编译器前端概述与可信编译器

作为一名程序员，编译器是我们日常开发中时时刻刻都会用到的工具。但是现在很多程序员往往都忽略了编译器的重要性和背后的原理，他们会说：「我不可能去写一门新的语言，还有必要学习编译技术吗？」这种想法是把编译技术的用途简单化了。编译原理不只是炫耀的屠龙技。在实际工作中，我们经常会碰到需要编译技术的场景。

Java程序员应该会非常熟悉Spring，在Spring框架中对注解的支持和字节码动态生成都属于编译技术；前端程序员通常会使用Babel这个工具，主要是为了将ES6语法编写的代码转换为做向后兼容的JS语法，以便运行在旧版本的浏览器中，那么在不同语法转化的过程中也是用到了编译技术 ，所以想要学好框架和工具，编译技术是必不可少的。

编译器也是软件，有输入和输出，它的输入就是源代码，它的输出是目标代码，在输入到输出的过程中，我们将其分为编译器前端和编译器后端。这里的「前端」指的是对程序代码的分析和理解过程。它通常只跟语言的语法有关，跟目标机器无关。而「后端」则是生成目标代码的过程，跟目标机器有关。为了方便理解，下图展现了编译器的整个编译过程。

▲图1：编译器的编译过程

在很多大学教授的编译原理或使用的编译技术的场景中，只需要前端技术就能解决，比如之前提到的Babel工具，就只是用到了前端技术，并没有生成与目标机器有关的代码。今天在这里，我们主要去了解编译器前端的基础知识。

编译器的第一阶段工作是词法分析。当阅读一遍英语文章时，我们会将其看做一串英文单词来阅读而不是一个个字母。当编译器在阅读程序代码时，也会将其视为一个个词法标记（Token），词法标记（Token）是就是构成源代码的最小单元。后续直接将其称为Token。

举个简单的例子，如果编译器需要分析出Token序列，需要怎么做呢？

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int age = 25;
    }
}

首先我们需要了解什么样的一串字符才算是一个Token，在上面的代码中，public、static、;、age、=等这样的字符序列都算是一个Token，每一种语言都有它自己对Token定义的一个说明，具体需要在官方文档中查阅。

我们将这些Token做个分类，将其分为数字字面量、标识符、比较操作符等等，下面列一张表简述一下各类Token的词法规则，并且这些词法规则可以通过正则表达式来定义。

▲表1：工业软件行业深度报告

编译器是从第一个字符开始往后一个一个读取字符的。那么如何识别出Token呢？通常情况下，我们会根据空格来识别出Token，当编译器读取到空格时，那么认为当前Token读取完毕，接下来读取下个Token，但是我们知道在写代码过程中，没有空格也是被允许的，比如上面代码中int age = 25也可以写成int age=25，所以空格这种策略是有待改进的。

那么如何更高效的识别呢？有限自动机算法会帮助我们解决这个难题。有限自动机是有限个状态的自动机器，它会分析整个程序的字符串，当遇到不同的字符时，会驱使它迁移到不同的状态。例如扫描age时，处于标识符状态，当它遇到一个=符号时，就切换到了等于操作符的状态，在切换之前，会将所读取到的字符a、g、e构成一个Token，每次切换不同状态，都会得到一个新的Token，直到程序读取结束。词法分析过程，就是这样一个个状态迁移的过程。

▲图2：有限自动机状态迁移过程

编译器的下一个阶段工作是语法分析。词法分析是识别出一个个Token，那么语法分析是在词法分析的基础上分析出语法结构的。

我们日常在写文章造句都会遵循着主谓宾、总分总这样的结构，这样的结构会让我们阅读取来非常流畅。而程序拥有良好的语法结构也会让编译器读取起来非常方便。而在编译器中这种语法结构是树状结构，因为计算机会更加容易理解和分析树这种数据结构。我们将这颗树叫做抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）。树的每个节点是一个语法单元，这个单元构成的规则叫做语法规则（与词法分析的词法规则不同）。如下图，一篇文章的语法结构是这样的。

▲图3：一篇文章的语法结构

程序也是如此，总是一个结构套着另一个结构，大的程序套着子程序，子程序中也包含着其他程序。在这里，我们画出1+2*3这个表达式的语法结构。

▲图4：1+2*3表达式的树形语法结构

那么计算机怎么去处理这个表达式的树结构，树结构又有什么优势呢？其中一个优势，是每一个子节点都可以通过遍历节点的子树获取该节点的值，当我们从根节点遍历这颗树时，我们就可以获得这个表达式的值。

