5.2 中间代码生成与优化_布尔表达式的翻译
我们仍然按照语法分析和语义检查时的思路，先讨论表达式的翻译，再处理语句。表达式从概念上来说，可分为算术表达式和布尔表达式，在一些编程语言（例如Java）中对这两者是有严格区分的，算术表达式的结果是整数或浮点数，而布尔表达式的结果是逻辑上的真或假。布尔是英国数学家，由于布尔较早进行了关于“与或非”逻辑运算的研究，为了纪念这位先驱，在Java中引入了关键字boolean，而在C++中引入了bool关键字来表达逻辑上的真或假。C语言中并没有专门的布尔类型，而是把非0的值当作真，把0当作假。
int a, b;
if(a+b){// Java中非法，a+b为算术值，非布尔值；C中合法
}
if(a == b){//a == b为布尔值，在C或Java中都合法
}
为了讨论的方便，我们不妨把C语言看成是存在布尔表达式，例如a&&b，a||b或者a>b等，也存在算术表达式，例如a+b或者a&b，但是不存在C程序员可见的布尔类型关键字bool或者boolean。对于算术表达式而言，C编译器需要对整个表达式进行求值，例如，我们要计算出“a和b相加的值”，或者“a和b按位与的值”，并把运算结果保存到一个临时变量中，这个临时变量的值就代表了整个表达式的值。而对于布尔表达式来说，我们并不会对整个表达式进行求值，而是生成相应的跳转指令，对于a&&b而言，当a为假时，不论b为何值，a&&b的值都为假，所以此时我们并不需要对b进行求值。若把“a&&b”换成“f()&&g()”，则当f()的返回值为假时，我们不需要对函数g()进行求值，此时g()函数根本就没有被调用，这就是C语言中的短路运算。
我们先举个简单的例子来说明这些概念，如图5.2.1所示，第1至21行给出了一个简单的C程序，第22至60行是与之对应的中间代码。对于第4至8行的C代码来说，与其对应的中间代码在第24至31行，我们需要先对第4行的算术表达式a+b进行求值，第25行的中间代码“t0:a+b”表示把“a+b”求值后的结果存于临时变量t0中，对表达式进行求值的工作由ucl\tranexpr.c中的TranslateExpression()函数来完成。但对于第9行的布尔表达式a&&b来说，我们只是生成第33行和第35行的条件跳转指令，并没有对整个布尔表达式a&&b进行求值，但a为假时，控制流直接由第33行转移到基本块BB6处，即不再需要判断b的值。产生这些跳转指令的工作由ucl\tranexpr.c中的TranslateBranch()函数来实现。在X86汇编中，跳转指令对应的助记符为Jump，缩写为J；但在Arm汇编中，跳转指令对应的是Branch，缩写为B，单词Branch是分支的意思（也有些人写为分枝，哪个是错别字，whoknows!），这意味着如果是“有条件跳转”的话，控制流就会“开叉”，相当于一根树枝分成若干个细枝了，例如图5.2.1第35行的有条件跳转，控制流可能流向第37行，也可能流向第40行。
图5.2.1 布尔表达式和算术表达式
对于图5.2.1第14行的算术表达式a&b来说，我们需要先对整个表达式a&b进行求值，再根据其结果进行跳转，如图第42和43行所示。比较特殊的是第19行的布尔表达式a||b，按我们之前的介绍，翻译布尔表达式时，我们只是产生一些跳转指令来改变控制流，如第50行和第52行所示。但按照第19行赋值语句的语义，我们需要在a||b为真时，给变量c赋值1；在a||b为假时，给变量赋值0。因此，C编译器需要产生第54至57行的代码。这些工作由ucl\tranexpr.c中的函数TranslateBranchExpression来完成。
简而言之，如果我们需要显式地求出表达式的值，就调用函数TranslateExpression()；如果只是需要生成一些跳转指令来改变当前的控制流，则使用TranslateBranch()。如果我们在调用TranslateExpression()来对表达式求值时，遇到的表达式是形如图5.2.1第19行的赋值语句中的布尔表达式a||b，此时我们就再调用TranslateBranchExpression()函数来处理，进而产生如图5.2.1第50至57行的代码。
