2025年大學(xué)《信息與計(jì)算科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——編程語(yǔ)言與編譯原理研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.編譯器通常將源程序翻譯成目標(biāo)程序，其主要過(guò)程包括詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化和______。2.能夠識(shí)別給定字符串是否屬于某個(gè)語(yǔ)言集合的自動(dòng)機(jī)是______。3.一個(gè)上下文無(wú)關(guān)文法的判定算法是______分析。4.在屬性文法中，與產(chǎn)生式右部符號(hào)相關(guān)聯(lián)的值稱為_(kāi)_____。5.三地址碼是一種常用的中間代碼形式，其基本單元通常包含三個(gè)操作數(shù)，一個(gè)操作符。6.編譯器優(yōu)化的一個(gè)常見(jiàn)目標(biāo)是______，即在不改變程序語(yǔ)義的前提下提高目標(biāo)代碼的執(zhí)行效率。7.通常情況下，編譯器生成的目標(biāo)代碼比解釋器直接執(zhí)行源代碼的效率要______。8.C語(yǔ)言中的`switch`語(yǔ)句在編譯時(shí)通常會(huì)被轉(zhuǎn)換成______語(yǔ)句的某種組合。9.能夠處理任意復(fù)雜語(yǔ)法，但可能無(wú)法判定語(yǔ)言是否可計(jì)算的語(yǔ)言文法是______文法。10.解釋器在運(yùn)行時(shí)直接執(zhí)行源代碼或其某種等價(jià)表示，通常缺乏編譯器帶來(lái)的______優(yōu)化。二、名詞解釋（每題3分，共15分）1.有限自動(dòng)機(jī)2.語(yǔ)法分析3.語(yǔ)義分析4.中間代碼5.代碼優(yōu)化三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述編譯器與解釋器的區(qū)別。2.解釋什么是LL(1)文法，并簡(jiǎn)述其判斷條件。3.說(shuō)明編譯器中類型檢查的主要作用。4.描述編譯器前端和后端各自的主要任務(wù)。四、分析題（每題10分，共30分）1.給定文法G：`S->aSb|ε`，其中`ε`表示空串。(1)說(shuō)明該文法是否為正規(guī)文法。(2)構(gòu)造一個(gè)能識(shí)別該文法所定義語(yǔ)言的確定性有限自動(dòng)機(jī)（DFA）。2.假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的上下文無(wú)關(guān)文法描述了以下語(yǔ)法結(jié)構(gòu)：`Expr->Expr+Term|Term`和`Term->Term*Factor|Factor`，`Factor->(Expr)|num`。這里`num`表示數(shù)字。(1)簡(jiǎn)要說(shuō)明如何使用遞歸下降分析方法來(lái)構(gòu)造該文法的語(yǔ)法分析器。(2)針對(duì)輸入`3+4*5`，描述從左到右、自頂向下的遞歸下降分析過(guò)程的主要步驟（指出當(dāng)前期望匹配的符號(hào)和進(jìn)行的方法）。3.考慮三地址碼指令`x=y+z`和`y=5`。(1)寫(xiě)出這兩條指令的三地址碼表示。(2)如果進(jìn)行簡(jiǎn)單的公共子表達(dá)式消除優(yōu)化，當(dāng)再次遇到指令`x=a+y`時(shí)，優(yōu)化后的三地址碼序列應(yīng)如何表示？