的基
础上加入可空类型判断系统及一些语法糖同时删去一些我们认为不太好的地方。
C%语言的 github 开源地址为：https://github.com/huris/C-Percent，整个项目
目前累计开发超 150 小时，其亮点总结如下：
1、能够以形式化、结构化、表格化的形式直观地打印出C%语言编译所用到
的语法分析树、语义分析阶段的符号表、中间代码生成结果及错误定位信息，通
过打印的分析结果，可以清晰地观察各作用域之间的联系。
2、采用 make 编译，对整个环节进行了封装和整合，简化了编译过程。以命
令行参数的方式提供各个阶段数据结构的访问接口，可以指定是否需要在目标代
码中添加Debug 信息，方便程序员调试及了解C%语言的翻译模式。
3、实现了编译时可空类型判断系统，同时也加入了一些诸如“if/for/while 条
件可删去小括号”、“只包含单个return 的函数可以直接在后面用等号完成”、“ 指
针符号用“@”代替“*”以区别乘号”等特性。
1.2
环境搭建
C% 语言基于 Windows 环境开发，主要以 C语言实现编码，需要安装 GCC
编译器（安装位置：C:\MinGW）。由于开发工作量及运行效率方面的考虑，C%
语言编译阶段的词法分析基于Flex 完成（安装位置：C:\gnuwin32），语法分析基
于Bison 完成（安装位置：C:\gnuwin32），安装完毕后需要将 C:\gnuwin32\lib 中
的libfl.a 和liby.a 复制到 C:\MinGW\lib 中，并配置环境变量。另外，需要安装
QtSpim 来进行对最后生成的 MIPS 汇编代码的验证与测试。
所有这些工具都提供在tools 文件夹中。
l mingw-get-setup.exe
l flex-2.5.4a-1.exe
l bison-2.4.1-setup.exe
l QtSpim_9.1.21_Windows.msi
安装完毕后，进入 C-Percent 文件夹，直接执行 make 即可运行，其中 C%
代码写在test.txt 中，makefile 文件内容如下：
5
all: clean C_Percent
C_Percent: lex.l parser.y
# 显示中文
chcp 65001
# 先用bison, -d 表示将编译结果拆分.tab.c 和.tab.h 两个, -v 表示产生.output 文
件, -t 进入诊断模式
bison -d -v parser.y
# 词法分析
flex lex.l
# 编译
gcc -o a.exe lex.yy.c parser.tab.c def.c objectCode.c -lfl -ly
# 分析输入语句, 生成.s 的汇编程序
a.exe test.cp
# 通过 QtSpim 运行汇编程序
..\tools\QtSpim\QtSpim.exe object.s
clean:
# 删除中间生成文件
del lex.yy.c
del parser.tab.c
del parser.tab.h
del lex.output
del a.exe
del objects.s
6
2.
语言的语法、语义规格说明
2.1
词法元素
C%语言中单词是具有独立意义的最小单位，可分为 5大类：关键字（语言
规定的特殊意义的标识符）、运算符（有预定义意义的特殊字符或特殊字符序列）、
分隔符（用于分隔程序里的不同词法元素的特殊符号）、常量（用于做运算的具
体值）和标识符（文字形式的词法对象）。
（1）关键字（均为保留字）包括：基本类型关键字 int、float、char 和string，
分支与循环语句涉及的 if、else、for、while、break，结构体定义关键字 struct，
返回语句 return。
（2）运算符包括：基本运算符（加+、减 -、乘*、除 /）、比较运算符（大于>、
小于<、等于==、不等于!=）、逻辑运算符（与&&、或 ||、非 !）、 取地址运算符（&）
复合运算符（加等于+=、减等于-=、乘等于*=、除等于/=、大于等于>=、小于等
于<=）、括号（小括号()、中括号[]）。
（3）分隔符包括：分号（;）、逗号（，）、点号（.）、大括号（{}）。这里需要
注意的是，在具体的设计时，小括号和中括号作为运算符而非分隔符，因为它们
在函数调用、数组访问时都有特殊意义，不能简单地当作单纯的分隔符看待。
（4）常量包括：整型常量、浮点型常量、字符常量、字符串常量，指针常
量。整型常量为十进制数字（0-9）的序列，例如“12345”；浮点型常量可以用一
般小数形式表示，例如“1234.5”，在 C%语言中，小数“.1”与“1. ”都算合法小数；
字符常量是被一对单引号括起来的字符，例如‘a’； 字符串常量是被一对双引号
包围的字符序列，例如“abc”。 指针常量是指针所指向的固定地址的量，例如
“&a”。
（5）标识符是以字母或下划线开头的字母、数字和下划线序列，其对大小
写是敏感的，例如 if 是一个关键字，但是 IF 则被认为是一个标识符，hello 和
Hello 是两个不同的标识符。同时，为考虑后续程序设计及错误提示的需要，还
需加入注释、空白符、换行符以及错误的标识符。注释包括单行注释和多行注释，
单行注释是以//开头直到该行的结尾，多行注释是用“/*”和“*/”包含的所有字符
（自身除外）；空白符包括空格、制表符和换行符；错误的标识符是除了字母和
7
下划线开始的数字、字母和下划线字符序列以外的字符序列。
根据C%语言的单词文法描述，以下给出各单词符号及说明：
