Basics of Compiler Design: Anniversary edition

797 Pages·2016·1.74 MB·English

by  Singh V.

Basics of Compiler Design
Anniversary edition
Virender Singh
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Commercial Purpose.
Contents
1 Introduction 1
1.1 Whatisacompiler? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Thephasesofacompiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Interpreters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Whylearnaboutcompilers? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Thestructureofthisbook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Tothelecturer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.7 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.8 Permissiontouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 LexicalAnalysis 9
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Regularexpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Shorthands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Nondeterministicfiniteautomata . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 ConvertingaregularexpressiontoanNFA . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.1 Optimisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Deterministicfiniteautomata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 ConvertinganNFAtoaDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6.1 Solvingsetequations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6.2 Thesubsetconstruction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Sizeversusspeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.8 MinimisationofDFAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.8.2 Deadstates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.9 Lexersandlexergenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.9.1 Lexergenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.10 Propertiesofregularlanguages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.10.1 Relativeexpressivepower . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.10.2 Limitstoexpressivepower . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
i
ii CONTENTS
2.10.3 Closureproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.11 Furtherreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 SyntaxAnalysis 53
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 Context-freegrammars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.1 Howtowritecontextfreegrammars . . . . . . . . . . . . 56
3.3 Derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.1 Syntaxtreesandambiguity . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 Operatorprecedence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4.1 Rewritingambiguousexpressiongrammars . . . . . . . . 64
3.5 Othersourcesofambiguity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6 Syntaxanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7 Predictiveparsing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8 Nullable and FIRST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.9 Predictiveparsingrevisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.10 FOLLOW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.11 Alargerexample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.12 LL(1)parsing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.12.1 Recursivedescent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.12.2 Table-drivenLL(1)parsing . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.12.3 Conflicts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.13 RewritingagrammarforLL(1)parsing . . . . . . . . . . . . . . 84
3.13.1 Eliminatingleft-recursion . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.13.2 Left-factorisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.13.3 ConstructionofLL(1)parserssummarized . . . . . . . . 87
3.14 SLRparsing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.15 ConstructingSLRparsetables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.15.1 ConflictsinSLRparse-tables . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.16 UsingprecedencerulesinLRparsetables . . . . . . . . . . . . . 95
3.17 UsingLR-parsergenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.17.1 Declarationsandactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.17.2 Abstractsyntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.17.3 Conflicthandlinginparsergenerators . . . . . . . . . . . 102
3.18 Propertiesofcontext-freelanguages . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.19 Furtherreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
CONTENTS iii
4 ScopesandSymbolTables 113
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2 Symboltables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.2.1 Implementationofsymboltables . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2.2 Simplepersistentsymboltables . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2.3 Asimpleimperativesymboltable . . . . . . . . . . . . . 117
4.2.4 Efficiencyissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.2.5 Sharedorseparatenamespaces . . . . . . . . . . . . . . 118
4.3 Furtherreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5 Interpretation 121
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2 Thestructureofaninterpreter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3 Asmallexamplelanguage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.4 Aninterpreterfortheexamplelanguage . . . . . . . . . . . . . . 124
5.4.1 Evaluatingexpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.4.2 Interpretingfunctioncalls . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4.3 Interpretingaprogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.5 Advantagesanddisadvantagesofinterpretation . . . . . . . . . . 128
5.6 Furtherreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6 TypeChecking 133
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2 Thedesignspaceoftypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.3 Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.4 Environmentsfortypechecking . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.5 Typecheckingexpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.6 Typecheckingoffunctiondeclarations . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.7 Typecheckingaprogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.8 Advancedtypechecking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.9 Furtherreading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7 Intermediate-CodeGeneration 147
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.2 Choosinganintermediatelanguage . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.3 Theintermediatelanguage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.4 Syntax-directedtranslation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.5 Generatingcodefromexpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.5.1 Examplesoftranslation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155