（假設(shè)`a`之前未定義）五、設(shè)計(jì)題（15分）設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的詞法分析器（或其核心部分），用于識(shí)別以下單詞類型：標(biāo)識(shí)符（由字母或下劃線開(kāi)頭，后接字母、數(shù)字或下劃線組成）、整數(shù)常數(shù)（由一個(gè)或多個(gè)數(shù)字組成）、關(guān)鍵字`if`、關(guān)鍵字`else`、關(guān)鍵字`while`、運(yùn)算符`+`、`-`、`*`、`/`、`=`、分號(hào)`;`、逗號(hào)`,`。輸入為一行文本。要求：1.使用有限自動(dòng)機(jī)（FA）或正則表達(dá)式（描述即可）定義每個(gè)單詞類型的識(shí)別規(guī)則。2.描述識(shí)別過(guò)程的基本步驟，例如如何處理輸入串的字符，如何識(shí)別錯(cuò)誤輸入（如非法字符）。試卷答案一、填空題1.目標(biāo)代碼生成2.有限自動(dòng)機(jī)3.預(yù)測(cè)（或遞歸下降）4.屬性5.三地址碼6.效率（或性能）7.高8.順序（或順序）9.遞歸（或遞歸）10.優(yōu)化二、名詞解釋1.有限自動(dòng)機(jī)：一種由有限個(gè)狀態(tài)和有限個(gè)轉(zhuǎn)移字母組成的數(shù)學(xué)模型，能夠識(shí)別正則語(yǔ)言。它包含一個(gè)初始狀態(tài)，通過(guò)讀取輸入符號(hào)序列，在狀態(tài)之間進(jìn)行有限次的轉(zhuǎn)移，最終到達(dá)某個(gè)終止?fàn)顟B(tài)（如果存在），則認(rèn)為輸入字符串被接受。2.語(yǔ)法分析：編譯器的一個(gè)階段，其任務(wù)是根據(jù)源程序的語(yǔ)法規(guī)則（由上下文無(wú)關(guān)文法定義），將詞法分析器輸出的記號(hào)序列組織成語(yǔ)法結(jié)構(gòu)（通常是抽象語(yǔ)法樹(shù)），并檢查程序是否存在語(yǔ)法錯(cuò)誤。3.語(yǔ)義分析：編譯器的一個(gè)階段，緊接在語(yǔ)法分析之后。它檢查源程序是否符合語(yǔ)義規(guī)則，如類型匹配、變量聲明檢查等，并為生成中間代碼或進(jìn)行后續(xù)處理（如優(yōu)化）提供必要的信息。語(yǔ)義分析通常與屬性文法結(jié)合使用。4.中間代碼：編譯器中用于連接源語(yǔ)言和目標(biāo)語(yǔ)言的中間表示形式。它通常獨(dú)立于具體的源語(yǔ)言和目標(biāo)機(jī)器，形式簡(jiǎn)潔，便于進(jìn)行優(yōu)化處理。常見(jiàn)的中間代碼形式有三地址碼、抽象語(yǔ)法樹(shù)（AST）、后綴表達(dá)式等。5.代碼優(yōu)化：編譯器的一個(gè)階段，其任務(wù)是在不改變程序外部行為（即語(yǔ)義）的前提下，對(duì)生成的中間代碼或目標(biāo)代碼進(jìn)行修改，以減少程序運(yùn)行時(shí)的執(zhí)行時(shí)間、空間消耗或減少運(yùn)行時(shí)對(duì)外部資源的依賴。三、簡(jiǎn)答題1.編譯器將源代碼一次性翻譯成目標(biāo)代碼（通常是機(jī)器碼或中間代碼），然后執(zhí)行目標(biāo)代碼。解釋器則直接讀取源代碼或其某種中間表示，逐行或逐句地解釋并執(zhí)行，每次只處理一小部分代碼。編譯器通常能生成更優(yōu)化的目標(biāo)代碼，但編譯過(guò)程需要額外的時(shí)間；解釋器執(zhí)行速度快（對(duì)于解釋的部分），但通常比編譯執(zhí)行的慢，且缺乏編譯器帶來(lái)的深度優(yōu)化。2.LL(1)文法是一種特殊的上下文無(wú)關(guān)文法，其中對(duì)于文法的任意兩條產(chǎn)生式`A->α|β`，如果`α`和`β`都不是空串，那么它們的首符號(hào)（或首符集）必須不相同；如果`α`或`β`中有空串，那么`α`的首符集與`β`的同步符集（即`β`的非空首符集）的交集必須為空。LL(1)文法是“左遞歸”（Left-Linear）和“1預(yù)測(cè)”（Predictablewithonetokenlook-ahead）。