計算機2025年編譯原理專項卷考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、編譯原理是計算機科學的核心課程之一，其研究內(nèi)容是程序設(shè)計語言從源代碼到機器代碼的翻譯過程。請簡述編譯過程的各個主要階段及其基本任務。二、有限自動機是詞法分析器構(gòu)造的基礎(chǔ)。請給出正則表達式`(a|b)*abb(a|b)*`對應的確定性有限自動機（DFA）。三、給定文法G：```E->E+T|TT->T*F|FF->(E)|id```其中`E`是表達式，`T`是項，`F`是因子，`+`,`*`,`(`,`)`,`id`是終結(jié)符。請判斷該文法是否是LL(1)文法。如果是，請給出它的預測分析表。如果是LL(0)文法但不是LL(1)文法，請說明理由。如果不是LL(1)文法，也請說明理由。四、使用SLR(1)分析法，構(gòu)造下列文法G的SLR(1)分析器：```S->E$E->E+T|TT->T*F|FF->(E)|id```請寫出項目集規(guī)范族（包括開始符號的項目集），并給出SLR(1)分析表（ACTION和GOTO表）。五、什么是屬性文法？請解釋綜合屬性和繼承屬性的區(qū)別。給定一個具有綜合屬性的文法規(guī)則：```E->E1opE2{E1.value+E2.value->expr.value}```其中`op`是`+`或`-`，`E1.value`,`E2.value`,`expr.value`是屬性。假設(shè)在分析過程中遇到`3+4`，請描述如何計算綜合屬性`expr.value`。六、什么是中間代碼？常用的中間代碼形式有哪些？請將下列賦值語句轉(zhuǎn)換為三地址碼：```a=b*c+d-e;```假設(shè)變量`a`,`b`,`c`,`d`,`e`的內(nèi)存地址分別為100,101,102,103,104。七、控制流圖（CFG）是進行代碼優(yōu)化的重要工具。請說明什么是基本塊？如何從程序的控制流圖構(gòu)造基本塊？八、請解釋常量傳播優(yōu)化技術(shù)的原理。給定一段三地址碼及其部分優(yōu)化結(jié)果：```(1)a=5(2)b=a+3(3)c=b*2(4)d=c-1```假設(shè)在優(yōu)化前已知`a`的值為常量5，請說明常量傳播如何作用于上述代碼，并給出優(yōu)化后的代碼序列。九、編譯器設(shè)計過程中，符號表扮演著至關(guān)重要的角色。請說明符號表需要支持哪些基本功能？在編譯過程的哪些階段需要使用符號表？十、設(shè)計一個簡單的詞法分析器，用于識別以下單詞：標識符（由字母或下劃線開頭，后接字母、數(shù)字或下劃線組成）、整數(shù)常數(shù)（由一個或多個數(shù)字組成）、以及關(guān)鍵字`if`和`else`。請給出該詞法分析器的有限自動機（FA）描述，無需畫出圖形，只需描述狀態(tài)、輸入字母、轉(zhuǎn)換關(guān)系和接受狀態(tài)。試卷答案一、編譯過程主要分為五個階段：詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成和代碼優(yōu)化。詞法分析階段將源代碼中的字符序列轉(zhuǎn)換為記號（Token）流。語法分析階段根據(jù)語言的文法規(guī)則檢查記號流是否符合語法結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建語法樹。語義分析階段進行類型檢查、作用域管理等，確保語義正確性，并可能生成屬性信息。中間代碼生成階段將語法樹或分析棧的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為獨立于機器的中間代碼。代碼優(yōu)化階段對中間代碼進行各種優(yōu)化以提高執(zhí)行效率。代碼生成階段將優(yōu)化后的中間代碼翻譯成目標機器的匯編代碼或機器代碼。二、正則表達式`(a|b)*abb(a|b)*`對應的DFA可描述如下：*狀態(tài)集合Q：{q0,q1,q2,q3,q4,q5}*輸入字母Σ：{a,b}*初始狀態(tài)：q0*接受狀態(tài)：q5*轉(zhuǎn)換函數(shù)δ：*δ(q0,a)=q0,δ(q0,b)=q0*δ(q0,b)=q1*δ(q1,a)=q2,δ(q1,b)=q3*δ(q2,a)=q2,δ(q2,b)=q2*δ(q3,a)=q4,δ(q3,b)=q3*δ(q4,a)=q5,δ(q4,b)=q5*δ(q5,a)=q5,δ(q5,b)=q5*狀態(tài)q2和q3是不可達狀態(tài)，理論上可以移除，但此描述包含所有轉(zhuǎn)換以完整表達正則表達式。三、該文法G不是LL(1)文法。理由：存在公共后綴。*規(guī)則E->E+T和T->T*F都以'T'結(jié)尾。*規(guī)則E->T和T->F以'F'結(jié)尾。考慮預測分析表：*對于E->E+T，E'=E|T。若B=T，則F'={+}。*對于T->T*F，E'=T|F。若B=F，則F'={*}。*對于E->T，E'=T。F'={}。*對于T->F，E'=F。F'={}。*對于E->E+T，若預測E'=E|T，則F'={+}。但T的FIRST集合是{(,id}。因此，當輸入是'+'時，無法唯一確定應使用E->E+T還是T->T*F（因為T的FIRST包含'+'的真前綴'+'）。這導致預測分析表在處理輸入'+'時出現(xiàn)沖突（即ACTION或SHIFT沖突）。因此，該文法不是LL(1)文法。四、構(gòu)造SLR(1)分析器：1.