趁热打铁，我们现在就来看一下函数TranslateBranchExpression的代码，如图5.2.2第1至18行所示。第4行通过调用CreateTemp函数创建了一个临时变量，不妨设这个临时变量为t。我们需要根据布尔表达式的控制流来执行t=0或者t=1的代码，第11行调用GenerateMove函数产生t = 0的代码，第15行则用于产生t = 1。当表达式expr为假时，我们在执行完t=0后，还要通过第12行的GenerateJump函数，产生一条无条件跳转指令，跳过t=1这个指令。中间代码t=0是基本块falseBB的第一条指令，而t=1为基本块trueBB的第一条指令。在调用第8行的TranslateBranch函数来产生跳转指令时，我们需要把trueBB和falseBB作为跳转目标传递给TranslateBranch函数，这样我们才能生成形如如图5.2.1第50至52行的跳转指令。
图5.2.2 TranslateBranchExpression()
当我们遇到形如“c = expression；”的语句时，由上下文可知，我们需要先对赋值号右侧的表达式进行求值，之后再结果赋给左侧的c。对右侧表达式进行求值的运算，由图5.2.2第45行的TranslateExpression()来实现。在第46行，我们又遇到了非常熟悉的套路，通过查表来调用相应的处理函数，对应的表格如图第29至44行所示，分别是第30行的逗号表达式、第31行的赋值表达式、第33行的条件表达式、第35行的二元运算表达式、第37行的一元运算表达式、第39行的后缀表达式和第41行的基本表达式。我们会在后续章节分别对这些处理函数进行讨论。当我们遇到”c= a || b”时，赋值号右侧的“a ||b”实际上是个布尔表达式，运算符||属于二元运算符，通过第46行的查表操作，我们实际上会调用第19行的TranslateBinaryExpression函数来处理。由于当前运算符为||，即OP_OR，此时第21行的条件会成立，我们就会在第23行调用TranslateBranchExpression函数来生成以下代码：
BB10: // c = a || b
if (a) goto BB13;
BB11:
if (b) goto BB13;
BB12:
t = 0;
goto BB14;
BB13:
t = 1;
BB14:
c = t;
当然，上述最末尾的中间代码“c = t；”并不在TranslateBranchExpression函数中生成。经过中间代码的优化，我们可以删去多余的临时变量t，就可以得到如图5.2.1第50至57行的代码。如果想观察未经优化过的中间代码，可把第5.1节“图5.1.3 Translate()”中第48行的Optimize()函数调用给注释掉，然后重新make编译器UCC的源代码，并make install之。不过，更好的办法是像GCC或Clang那样，加入一些新的命令行参数，来指定优化的级别。
当然，如果我们在TranslateBinaryExpression中遇到的是形如”a<<b”或”a+b”这样的二元算术表达式，此时图5.2.2第21行的if条件就不会成立，我们会调用第27行的Simplify函数来做一些简单的优化，例如对于a<<0，我们根本就没有必要产生左移指令，因为a左移0位仍然是a本身。我们在第48至63行中给出了函数Simplify的部分代码，第62行调用的TryAddValue()函数主要是用于处理公共子表达式，我们在第2章的“图2.5.9 TryAddValue()
”中介绍过这个函数，这里不再重复。公共子表达式的出发点在于，当我们计算出a+b的值后，如果再次遇到a+b，且a和b的值没有发生变化，此时我们没有必要重新计算a+b的值，如下所示。
c = a + b;
d = a + b;
// 对应的中间代码
t0 : a + b;
c = t0;
d = t0;
