基于插件的編譯原理課程實驗設(shè)計

　　摘要：根據(jù)編譯技術(shù)的最新進展及目前廣泛使用的各種編譯器框架，提出基于插件的編譯原理課程實驗設(shè)計的思想與方法，解除后端實踐依賴于前端分析結(jié)果的限制，使學(xué)生能夠利用現(xiàn)有的編譯器框架直接進行后端語義分析、代碼優(yōu)化和代碼生成等方面的實踐；同時，文章介紹了基于插件的編譯原理課程實驗設(shè)計的必要性、可能性，并以Phoenix編譯器框架為例說明了該方案的可行性。
　　關(guān)鍵詞：編譯原理；課程實驗；插件；Phoenix
　　
　　編譯程序各個邏輯功能之間具有較強的依賴性，如后端的語義分析和中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成等都依賴于前端的正確分析與處理。如果沒有前端的輸出，就無法進行后續(xù)的加工和處理。考慮到編譯原理程序本身組織結(jié)構(gòu)的特點、教學(xué)學(xué)時限制和學(xué)生實踐動手能力等因素，目前課程實踐環(huán)節(jié)普遍向編譯器前端靠攏[1-2]。即使設(shè)置了與后端相關(guān)的實驗，學(xué)生也往往無法完成。因此目前比較缺乏針對后端處理的、較為獨立的小規(guī)模課程實驗供學(xué)生練習(xí)，這勢必影響學(xué)生對編譯器整體性的掌握及對編譯器各部分有機關(guān)聯(lián)和接口的學(xué)習(xí)理解。
　　隨著計算機體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，編譯技術(shù)也在不斷進步和變化。為了快速對各種研究思想進行驗證，并縮短編譯相關(guān)研究成果與實際實現(xiàn)之間的轉(zhuǎn)換時間，各種供研究人員使用的編譯器框架平臺應(yīng)運而生。例如，微軟公司推出的Phoenix編譯器框架[3]、開源的Open64和GCC等。這些已有的編譯器框架能夠簡化編譯程序的設(shè)計與實現(xiàn)；同時，為了支持編譯器的定制及相關(guān)理論的快速驗證，有些編譯器框架(如Phoenix和GCC4.5)允許以插件的形式對部分處理階段進行修改或者加強。基于插件的設(shè)計方法對于研究人員而言其價值是毋容置疑的，同時也為編譯原理課程實踐提供了便利。我們可以利用這些編譯框架提供的前端分析與識別功能，以及后端的部分處理能
　　力，設(shè)計針對語義分析與中間代碼生成、代碼優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成相關(guān)的實驗環(huán)節(jié)，其好處在于：
　　1) 可以縮短實驗完成所需要的時間，降低實驗的難度，從而為教學(xué)目標(biāo)的完成奠定良好基礎(chǔ)；
　　2) 能夠培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新意識，為使他們順利走上科研道路打下堅實的基礎(chǔ)；
　　3)基于插件的設(shè)計思想和技術(shù)也是目前許多大型軟件的普遍設(shè)計與實現(xiàn)方法，如Firefox、Eclipse和IDA Pro等。學(xué)生通過基于插件的課程實驗?zāi)軌蚣訌妼W(xué)生對大型復(fù)雜軟件架構(gòu)、設(shè)計思想和實現(xiàn)方法等各個方面的認識，提升軟件工程管理和軟件設(shè)計水平。
　　目前清華大學(xué)“編譯原理專題訓(xùn)練”課程已經(jīng)將開放源碼軟件GCC和Open64作為實驗框架引入實踐教學(xué)[4]，GCC 4.5及以上版本已經(jīng)實現(xiàn)了對插件設(shè)計的支持。筆者僅以微軟的Phoenix為例詳細說明基于插件的實驗設(shè)計的可行性。
　　1Phoenix編譯框架
　　Phoenix是由微軟公司新推出的用于構(gòu)造編譯程序，各種程序分析、優(yōu)化和測試工具的一個基礎(chǔ)框架。Phoenix編譯器框架主要功能包括：
　　1)Phoenix是一個編譯器。該編譯器有著與其他編譯器相似的功能，能夠?qū)⒃创a編譯為二進制代碼。
　　2) 是一個編譯器開發(fā)工具。由于Phoenix采用了統(tǒng)一的中間形式，編譯器開發(fā)者只需將新語言的源程序轉(zhuǎn)化為這種中間形式，然后就可利用Phoenix后端工具完成中間語言的轉(zhuǎn)化、優(yōu)化以及二進制代碼的生成。
　　3)Phoenix作為一個框架，同時還是可插接的(Plug-in)，Phoenix包含一些API，使用這些API能編寫利用Phoenix特性的工具。