項目集規(guī)范族（包括$）：*I0:S->.E$,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I1:S->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I2:S->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I3:S->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I4:S->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I5:S->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I6:S->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I7:S->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I8:S->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I9:S->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I10:S->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I11:S->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I12:S->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I13:S->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I14:S->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I15:S->E+T->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I16:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I17:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I18:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I19:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I20:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I21:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I22:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I23:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I24:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I25:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I26:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I27:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I28:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I29:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I30:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I31:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I32:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I33:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I34:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I35:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I36:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I37:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I38:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I39:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I40:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I41:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I42:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I43:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I44:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I45:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I46:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I47:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->.E+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I48:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E.+T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I49:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+.T,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*I50:S->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T->E+T.,E->.E+T,T->.T*F,F->.(E),F->.id$*(其他項目集通過規(guī)約產(chǎn)生，例如I1產(chǎn)生I0{S->.E+$},I2產(chǎn)生I0{S->E+.+T},等等。)2.SLR(1)分析表（ACTION和GOTO）：*ACTION:*I0:S->.E$->accept*I0:E->.E+T->shift2*I0:E->.E*F->shift3*I0:F->.(E)->shift4*I0:F->.id->shift5*I0:$->.->error*I1:E->.E+T->shift2*I1:T->.T*F->shift3*I1:F->.(E)->shift4*I1:F->.id->shift5*I2:E->.E+T->reduceE->E+T*I2:T->.T*F->shift3*I2:F->.(E)->shift4*I2:F->.id->shift5*I3:T->.T*F->reduceT->T*F*I3:F->.(E)->shift4*I3:F->.id->shift5*I4:F->.(E)->reduceF->(E)*I4:F->.id->shift5*I5:E->.E+T->shift2*I5:T->.T*F->reduceT->T*F*I5:F->.(E)->shift4*I5:F->.id->shift5*I6:T->.T*F->reduceT->T*F*I6:F->.(E)->shift4*I6:F->.id->shift5*I7:F->.(E)->reduceF->(E)*I7:F->.id->shift5*I8:E->.E+T->shift2*I8:T->.T*F->reduceT->T*F*I8:F->.(E)->shift4*I8:F->.id->shift5*I9:T->.T*F->reduceT->T*F*I9:F->.(E)->shift4*I9:F->.id->shift5*I10:F->.(E)->reduceF->(E)*I10:F->.id->shift5*...(其他ACTION條目根據(jù)項目集規(guī)范族生成，包括更多的shift,reduce和accept操作，以及錯誤處理，如I0:$->.->error)*GOTO:*I0:S->E->shift1*I0:E->E+T->shift1*I0:E->T->shift1*I0:T->T*F->shift1*I0:T->(E)->shift1*I0:T->id->shift1*I1:E->E+T->shift1*I1:E->T->shift1*I1:T->T*F->shift1*I1:T->(E)->shift1*I1:T->id->shift1*I2:E->E+T->shift1*I2:E->T->shift1*I2:T->T*F->shift1*I2:T->(E)->shift1*I2:T->id->shift1*I3:T->T*F->shift1*I3:T->(E)->shift1*I3:T->id->shift1*I4:F->(E)->shift1*I4:F->id->shift1*I5:E->E+T->shift1*I5:T->T*F->shift1*I5:F->(E)->shift1*I5:F->id->shift1*I6:T->T*F->shift1*I6:F->(E)->shift1*I6:F->id->shift1*I7:F->(E)->shift1*I7:F->id->shift1*...(其他GOTO條目根據(jù)項目集規(guī)范族生成)*注意：上述項目集規(guī)范族和部分ACTION/GOTO只是示例，實際需要完整構(gòu)造。不可達狀態(tài)（如q2,q3在某些項目集中）應在最終分析表中移除或標記。五、屬性文法是一種帶有屬性的文法，其中文法符號（非終結(jié)符或終結(jié)符）除了具有語法結(jié)構(gòu)外，還附加了額外的信息，稱為屬性（Attribute）。屬性用于在語法分析過程中傳遞關(guān)于符號的各種語義信息。綜合屬性（SynthesizedAttribute）是一個符號的屬性值由其子符號的屬性值計算得到。通常，非終結(jié)符的屬性由其產(chǎn)生的終結(jié)符或子非終結(jié)符的屬性通過一個或多個規(guī)則（語義規(guī)則）計算而來。例如，規(guī)則`A->B1...Bn`中的非終結(jié)符`A`的綜合屬性`A.value`由`B1.value,...,Bn.value`通過某個函數(shù)`f`計算得到：`A.value=f(B1.value,...,Bn.value)`。繼承屬性（InheritedAttribute）是一個符號的屬性值不僅取決于其子符號的屬性值，還可能取決于其兄弟符號或更上層的父符號的屬性值。通常，非終結(jié)符的繼承屬性由其父符號的屬性值或其兄弟符號的屬性值計算而來。例如，在規(guī)則`A->B1...Bn`中，`Bj`的繼承屬性`Bj.inh`可能由`A.value`或`Bi.inh`(i<j)計算得到。在給定的文法規(guī)則`E->E1opE2{E1.value+E2.value->expr.value}`中：*`E1.value`,`E2.value`是綜合屬性，它們分別代表`E1`和`E2`所代表表達式（或值）的數(shù)值。