ID → 标识符
INT → 整型常量
FLOAT → 浮点型常量
POINTER → 指针变量
AR → 取地址符号
CHAR → ‘’
STRING → “”
TYPE → int | float | char | string
RETURN → return
IF → if
ELSE → else
WHILE → while
FOR → for
BREAK → break
STRUCT → struct
DF → #include
LIBRARY → [<][a-zA-Z]+\.[h][>]
SEMI → ；
COMMA → ，
RELOP → > | >= | < | <= | == | !=
PLUSPLUS → ++ | --
FUHE → += | -= | *= | /=
ASSIGNOP → =
PLUS → +
MINUS → -
STAR → *
DIV → /
AND → &&
OR → ||
NOT → !
LP → （
RP → ）
LB → [
RB → ]
LC → {
RC → }
DOT → [\.]
DQ → [\”]
SQ → [\’]
2.2 EBNF
语法
扩展巴科斯-瑙尔范式（Extended Backus–Naur Form，EBNF）是表达作为描
述计算机编程语言和形式语法的正规方式的上下文无关文法的元语法符号表示
法。
C%语言的 EBNF 表示如下：
blank = {(" " | "\t“ | "\n")};
upperletter = "A" | "B" | "C" | "D" | "E" | "F"
| "G" | "H" | "I" | "J" | "K" | "L"
| "M" | "N" | "O" | "P" | "Q" | "R"
| "S" | "T" | "U" | "V" | "W" | "X"
| "Y" | "Z";
lowerletter = "a" | "b" | "c" | "d" | "e" | "f"
| "g" | "h" | "i" | "j" | "k" | "l"
| "m" | "n" | "o" | "p" | "q" | "r"
| "s" | "t" | "u" | "v" | "w" | "x"
8
| "y" | "z";
digit_nozero = "1" | "2" | "3" | "4" | "5" | "6" | "7" | "8" | "9";
digit = ("0" | digit_nozero);
letter = (upperletter | lowerletter);
word = (letter),{letter};
INTEGER = (0 | digit_nozero),{digit};
FLOAT = INTEGER,[".",{digit}],["f"];
ID = (letter),{(letter | digit)};
program = ExtDefList;
ExtDefList = ExtDef, blank, ExtDefList;
ExtDef = (Specifier, blank, ExtDecList, blank, ";" | StructSpecifier, blank, ";" |
Specifier, blank, FuncDec, blank, CompSt |
Specifier, blank, FuncDec, blank, ASSIGNOP, blank, AssReturn | Includes);
AssReturn = Exp, blank, SEMI;
Includes = DF, blank, LIBRARY;
ExtDecList = (VarDec | VarDec, blank, COMMA, blank, ExtDecList);
Specifier = (TYPE | STRUCT, blank, ID);
StructSpecifier = STRUCT, blank, ID, blank, “{”, blank, DefList, blank, “}”;
VarDec = (ID | VarDec, blank, “[”, blank, Array, blank, “]”);
VarList = (ParamDec | ParamDec, blank, COMMA, blank, VarList);
ParamDec = Specifier, blank, VarDec;
CompSt = “{”, blank, DefList, blank, StmList, blank, “}”;
Stmt = (Exp, blank, ";" | CompSt | RETURN, blank, Exp, blank, ";" |
IF, blank, Exp, blank, “{”, blank, Stmt, blank, “}”, blank, %prec
9
LOWER_THEN_ELSE |
IF, blank, Exp, blank, “{”, blank, Stmt, blank, “}”, blank, ELSE, blank, “{”,
blank, Stmt, blank, “}” |
WHILE, blank, Exp, blank, “{”, blank, Stmt, blank, “}” |
FOR, blank, ForExp, blank, “{”, blank, Stmt, blank, “}” |
BREAK, blank, ";" |
