第一个 C/C++ 编译器是怎样编写的？

Posted 2022-03-26 一去丶二三里

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了第一个 C/C++ 编译器是怎样编写的？相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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不知道你有没有想过，某种编程语言的第一个编译器是怎么来的呢？这不就是“鸡生蛋，蛋生鸡”的问题吗？

先说最后的结论：任何一种语言的第一个编译器肯定是使用其他语言写出来的。

以我们嵌入式开发中经常使用的C语言为例，我们来介绍一下第一个C语言编译器的来源。

还是让我们回顾一下C语言历史：1970年Tomphson和Ritchie在BCPL（一种解释型语言）的基础上开发了B语言，1973年又在B语言的基础上成功开发出了现在的C语言。在C语言被用作系统编程语言之前，Tomphson也用过B语言编写操作系统。

可见，在C语言实现以前，B语言已经可以投入实用了。因此第一个C语言编译器的原型完全可能是用B语言或者混合B语言与PDP汇编语言编写的。但是B语言的效率比较低，如果全部用汇编语言来编写，不仅开发周期长、维护难度大，更可怕的是失去了高级程序设计语言必需的移植性。

所以，早期的C语言编译器就采取了一个取巧的办法：

先用汇编语言编写一个C语言的一个子集的编译器，再通过这个子集去递推完成完整的C语言编译器。

详细的过程如下：

先创造一个只有C语言最基本功能的子集，记作C0语言，C0语言已经足够简单了，可以直接用汇编语言编写出C0的编译器。依靠C0已有的功能，设计比C0复杂，但仍然不完整的C语言的又一个子集C1语言，其中C0属于C1，C1属于C，用C0开发出C1语言的编译器。在C1的基础上设计C语言的又一个子集C2语言，C2语言比C1复杂，但是仍然不是完整的C语言，开发出C2语言的编译器……如此直到CN，CN已经足够强大了，这时候就足够开发出完整的C语言编译器的实现了。

至于这里的N是多少，这取决于你的目标语言（这里是C语言）的复杂程度和程序员的编程能力。简单地说，如果到了某个子集阶段，可以很方便地利用现有功能实现C语言时，那么你就找到N了。

下面的图说明了这个抽象过程：

这张图是不是有点熟悉？对了就是在将虚拟机的时候见到过，不过这里是CVM（CLanguageVirtualMachine），每种语言都是在每个虚拟层上可以独立实现编译的，并且除了C语言外，每一层的输出都将作为下一层的输入（最后一层的输出就是应用程序了）。

这和滚雪球是一个道理。用手（汇编语言）把一小把雪结合在一起，一点点地滚下去就形成了一个大雪球，这大概就是所谓的0生1，1生C，C生万物吧？

那么这种大胆的子集简化的方法，是怎么实现的，又有什么理论依据呢？

先介绍一个概念，“自编译”（Self-Compile），也就是对于某些具有明显自举性质的强类型（所谓强类型就是程序中的每个变量必学声明类型后才能使用，比如C语言，相反有些脚本语言则根本没有类型这一说法）编程语言，可以借助它们的一个有限小子集，通过有限次数的递推来实现对它们自身的表述，这样的语言有C、Pascal、Ada等等，至于为什么可以自编译，可以参见清华大学出版社的《编译原理》，书中实现了一个Pascal的子集的编译器。总之，已经有CS科学家证明了，C语言理论上是可以通过上面说的CVM的方法实现完整的编译器的，那么实际上是怎样做到简化的呢？

下面是C99的关键字：

//共37个
auto enum restrict unsigned
break extern return void
case float short volatile
char for signed while
const goto sizeof _Bool
continue if static _Complex
default inline struct _Imaginary
do int switch double long typedef
else register union

仔细看看，其中有很多关键字是为了帮助编译器进行优化的，还有一些是用来限定变量、函数的作用域、链接性或者生存周期（函数没有）的，这些在编译器实现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，这样就形成了C的子集，C3语言，C3语言的关键字如下：

//共27个
enum unsigned break return
void case float short char
for signed while goto _Bool
continue if _Complex default
struct _Imaginary do int switch
double long else union

再想一想，发现C3中其实有很多类型和类型修饰符是没有必要一次性都加上去的，比如三种整型，只要实现int就行了，因此进一步去掉这些关键词，它们是：

unsigned,float,short,char(charisint),signed,_Bool,_Complex,_Imaginary,long，

这样就形成了我们的C2语言，C2语言关键字如下：

//共18个
enum break return void
case for while goto continue
if default struct do int
switch double else union

继续思考，即使是只有18个关键字的C2语言，依然有很多，高级的地方，比如基于基本数据类型的复合数据结构，另外我们的关键字表中是没有写运算符的，在C语言中的复合赋值运算符->运算符等的++，--等过于灵活的表达方式此时也可以完全删除掉，因此可以去掉的关键字有：enum,struct,union，这样我们可以得到C1语言的关键字：

break return void case for while
goto continue if default do int
switch double else
//共15个

接近完美了，不过最后一步手笔自然要大一点。这个时候数组和指针也要去掉了，另外C1语言其实仍然有很大的冗杂度，比如控制循环和分支的都有多种表述方法，其实都可简化成一种，具体的来说，循环语句有while循环，do...while循环和for循环，只需要保留while循环就够了；分支语句又有if...,if......else,if......elseif...,switch，这四种形式，它们都可以通过两个以上的if...来实现，因此只需要保留if,...就够了。可是再一想，所谓的分支和循环不过是条件跳转语句罢了，函数调用语句也不过是一个压栈和跳转语句罢了，因此只需要goto（未限制的goto）。