其判斷條件主要是基于首符集（FirstSets）和同步符集（FollowSets）之間的關(guān)系。這種文法可以使用預(yù)測(cè)分析表來(lái)確定每個(gè)非終結(jié)符和輸入符號(hào)的組合應(yīng)采用哪條產(chǎn)生式規(guī)則，只需要向前看一個(gè)符號(hào)。3.類型檢查的主要作用是確保源程序中的所有操作都是類型安全的，即操作數(shù)和結(jié)果具有兼容的類型。這有助于在編譯階段發(fā)現(xiàn)并報(bào)告潛在的錯(cuò)誤，例如將整數(shù)賦值給字符變量、將字符串傳遞給需要整數(shù)的函數(shù)等。類型檢查有助于提高程序的可讀性、可維護(hù)性，并增強(qiáng)程序的健壯性，防止運(yùn)行時(shí)因類型不匹配而導(dǎo)致的意外行為或崩潰。4.編譯器的前端主要負(fù)責(zé)處理源程序的輸入部分，包括詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析、中間代碼生成。其任務(wù)是從源代碼中提取結(jié)構(gòu)、語(yǔ)義信息，并生成獨(dú)立于目標(biāo)機(jī)器的中間代碼。編譯器的后端則負(fù)責(zé)處理源程序的輸出部分，包括代碼優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成。后端接收前端生成的中間代碼，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以提升性能，然后將其翻譯成特定目標(biāo)機(jī)器的匯編語(yǔ)言或機(jī)器碼。四、分析題1.(1)是正規(guī)文法。因?yàn)樵撐姆梢杂捎邢拮詣?dòng)機(jī)識(shí)別，其產(chǎn)生式形式符合正規(guī)文法的定義（右部至多包含一個(gè)非終結(jié)符，且該非終結(jié)符位于最右端），并且能夠生成所有由`a`和`b`組成的長(zhǎng)度為偶數(shù)的字符串（包括空串）。(2)DFAM=({q0,q1},{a,b},δ,q0,{q1})，其中狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ定義如下：*δ(q0,a)=q0*δ(q0,b)=q1*δ(q1,a)=q0*δ(q1,b)=q1（注：這是一個(gè)非確定性FA，確定性FA需要合并等價(jià)狀態(tài)，結(jié)果只有兩個(gè)狀態(tài)q0和q1，轉(zhuǎn)移關(guān)系相同。）2.(1)遞歸下降分析器為文法的每個(gè)非終結(jié)符編寫(xiě)一個(gè)函數(shù)（或過(guò)程），每個(gè)函數(shù)負(fù)責(zé)匹配該非終結(jié)符對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生式。分析器從文法的起始符號(hào)`Expr`對(duì)應(yīng)的函數(shù)開(kāi)始，逐個(gè)字符讀取輸入，根據(jù)當(dāng)前符號(hào)和期望匹配的符號(hào)選擇合適的產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行匹配。如果遇到文法中定義的規(guī)則，則遞歸調(diào)用對(duì)應(yīng)非終結(jié)符的函數(shù)。如果能夠成功匹配到輸入的結(jié)束，則表示語(yǔ)法正確；否則報(bào)告錯(cuò)誤。(2)分析過(guò)程（以`3+4*5`為例）：*期望`Expr`，遇到`3`，調(diào)用`Expr`函數(shù)處理`3`，匹配成功，`3`被處理（可能轉(zhuǎn)換為內(nèi)部表示）。*期望`+`，遇到`+`，匹配成功。*期望`Term`，調(diào)用`Term`函數(shù)。*期望`Term`，遇到`4`，調(diào)用`Term`函數(shù)處理`4`，匹配成功。