　　Phoenix體系結(jié)構(gòu)具有高度的可伸縮性，使得開發(fā)者或研究人員能夠在該體系結(jié)構(gòu)上開發(fā)各種各樣的編譯器以及分析優(yōu)化工具。在Phoenix中，遍(Pass)和階段(Phase)是兩個極重要的概念，也是支持插件式設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)。Phoenix支持多遍處理，因此后端由多個Pass構(gòu)成，而且允許使用者插入自己的Pass，用于特定處理。一個函數(shù)的分析過程可以劃分為若干階段，每個階段的處理對應(yīng)一個Phase。使用者可以插入、刪除一個Phase或重新排列原有的Phase，Pass和Phase的關(guān)系如圖1所示。
　　2基于插件的課程實驗設(shè)計
　　插件是指能夠被Phoenix核心編譯模塊(C2.exe)調(diào)用的外部模塊。假設(shè)設(shè)計了一個名為MyPlugin.dll的插件，當(dāng)使用命令行選項-d2plugin:MyPlugin.dll啟動C2時，C2就會在編譯的過程裝載并執(zhí)行MyPlugin.dll中的代碼。
　　如圖2所示，源代碼程序經(jīng)過前端C1.exe的分析和處理之后，然后交給C2中的各個Pass和Phase進行處理。當(dāng)C2運行時，Myplugin能夠訪問C2內(nèi)部的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此，通過MyPlugin能夠改變C2的行為，如增加新的Phase，旁路已經(jīng)存在的Phase，或者替換可選的Phase等。例如，Myplugin可以提供一個寄存器分配Phase替換掉C2中已有的部分，可以向被編譯的每個函數(shù)中插入一些其他的代碼，輸出某個函數(shù)編譯所形成的IR等。
　　編寫一個Phoenix的插件非常簡單，例如，我們想輸出被編譯的每個函數(shù)的名字，則需要編寫一個插件FuncNames。為此，首先定義一個實現(xiàn)PlugIn接口的類MyPlugIn，作為插件FuncNames與C2.exe交互的接口。MyPlugIn必須實現(xiàn)PlugIn中的兩個接口：RegisterObjects和BuildPhase。Phoenix編譯框架在裝載插件之后調(diào)用RegisterObjects并注冊插件對命令行選項進行處理。本例中不支持任何命令行命令，所以該接口的實現(xiàn)為空。BuildPhase接口有一個PhaseConfiguration類型的參數(shù)，這個參數(shù)是C2.exe提供給插件的，插件中的代碼通過這個參數(shù)能夠訪問C2中的Phase列表。本例中我們只需要創(chuàng)建一個新的Phase實例并將其插入到列表中合適的位置就可以了，程序代碼如下：
　　
　　class MyPlugIn : Phx::PlugIn{
　　...
　　 virtual void RegisterObjects() override;
　　 virtual void BuildPhases ( Phx::Phases:: PhaseConfiguration ^ config ) override;
　　...
　　};
　　void MyPlugIn::RegisterObjects() {}
　　void MyPlugIn::BuildPhases( Phx::Phases::PhaseConfiguration ^ config) {
　　 Phx::Phases::Phase ^ encodingPhase;
　　 Phx::Phases::Phase ^ funcNamesPhase;
　　 encodingPhase = config->PhaseList->FindByName ("Encoding");
　　 funcNamesPhase = MyPhase::New(config);
　　 encodingPhase->InsertBefore(funcNamesPhase);
　　}
　　
　　此外我們需要創(chuàng)建的一個新的Phase類，該類是從父類Phase繼承而來，且其必須實現(xiàn)父類的兩個方法New和Execute。New是在前述的BuildPhases方法中調(diào)用的，主要作用是構(gòu)造和初始化MyPhase對象；而Execute是C2編譯每個方法時都會調(diào)用的方法，實際完成函數(shù)名輸出的方法，程序代碼如下：
　　
　　
　　class MyPhase : Phx::Phases::Phase{
　　...
　　 static Phx::Phases::Phase ^New ( Phx:: Phases::PhaseConfiguration ^ config );
　　 virtual voidExecute (Phx::Unit ^ unit ) override;
　　};
　　Phx::Phases::Phase ^ MyPhase::New( Phx:: Phases::PhaseConfiguration ^ config) {
　　 Phase ^ phase = gcnew MyPhase();
　　 phase->Initialize(con