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规鲁
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编译原理课程与系统能力培养张昱中国科学技术大学计算机科学与技术学院 http://staff.ustc.edu.

1 编译原理课程与系统能力培养张昱中国科学技术大学计算机科学与技术学院第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 1

2 内容概要 01 中科大的程序语言系列课程简介 02 多层次的编译原理课程 03 编译原理课程实践案例 04 教学上采取的策略 05 总结第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 2

3 内容概要 01 中科大的程序语言系列课程简介 02 多层次的编译原理课程 03 编译原理课程实践案例 04 教学上采取的策略 05 总结第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 3

4 中科大程序语言系列课程简介程序设计语言课程程序设计 I(C 语言 ) 40/30 学时,2.5 学分, 一上, 通修程序设计 II 40/40,3, 一下, 通修 Java 软件开发基础 2 学分, 选修编译原理和技术 : 60/40 学时,4 学分, 三上, 专业核心课程序设计语言基础 :60/20,3.5 学分, 三下, 专业方向课 JavaScript 中的闭包动态绑定 ; 函数式语言 ; 并发并行计算 :2.5 学分程序设计语言理论 : 研究生课程第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 4

5 内容概要 01 中科大的程序语言系列课程简介 02 多层次的编译原理课程 03 编译原理课程实践案例 04 教学上采取的策略 05 总结第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 5

6 多层次的编译原理课程计算机专业分两个级别, 同时间段授课, 学生可以选择英才班 (30+) 从 2010 级开始加大实验强度, 基础实验 + 扩展实验, 占总分 50% 普通班基础实验, 实验占总分 20~30% 学生均要开发出小型实验型语言的编译器计算机双学位周六上课,4 节 / 次, 弱化实验 (2 个 ), 内容适当删减第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 6

7 普通高校本科 / 双学位的教学目标通过编程语言实现技术的学习, 提高 : 学习理解编程语言的能力在程序开发中应用编程语言的能力提高程序排错的能力即快速理解定位和解决在程序开发与程序运行中碰到的问题的能力提高编写高质量代码的能力第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 7

8 重点高校本科的教学目标通过对和编程语言相关的理论和技术的学习, 提高学习理解编程语言的能力在程序开发中应用编程语言的能力在软件工程中应用这些理论和技术的能力形式语言和自动机理论语法制导的翻译技术类型论和类型系统数据流分析的理论基础第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 8

9 中科大编译原理课程实验历史 1984~1993: 实现扩展 PL/0 语言到扩展 PL/0 抽象机的编译器实现扩展 PL/0 抽象机的解释器数组类型和函数类型 1994~2001: 单独的实践课布尔类型 exit/break 语句和布尔表达式短路计算等 2002~2006 : 本科学制五年改成四年, 单独的实践课被取消, 仅开展熟悉 Lex 和 Yacc 的课程小实验 2007~2010 : 以源语言抽象语法树低级中间表示汇编代码的内部表示 x86/mips 汇编为主线, 每个学生完成编译器的前端 ( 后端 ), 自行选择合作伙伴, 分组逐个答辩 2011 春,2012 春 :PL/0 扩展 2012 秋至今 : 分英才班普通班循序渐进的小实验 [+ 综合实验 ] 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 9

10 中科大专业实践改革 ( 编译原理 2006-) 指导思想首先抓课程实验改革, 课程实验要整体规划像讨论教学计划那样来讨论技术水平的培养 : 语言工具平台的覆盖范围和相互之间的衔接其覆盖程度依赖于制度的保证学科机构的资源教职人员的利益软件类的课程实验学生至少参与完成一个有一定规模的软件项目的设计与开发, 涉及对多门课程所学原理的综合运用遵循由小到大循序渐进的原则整体规划课程实践涉及的语言工具和环境注意培养工程意识质量意识和团队意识第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 10

11 中科大专业实践改革 ( 编译原理 2006-) 软件类的课程实验低年级的课程实验 ( 如 C 语言数据结构 ) 以巩固课程知识的小实验为主训练学生基本的程序设计技能高年级的课程实验 ( 如编译原理操作系统等 ) 以综合运用的课程设计为主训练学生软件工程的能力培养学生的系统能力第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 11