error, blank, ";");
StmList = (Stmt, blank, StmList);
ForExp = (ForNull, blank, ";", blank, ForNull, blank, ";", blank, ForNull |
Def, blank, ForNull, blank, ";", blank, ForNull);
ForNull = Exp;
DefList = Def, blank, DefList;
Def = Specifier, blank, DecList, blank, ";";
DecList = (Dec | Dec, blank, COMMA, blank, DecList);
Dec = (VarDec | VarDec, blank, ASSIGNOP, blank, Exp | VarDec, blank, FUHE,
blank, Exp);
Exp = (Exp, blank, ASSIGNOP, blank, Exp | Exp, blank, AND, blank, Exp |
Exp, blank, OR, blank, Exp | Exp, blank, RELOP, blank, Exp |
Exp, blank, PLUS, blank, Exp | Exp, blank, MINUS, blank, Exp |
Exp, blank, STAR, blank, Exp | Exp, blank, DIV, blank, Exp |
Exp, blank, FUHE, blank, Exp | “(”, blank, Exp, blank, “)” |
MINUS, blank, Exp, blank, %prec UMINUS | NOT, Exp |
PLUSPLUS, Exp | Exp, PLUSPLUS |
ListDec, blank, “[”, blank, Exp, blank, “]” | ADDRESS, blank, ID |
ID, blank, “(”, blank, Args, blank, “)” | ID, blank, “(”, blank, “)” |
ID, blank, DOT, blank, ListDec | ID | INTEGER | letter | word);
Args = (Exp, blank, COMMA, blank, Args | Exp);
2.3
指称语义
指称语义由 Christopher Strachey 和Dana Scott 提出，其优点是不需要在计
算机上实际运行程序，就能预测程序的行为，了解程序设计语言的全部涵义。同
时可以对程序进行推理。
10
2.3.1
抽象语法
C%语言的主要抽象语法如下：
command ::= Exp
Specifier ::= TYPE ID |
STRUCT ID |
TYPE ID[INTEGER | ID]
Variable ::= ID | ID[INTEGER | ID]
Exp ::= Operate ID
| Exp Operate Exp
| ID = Exp
| ID(Actual_Parameter_Sequence)
| command; command
| if Exp then command else command
| while Exp do command
| for Exp then command
Formal_Parameter_Sequence ::= Formal_Parameter
| Formal_Parameter, Formal_Parameter_Sequence
Formal_Parameter ::= TYPE ID
| ID(Formal_Parameter_Sequence){Exp}
| ID(Formal_Parameter_Sequence)
Actual_Parameter_Sequence ::= Actual_Parameter
| Actual_Parameter, Actual_Parameter_Sequence
Actual_Parameter ::= Exp
| ID
| ID(Actual_Parameter)
TYPE ::= blank | char | string | integer | float | struct | array | pointer
2.3.2
语义域
C%语言的主要语义域如下：
空白符
U = {empty-value}
字符
C
字符串
S = C*
整型
I
浮点型
F
函数
Func
指针
P = I
结构体
Str = C*×S*×I*×F*×P*
摘要：

程序设计语言原理C%语言设计规格说明书所在学院：计算机学院课程名称：程序设计语言原理组员1：胡奔ZY2006310组员2：蒋孟贤ZY2006311任课教师：2目录1.语言设计的背景及泛型............................................31.1背景与动机.........................................................31.2环境搭建...........................................................42.语言的语法、语义规格说明..................

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