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第一个 C 语言编译器是怎样编写的?

作者: 伯乐在线 - Chaobs 网址: http://blog.jobbole.com/94311/

首先向C语言之父Dennis Ritchie致敬!

当今几乎所有的实用的编译器/解释器(以下统称编译器)都是用C语言编写的,有一些语言比如Clojure,Jython等是基于JVM或者说是用Java实现的,IronPython等是基于.NET实现的,但是Java和C#等本身也要依靠C/C++来实现,等于是间接调用了C。所以衡量某种高级语言的可移植性其实就是在讨论ANSI/ISO C的移植性。

C语言是很低级的语言,很多方面都近似于汇编语言,在《Intel32位汇编语言程序设计》一书中,甚至介绍了手工把简单的C语言翻译成汇编的方法。对于编译器这种系统软件,用C语言来编写是很自然不过的,即使是像Python这样的高级语言依然在底层依赖于C语言(举Python的例子是因为因特尔的黑客正在尝试让Python不需要操作系统就能运行——实际上是免去了BIOS上的一次性C代码)。现在的学生,学过编译原理后,只要有点编程能力的都可以实现一个功能简单的类C语言编译器。

可是问题来了,不知道你有没有想过,大家都用C语言或基于C语言的语言来写编译器,那么世界上第一个C语言编译器又是怎么编写的呢?这不是一个“鸡和蛋”的问题……

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。我们现在都知道,B语言的效率比较低,但是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:

C语言

CN语言

……

C0语言

汇编语言

机器语言

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(C Language Virtual Machine),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:

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 //共37个

仔细看看,其实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:

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 //共27个

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(char is int),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:

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

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…{}…else if…,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)。因此大胆去掉所有结构化关键字,连函数也没有,得到的C0语言关键字如下:

break void goto int double //共5个

这已经是简约的极致了。

只有5个关键字,已经完全可以用汇编语言快速的实现了。通过逆向分析我们还原了第一个C语言编译器的编写过程,也感受到了前辈科学家们的智慧和勤劳!我们都不过是巨人肩膀上的灰尘罢了!0生1,1生C,C生万物,实在巧妙!

本文分享自微信公众号 - 编程范(dotcpp)

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原始发表时间:2015-11-10

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