*期望`*`，遇到`*`，匹配成功。*期望`Factor`，調(diào)用`Factor`函數(shù)。*期望`Factor`，遇到`5`，調(diào)用`Factor`函數(shù)處理`5`，匹配成功。*期望輸入結(jié)束，分析完成，成功。3.(1)三地址碼表示：t1=y+zx=t1t2=5y=t2(2)優(yōu)化后的表示：遇到`x=a+y`時(shí)，檢查`a+y`是否與之前的`y+z`是同一個(gè)表達(dá)式（忽略操作數(shù)順序和中間變量）。如果是，且`y`的值已被計(jì)算（由`t2=5`和`y=t2`給出），則可以消除公共子表達(dá)式`y`。優(yōu)化后的代碼序列為：t1=zx=t1+5（這里假設(shè)`a`的值未知或未使用，直接用`5`替代`y`，并將結(jié)果賦給`x`?；蛘吒?jiǎn)潔地，如果允許，直接寫(xiě)`x=z+5`。根據(jù)優(yōu)化強(qiáng)度定義，以上表示是合理的。）五、設(shè)計(jì)題1.單詞類型的識(shí)別規(guī)則：*標(biāo)識(shí)符：以字母(`A-Z`或`a-z`)或下劃線(`_`)開(kāi)頭，后接任意數(shù)量（至少一個(gè)）的字母、數(shù)字(`0-9`)或下劃線?？梢允褂谜齽t表達(dá)式`^[A-Za-z_][A-Za-z0-9_]*$`。*整數(shù)常數(shù)：由一個(gè)或多個(gè)數(shù)字(`0-9`)組成?？梢允褂谜齽t表達(dá)式`^[0-9]+$`。*關(guān)鍵字`if`：字面串"if"。*關(guān)鍵字`else`：字面串"else"。*關(guān)鍵字`while`：字面串"while"。*運(yùn)算符`+`：字面串"+"。*運(yùn)算符`-`：字面串"-"。*運(yùn)算符`*`：字面串"*"。*運(yùn)算符`/`：字面串"/"。*運(yùn)算符`=`：字面串"="。*分號(hào)`;`：字面串";"。*逗號(hào)`,`：字面串","。*非法字符：任何不屬于上述任何類別的字符。2.識(shí)別過(guò)程基本步驟：*初始化一個(gè)指針（或光標(biāo)）指向輸入文本的開(kāi)頭。*讀取當(dāng)前指針指向的字符`ch`。*識(shí)別標(biāo)識(shí)符：如果`ch`是字母或下劃線，將`ch`添加到當(dāng)前符號(hào)緩沖區(qū)，移動(dòng)指針到下一個(gè)字符，繼續(xù)讀取。如果`ch`是字母、數(shù)字或下劃線，重復(fù)此過(guò)程。如果`ch`是非法字符或運(yùn)算符/關(guān)鍵字起始字符，則當(dāng)前符號(hào)緩沖區(qū)中的內(nèi)容構(gòu)成一個(gè)標(biāo)識(shí)符，處理（或存儲(chǔ)）該標(biāo)識(shí)符，并將`ch`視為錯(cuò)誤或下一個(gè)符號(hào)的開(kāi)始。*識(shí)別整數(shù)常數(shù)：如果`ch`是數(shù)字，將`ch`添加到當(dāng)前符號(hào)緩沖區(qū)，移動(dòng)指針到下一個(gè)字符，繼續(xù)讀取。如果`ch`是非法字符或運(yùn)算符/關(guān)鍵字起始字符，則當(dāng)前符號(hào)緩沖區(qū)中的內(nèi)容構(gòu)成一個(gè)整數(shù)常數(shù)，處理（或存儲(chǔ)）該整數(shù)常數(shù)，并將`ch`視為錯(cuò)誤或下一個(gè)符號(hào)的開(kāi)始。*識(shí)別關(guān)鍵字和運(yùn)算符：比較當(dāng)前字符`ch`或由`ch`開(kāi)頭的有限字符序列（如`ch,ch+1,ch+2`等）是否與預(yù)定義的關(guān)鍵字或運(yùn)算符字面串匹配。如果匹配，則處理（或存儲(chǔ)）該關(guān)鍵字或運(yùn)算符，并移動(dòng)指針跳過(guò)