*`expr.value`是`E`的綜合屬性，代表整個表達式`E`的最終計算結(jié)果。計算`expr.value`的過程如下：1.在分析過程中，首先需要計算出`E1.value`和`E2.value`。這通常在分析`E1`和`E2`的子樹時完成。2.當分析器到達`E->E1opE2{...}`規(guī)則，并計算出`E1.value`和`E2.value`后，根據(jù)語義規(guī)則`{E1.value+E2.value->expr.value}`計算出`expr.value`。3.具體計算為：`expr.value=E1.value+E2.value`。4.這個計算通常由文法分析器在處理該規(guī)則時執(zhí)行，并將結(jié)果賦值給`E`對應的`expr.value`屬性。六、中間代碼是介于源語言和目標語言之間的一種獨立于具體機器的代碼形式。它通常采用簡單的、接近源語言的表達方式，便于進行各種優(yōu)化，并且獨立于目標機器的指令系統(tǒng)。常用的中間代碼形式包括：*三地址碼（Three-AddressCode,TAC）：每條指令最多包含一個操作數(shù)，地址字段有三個（操作數(shù)1、操作數(shù)2、結(jié)果），形式如`op1opop2->result`。*虛擬機指令（VirtualMachineInstructions）：模擬某種抽象計算模型的指令。*后綴式（ReversePolishNotation,RPN）/前綴式（PolishNotation）。*樹形中間代碼（Tree-basedIntermediateCode）。本題目要求轉(zhuǎn)換為三地址碼。給定賦值語句`a=b*c+d-e;`和變量地址`a=100,b=101,c=102,d=103,e=104`，轉(zhuǎn)換過程如下：1.計算`b*c`，結(jié)果暫存于一個臨時變量`t1`。`t1=b*c`(假設(shè)`*`的地址為201)2.計算`t1+d`，結(jié)果暫存于`t2`。`t2=t1+d`(假設(shè)`+`的地址為202)3.計算`t2-e`，結(jié)果存入`a`。`a=t2-e`(假設(shè)`-`的地址為203)最終的三地址碼序列為：```(1)t1=b*c@地址201(2)t2=t1+d@地址202(3)a=t2-e@地址203```（注意：實際的三地址碼可能包含指令地址，這里為了簡潔省略了。）七、基本塊是程序控制流圖中的一個連通子圖，它由一系列連續(xù)的指令組成，程序的控制流只能從基本塊的第一個指令進入，也只能從最后一個指令退出?；緣K是代碼優(yōu)化（如循環(huán)優(yōu)化、死碼刪除等）的基本單位。從程序的控制流圖（CFG）構(gòu)造基本塊通常采用以下方法：1.后向遍歷法（常用）：*找到程序的所有終止指令（如`return`指令，或代碼段的最后一個指令）。*對于每個終止指令，從該指令開始，向前遍歷所有直接前驅(qū)指令，將它們包含在一個基本塊中。如果繼續(xù)向前遍歷發(fā)現(xiàn)該指令是某個其他基本塊的入口，則停止擴展。這樣，每個基本塊都是由一條指令（通常是非終止指令）開始，直到遇到一個唯一的直接前驅(qū)指令（或終止指令）為止。2.前向遍歷法：*從程序的入口指令開始。*對于當前指令，向前遍歷所有直接后繼指令，將它們包含在當前基本塊中。如果繼續(xù)向前遍歷發(fā)現(xiàn)這些后繼指令屬于某個已確定的基本塊的子塊，則停止擴展。3.基于控制流圖的分割：*將程序的控制流圖看作是節(jié)點（指令）和邊（轉(zhuǎn)移）的集合。*每個基本塊對應于圖中的一個強連通分量（對于指令圖），或者通過特定的分割策略（如基于直接后繼的唯一性）識別出的指令序列。八、常量傳播（ConstantPropagation）是一種簡單的代碼優(yōu)化技術(shù)，其原理是在程序中傳播已知的常量值。它通過分析程序中的賦值語句，將已知的常量值傳遞給使用這些常量的表達式，從而可能發(fā)現(xiàn)和消除常量表達式，或者為后續(xù)的優(yōu)化（如公共子表達式消除、死代碼刪除）提供信息。常量傳播的基本思想是：如果一個變量`x`被賦值為一個常量表達式`c`（例如`x=5`），那么在后續(xù)的代碼中，每次出現(xiàn)`x`的地方，都可以將其替換為常量`c`，前提是能夠確定`x`在該處沒有被修改。對于給定的三地址碼及其部分優(yōu)化結(jié)果：```(1)a=5(已知a被賦值為常量5)(2)b=a+3(原始)(3)c=b*2(原始)(4)d=c-1(原始)```應用常量傳播：1.分析(1)(4)：已知`a=5`，且(4)中`c`是由(3)產(chǎn)生的，(3)中`b`是由(2)產(chǎn)生的。我們需要確保在(4)中使用的`c`的值在此時是確定的。2.從(1)開始傳播：*在(2)`b=a+3`中，`a`的值為5。因此，`b`的值變?yōu)閌5+3=8`。更新(2)：`b=8`。*在(3)`c=b*2`中，`b`的值為8。因此，`c`的值變?yōu)閌8*2=16`。更新(3)：`c=16`。*在(4)`d=c-1`中，`c`的值為16。因此，`d`的值變?yōu)閌16-1=15`。更新(4)：`d=15`。3.優(yōu)化后的代碼序列為：```(1)a=5(2)b=8(3)c=16(4)d=15```常量傳播優(yōu)化后，代碼中不再包含變量`a`,`b`,`c`，而是直接使用了它們的常量值，代碼可能變得更簡潔，也便于進行進一步的優(yōu)化（如公共子表達式消除，因為`b*2`的結(jié)果16在(4)中被重新計算了）。九、符號表（SymbolTable）是編譯器在編譯過程中維護的一個關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲源程序中出現(xiàn)的標識符（如變量名、函數(shù)名、過程名等）及其相關(guān)屬性信息。符號表在編譯的多個階段都發(fā)揮著重要作用。符號表需要支持以下基本功能：1.存儲信息：能夠存儲每個標識符的名稱，