12 中科大实验方案的主线以源语言 - 抽象语法树 - 低级中间表示 - 汇编代码的内部表示 -x86/mips 汇编为主线搭建的基于组件的编译原理实验体系源语言程序分析器高级中间表示 (AST) 解释器变换器 (AST2LIR) 检查器正确? 低级中间表示 ( 如三地址码 ) 变换器 (IR 优化器 /IR 之间的转换器 ) 寄存器分配器代码生成器汇编代码的内部表示汇编代码 ( 如 x86, MIPS) 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 12

中科大 2006-2010 实验方案的主线以源语言 - 抽象语法树 - 低级中间表示 - 汇编代码的内部表示 -x86/mips 汇编为主线搭建的基于组件的编译原理实验体系源语言程序分析器高级中间表示 (AST) 解释器张昱, 陈意云. 编译原理实验教程. 北京 : 高等教育出版社变换器, 2009.

13 中科大实验方案的主线以源语言 - 抽象语法树 - 低级中间表示 - 汇编代码的内部表示 -x86/mips 汇编为主线搭建的基于组件的编译原理实验体系源语言程序分析器高级中间表示 (AST) 解释器张昱, 陈意云. 编译原理实验教程. 北京 : 高等教育出版社变换器, (AST2LIR) ( 附光盘 ) 检查器正确? 低级中间表示 ( 如三地址码 ) 变换器 (IR 优化器 /IR 之间的转换器 ) 寄存器分配器代码生成器汇编代码的内部表示汇编代码 ( 如 x86, MIPS) 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 13

14 内容概要 01 中科大的程序语言系列课程简介 02 多层次的编译原理课程 03 编译原理课程实践案例 04 教学上采取的策略 05 总结第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 14

15 编译原理课程实践案例 2012 级 (2015 年秋季学期 ) 英才班课程实践安排个基础实验 : 和讲授内容配套, 循序渐进最后 1 个扩展实验 : 自由选题,1 月份逐个答辩实验环境 :Linux+ 命令行编译运行 (Makefile shell 脚本 ) 学生平时在个人电脑上实验助教上讨论课 QQ 交流等长期在线的服务器 :git 版本管理, 学生专有的库助教 : 以往的研究生近年的大四学生 ( 上届学本课程 ) 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 15

16 编译原理课程实践案例 - 基础实验 P1 预备阶段熟悉实验环境 :Linux LLVM GCC,Makefile 熟悉 C1 语言的特征 : 编写 C1 程序, 用 GCC/Clang 编译初步了解编译的过程提交的目录结构要求 README Makefile src/ doc/ bin/ :shell 脚本 test/ 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 16

17 编译原理课程实践案例 - 基础实验 P2 词法分析学习 LLVM 提供的教程 Kaleidoscope 理解其中的词法分析过程对上述词法分析进行扩展 : 多行注释八进制数修改扩展后的词法分析部分, 使之输出记号流学习使用 Flex, 用 Flex 生成 C1 的词法分析器阅读 Clang 源代码中的词法分析文件, 并回答问题提交的目录结构要求第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 17

18 编译原理课程实践案例 - 基础实验 P3 Kaleidoscope 语法分析理解 Kaleidoscope 的语法分析和抽象语法树扩展 while 循环 P4 C1 语言的语法分析与错误恢复学习 Bison 用 Flex+bison 为 C1 语言构造能识别正确 C1 程序的分析器提交的目录结构要求第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 18

19 编译原理课程实践案例 - 基础实验 P5 生成 C1 的抽象语法树 (AST) 理解所提供的 asgn2ast 样例为 C1 生成 AST P6 Clang 源码阅读 : 理解语法分析和静态检查用 ninja 编译 clang, 了解其中由 td 描述文件自动生成代码的技术阅读 clang 源码中的部分源程序文件, 来理解 clang 的语法分析和静态语义检查的实现机制了解 clang 编译工具的构造 ( 可选的库 + 驱动程序 ) P7 代码生成 : 为 C1 程序生成 LLVM IR 代码第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 19

20 编译原理课程实践案例 - 综合实验基础实验扩展 :22 人基于流水技术的并行化数据流语言 :2 人合作静态存储布局优化重复代码检测 :3 人合作小型 MASM 汇编语言编译器 GO 语言调研 Python 编译器调研 ucc 扩展第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 20

21 内容概要 01 中科大的程序语言系列课程简介 02 多层次的编译原理课程 03 编译原理课程实践案例 04 教学上采取的策略 05 总结第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 21