当布尔表达式a||b出现在if(a||b)中时，其翻译的方法就与c = a||b有所不同，此时我们只需要产生跳转指令即可，不必生成t=0或t=1这样的指令。接下来，我们来分析一下用于生成跳转指令的TranslateBranch函数，我们先举个简单的例子来说明一下，如图5.2.3所示。对于图5.2.3第1至5行的代码而言，我们可以翻译为第6至15行的中间代码，在第7行和第8行，我们需要产生2条跳转指令，当a为真时，控制流跳往BB_T1，当a为假时，第7行的条件不成立，不会进行跳转，我们接着执行第8行，跳往BB_F1，这是一个完全正确的翻译方案，不妨称之为“方案1”。当然，我们也可以按图5.3.2第16至24行进行翻译，当a为假（即!a为真）时，我们跳往BB_F2，但当a为真时，第17行的条件不成立，不会进行跳转，接着执行第19行的指令，这正是我们在第1行想要的结果，即表达式a为真时执行BB_T2的代码，而表达式a为假时，执行BB_F2处的代码，不妨称此方案为“方案2”。方案2比方案1不仅减少了代码所占用的空间（减少了一条指令），同时也加快了执行的速度（当a为假时，没有必要像方案1那样需要执行第7和第8行这两条跳转指令）。
图5.2.3 生成跳转指令
函数TranslateBranch为表达式expr产生跳转指令时，是按照方案2来处理的。我们把表达式分为布尔表达式和算术表达式，对算术表达式而言，我们先对其求值，其求值后的结果就相当于第1行中的a。而对于布尔表达式中的关系运算表达式来说，例如if(a>b)中的a>b，我们只要把第17行的条件改为if(!(a>b)) gotoBB_F2即可，即
if(a <= b) goto BB_F2;
换言之，如果函数TranslateBranch要处理的是形如a+b这样的算术表达式，或者a>b这样的关系运算表达式，由图5.2.3第17行可知，我们只需要生成一条跳转指令，给函数TranslateBranch传递一个跳转目标作为参数即可，比如第17行的BB_F2。比较麻烦的是复杂的短路运算，如图5.2.4所示。
图5.2.4 短路运算
当图5.2.4第4行的表达式((a&&b)||c)为真时，我们需要跳往第18行的BB3；为假时，我们需要跳往第21行的BB4。而且我们确实在第15行用到了跳转目标BB3，又在第17行用到了跳转目标BB4。此时，用于产生第13至17行各跳转指令的函数TranslateBranch就需要两个跳转目标作为其参数。因此，其函数接口如下所示，其中bt和bn是两个跳转目标。
void TranslateBranch(AstExpression expr, BBlock bt, BBlock bn)；
当参数expr对应的只是形如a+b的算术表达式或者形如a>b的关系运算表达式，我们只需要一个跳转目标bt，即只生成一条跳转指令“If(expr) goto bt”，如下所示。我们期望在条件expr不成立时，我们会接着执行参数bn对应的基本块，这就要求bn对应的基本块紧挨着“if(expr) goto bt;”这条中间代码，如下所示。
if(expr) goto bt
bn:
…
bt:
…
不难发现，图5.2.3第17至24行的“方案2”完全符合这个模式，其中图5.2.3第17行的表达式(!a)对应上述expr，第17行的BB_F2对应上述bt，而第18行的BB_T2对应上述bn。
当参数expr为复杂的短路运算表达式时，我们也期望bn对应的基本块紧挨着“短路运算对应的跳转指令”。不难发现，图5.2.4第18行的bb3对应如下的bn，而第19行的bb4对应如下的bt基本块，第13至17行的跳转指令就是短路运算表达式((a&&b)||c)对应的跳转指令。
翻译方案：
“短路运算((a&&b)||c)对应的跳转指令”
bn：
…
bt:
…
简而言之，我们在调用函数TranslateBranch(expr, bt, bn)时，有这么两个约定：
(1). 当expr为真时，跳往bt基本块
(2). 紧随函数TranslateBranch所生成的跳转指令之后的基本块为bn。