首先我们+号根节点，我们读取到1和*子树的结果，并将它们相加，那么在获取*子树的结果就是遍历*的子树，将2与3读取并且相乘得到6，最终将6与1相加得到最终结果为7，这样我们就获得了表达式的值。

如果再将判断语句、循环语句等节点加到AST上，并且遍历执行它。那么其实我们是在执行一个脚本程序。所以脚本语言的执行，就是遍历AST的过程。

编译器前端的最后一项工作是语义分析，语义分析就是让计算机理解我们真正的意图，把一些模棱两可的地方去掉。更简单的说法就是联系上下文。

在阅读文章时，我们需要联系上下文才能真正明白作者的意图；在编译器理解程序时，也需要联系上下文，比如：

• 在同一个作用域中，不允许有两个名称相同的变量，这是唯一性检查。

• 表达式的数据类型是什么，需要做类型推断吗，如果在推断的过程中，出现类型不匹配的时候，是报错还是自动转换？

上面这些就是语义规则。语义分析就是把根据语义规则进行分析判断，然后将分析成果标注在AST上，做了这些标注后，编译器在后面就可以根据这些信息生成目标代码了。

编译器前端的基础知识我们已经学习完了，我们来总结一下学习内容。

• 词法分析是把程序分割成一个个 Token 的过程，通过有限自动机算法来实现。

• 语法分析是把程序的结构识别出来，并形成一棵抽象语法树。

• 语义分析是生成一些属性信息，让计算机能够依据这些信息生成目标代码。

当然各个阶段的一些算法并没有还具体展开讲，语法分析中的递归下降算法也并未涉及。之后有机会再进行讲解。

其实现在的编译器前端已经发展的很成熟，我们并不需要手写编译器。有一些现成的工具会帮我们去做词法分析、语法分析，比如Yacc（GNU版本，Bison）、Anltr、JavaCC等等。我们只需要输入Token词法表、语法规则文件后，工具自动会帮我们生成词法解析器和语法解析器。理论用于实践，赶紧写一个脚本语言练练手吧。

编译器作为用于产生代码的工具，编译器的实现和维护自然经过了「精雕玉琢」，因此编译器的正确性问题容易被人们忽视。但了解实际情况的人都知道，编译器的「误编译」问题是司空见惯、习以为常之事。对于许多领域来说，由于一般不会引发本质的问题，又是小概率事件，人们也往往容易忽视误编译所带来的影响。

如何才能保证编译器的安全和可信？对于编译器来说，安全和可信的具体指标就是其正确性，要保证从源程序到目标程序的翻译过程正确，即保证源语言的行为特征能够在目标语言中被正确地体现，杜绝「误编译」。可信编译具有两方面含义：

1. 编译器自身是可信的。即必须保证整个编译操作的可信性, 保证编译器在编译过程中不会给编译处理对象带来任何安全性问题, 防止恶意攻击者通过修改编译器, 在编译过程中对代码的原始语义进行篡改, 影响程序代码本身的可信性。

2. 编译所得可执行程序代码是可信的。可信编译器除实现传统的编译功能外,还需对其编译对象的安全性进行检测加强、可信性进行验证, 确保系统安全、可靠运行。

目前保证可信性的方法主要有两类：

1. 非形式化的方法(或传统的方法)，如采用测试和过程管理；

采用形式化的方法，主要包括直接对编译器本身进行验证和翻译确认，以及混合使用这些方法。

2. 由迪捷软件自主研发的 ModelCoder 是一款支持多种嵌入式系统建模并可以自动生成高安全可靠的C代码的软件设计和开发工具。支持同步数据流以及状态机等嵌入式模型，其从模型生成代码的过程经过了形式化验证，以保证生成过程的正确无误性。

▲ 图5：ModelCoder 翻译流程简图

ModelCoder 采用了最严格的形式化技术，用定理证明的方式对模型到代码的生成过程进行了严格的数学证明，早期应用于填补了国内空白的核级DCS控制系统，攻克了软件代码生成技术这一世界性难题。同时，也应用于飞机的飞控，飞机的航电等多个安全关键领域的嵌入式软件的设计和开发过程中。