编译器总装
复习
- 解释器与即时编译：在“提前编译”与“边跑边编译”之间取舍
- 编译器的分工：前端读懂、中端优化、后端生成
- 从源代码到可执行文件：完整的流水线
TL;DR
- 编译器把源码一步步变成可运行的机器码
- 前端读懂、中端优化、后端生成，最后链接装载
- 编译、解释、即时编译，各有取舍
- 至此，从字符到运行的整条路已经打通
正文
这是编译原理部分的最后一章。让我们像前面几个“总装”一样，把这段旅程完整地走一遍。
一段源码的一生
从你敲下一段源代码，到它真正在机器上跑起来，它经历了许多形态：
- 字符：源码首先是一串字符
- 词法单元：词法分析把它切成一个个词
- 语法树：语法分析把词组织成结构，再简化成抽象语法树
- 带类型的树：语义分析补上类型、名字等信息
- 中间表示：降低成三地址码等与机器无关的形式
- 优化后的 IR：经过常量折叠、死代码删除、循环优化等
- 汇编：后端选指令、分配寄存器、安排栈帧，生成汇编
- 目标文件：汇编器把它变成机器码加符号、重定位信息
- 可执行文件：链接器合并文件、完成重定位
- 运行：操作系统装载它，机器开始执行
绕了一大圈，我们终于回到最开始那台由逻辑门、寄存器、时钟搭起来的机器上——只不过这次，它跑的是我们自己写的程序。整部教程的前后，在这里接上了。
三种“让它跑起来”的方式
把这一部分的最后几章连起来看，让程序运行的方式主要有三种：
- 编译：提前翻译成机器码，运行快，但不灵活、且要针对平台
- 解释：运行中边读边执行，灵活，但慢
- 即时编译：运行中把热点编译成机器码，兼顾两者，但更复杂
它们没有绝对优劣，而是在灵活、速度、复杂度之间，各取一个平衡点。选择哪一种，取决于这门语言想服务什么场景。
一些不变的东西
回头看，编译原理虽然庞杂，主线却很清晰：
- 分层：前端、中端、后端各司其职，一层层的表示逐级转换
- 等价：无论怎么改写，程序的行为不能变——这是优化的底线
- 取舍：快与灵活、全局与代价、编译时间与运行性能，处处都在权衡
这些，和整部教程里反复出现的主线，是同一回事。
接下来
现在，机器已经能执行高级语言写成的软件，算法也让程序能跑得更快。但真正的软件，还要能被人阅读、修改、测试和长期维护。一个正确又高效的算法，距离一个可靠耐用的软件，还有最后一段路。
那就是整个指南的最后一个部分——软件构造。
思考题 1
回顾整个编译过程，程序大致经历了哪些形态？
思考题 2
编译、解释、即时编译三种方式，各自的取舍是什么？
小结
知识点
- 源码在编译过程中经历字符、词、语法树、IR、汇编等多种形态
- 前端读懂、中端优化、后端生成，链接与装载后运行
- 编译、解释、即时编译各有取舍
- 编译原理的主线是分层、等价与取舍
参考资料
- Wikipedia(zh)：编译器：编译流程的总览
- Wikipedia(zh)：编译原理：编译器构造的理论与阶段
思考题答案（仅供参考）
思考题 1
大致经历：字符 → 词法单元 → 语法树（抽象语法树）→ 带类型与名字信息的树 → 中间表示 → 优化后的中间表示 → 汇编 → 目标文件（机器码）→ 可执行文件，最后被装载运行。
思考题 2
编译提前翻译成机器码，运行快但不够灵活、需针对平台；解释在运行时边读边执行，灵活、跨平台、启动快，但通常较慢；即时编译在运行时把热点代码编译成机器码，兼顾灵活与速度，但实现更复杂、有启动预热和运行开销。
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设计师 | 南国微雪