22 教学上采取的策略介绍许多从实际编译和运行时碰到的问题多以 C 语言作为实例语言学过非类型安全的语言可生成汇编便于阅读引导用所学知识去分析解决理解实际编程中的问题和发生的现象让学生出题不同的编码方法不同的实现技术产生的不同影响介绍现代常用语言的编译运行系统的结构编译连接生成本地码 :C 汇编码即时编译器 + 垃圾收集 :Java 虚拟机 JavaScript 引擎安卓代码的编译运行 :Delvik ART 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 22

23 例题 1 全局存储分配下面的程序运行时输出 3 个整数试从运行时存储空间的组织和 printf 的实现来分析, 为什么此程序会有 3 个整数输出? main() { printf( %d, %d, %d\n ); } 低高 esp ebp 栈 printf 局部变量 printf 控制链 printf 返回地址格式串指针其它参数 main 控制链 main 返回地址第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 23

24 例题 2 编译和连接 cc 是 UNIX 系统上 C 语言编译命令, l 是连接库函数的选择项某程序员自己编写了两个函数库 libuser1.a 和 libuser2.a, 当用命令 cc test.c luser1.a luser2.a 编译时, 报告有未定义的符号, 而改用命令 cc test.c luser2.a luser1.a 时, 能得到可执行程序试分析原因 ( 备注 : 库名中的 lib 在命令中省略该命令和命令 cc test.c libuser1.a libuser2.a 的效果一致 ) 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 24

25 例题 2 编译和连接 cc test.c luser1.a luser2.a cc test.c luser1.a luser2.a 解答 test.c libuser1.a libuser2.a 引用 a 定义 b 定义 a 引用 b test.c libuser2.a libuser1.a 引用 a 定义 a 定义 b 引用 b 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 25

26 例题 3 代码生成下面的程序在 X86/Linux 机器上编译后的运行结果是 7, 而在 SPARC/SUNOS 机器上的运行结果是 6 试分析运行结果不同的原因 main() { } long i; i = 0; printf("%ld\n", (++i)+(++i)+(++i) ); 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 26

27 例题 3 代码生成按一般的代码生成,i = i +1 的计算结果保留在寄存器中, 因此这三个 i = i +1 的计算次序不会影响最终的结果结果应该是 = = = i + i + i + i 1 i 1 i 1 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 27

28 例题 3 代码生成按一般的代码生成,i = i +1 的计算结果保留在寄存器中, 因此这三个 i = i +1 的计算次序不会影响最终的结果结果应该是 6 结果是 7 的话, 一定是某个 i = i +1 的结果未保留在寄存器中上层计算对它的引用落在计算另一个 i = i +1 的后面 + + = = = i + i i + 1 i i + 1 i 1 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 28

29 内容概要 01 中科大的程序语言系列课程简介 02 多层次的编译原理课程 03 编译原理课程实践案例 04 教学上采取的策略 05 总结第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 29

30 总结教学与实践内容选择的建议第 1 门程序语言 : 细讲 GUI 命令行 Windows Linux 以后的语言课学习 : 相比以前语言的特点实现养成查语言规范编译器版本的说明来了解语言特征程序设计方法学及一定规模的程序的程序设计编译原理和技术 ( 针对一般的高校 ) 淡化对分析器的自动生成技术的叙述增强对实际编译运行问题的分析引入编译器源码的阅读第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 30

31 资源教师的课程主页中科大省级精品课程资源年编译原理和技术省级精品资源共享课 2009 年编译原理省级精品课程两年 1 次的龙星计划课程 ( ) 欢迎省内同仁反馈交流探讨! 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 31

32 Q&A 谢谢! 第二届计算机专业系统能力培养综合改革经验交流与报告会 [ , 合肥 ] 32

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PowerPoint Presentation 结合开源软件的编译原理教学实践探索张昱中国科学技术大学计算机科学与技术学院 2017 年高等院校计算机系统类课程联合研讨会 2017.8.26 恩施中科大的编译原理课程计算机专业分两个级别, 同时间段授课, 学生可以选择英才班 (30+) 从 2010 级开始 54+40 加大实验强度, 基础实验 + 扩展实验, 占总分 50% 普通班 54+40 基础实验, 实验占总分 20~30%