有了这样的基础后，我们就可以来看一下用于生成跳转指令的函数TranslateBranch了，如图5.2.5所示，第46至61行用于处理形如a+b这样的算术表达式，第46行调用TranslateExpression函数来对表达式进行求值，其结果存于符号src1中，当结果为非0常数时，则第1行的参数expr的值为永真，我们在第49行通过GenerateJump生成一条无条件跳转指令，跳往参数trueBB所对应的基本块。当src1不为常数时，若其类型为小于int的整型（例如short或者char），则先调用第55行的TranslateCast函数来提升为int型，之后再通过第58行的GenerateBranch函数生成有条件跳转指令，按之前的约定，此处要进行的跳转为“if(expr) goto trueBB”，即当expr不为0时，跳往trueBB，第58行的JNZ是JumpIfNotZero的助记符，第60行的注释再次提醒我们，紧接下来就是基本块falseBB的中间代码。第21至28行的代码用于翻译关系运算表达式（>,>=,<,<=,==和!=这6个关系运算），第25行通过调用GenerateBranch函数生成有条件跳转指令，跳往trueBB基本块。第29至42行的代码用于处理形如“!!!!! kids0”的表达式，我们先统计！运算符的个数，若为偶数，则可简化为“kids0”；若为奇数，则可简化为“! kids0”。我们在第33行调用TranslateExpression函数对表达式kids0进行求值，其结果存于符号src1中，之后再根据！运算符的奇偶来选择跳转指令JZ或者JNZ，第34至40行的注释，对为何选择JZ或JNZ做了解释。需要注意的是，按照我们之前的约定，我们在此处生成的有条件跳转指令要跳往trueBB基本块。第41行的注释又一次的提醒我们，接一下的基本块就是参数falseBB对应的基本块。
图5.2.5 TranslateBranch()
图5.2.5第7至13行用于对形如“kids0 && kids1”的短路运算进行翻译，其中kids0或者kids1本身又是表达式，这就需要递归地对其进行处理。按TranslateBranch函数接口的约定，当实际的函数调用为TranslateBranch (kids0 && kids1, tBB,fBB)时，所产生的中间代码仍然要满足以下模式。
“当kids0 &&kids1为真时，跳往tBB”
// 上述跳转指令由TranslateBranch(kids0&& kids1, tBB,fBB)来产生
fBB:
….
tBB:
…
按短路运算的语义要求，当kids0为假时，整个表达式(kids0&& kids1)肯定为假，此时我们要生成跳转指令，跳往fBB，图5.2.5第9行用于此目的。如果kids0为真，则我们还要接着判断kids1是否为真，当kids1为真时，整个表达式”kids0&& kids1”就为真，此时我们需要跳往tBB，图5.2.5第11行用于产生相应的跳转指令；若kids1为假，则按照调用TranslateBranch时的约定，接下的基本块就是fBB，此时控制流会直接流入fBB基本块。我们在图5.2.5第7至13行所产生的中间代码的模式如下所示：
“当kids0为假时，即!kids0为真时，跳往fBB”
//上述跳转指令由TranslateBranch(Not(expr->kids[0]),fBB, rBB);来产生
rBB:
“当kids1为真时，跳往tBB”
//上述跳转指令由TranslateBranch(expr->kids[1],tBB, fBB);来产生
fBB:
….
tBB:
…
函数TranslateBranch有3个参数，在上述代码模式中，我们特意为第3个实参添加了下划线，可以发现，调用TranslateBranch函数产生跳转指令后，接下的基本块总是第3个实参所对应的基本块，这正是调用TranslateBranch函数时我们要遵守的约定。函数TranslateBranch是一个递归函数，而图5.2.5第21至61行的代码就充当了递归调用的出口，这些代码通过调用GenerateBranch来产生“有条件跳转指令”，例如图5.2.5第25行所示，或者通过调用GenerateJump来产生“无条件跳转指令”，如图5.2.5第49行所示，但自始自终，我们都遵守另一个约定，即由GenerateBranch或GenerateJump所生成的跳转指令，其跳转目标都是TranslateBranch函数的第2个参数trueBB。
同理，我们不难理解图5.2.5第14至20行的用于处理”kids0 || kids1”的代码，这里不再啰嗦。至此，我们实现了对布尔表达式的翻译，也初步介绍了用于翻译算术表达式的函数TranslateExpression，在下一节中，我们会对后缀表达式和一元表达式等的表达式的翻译进行讨论。
原文地址：http://blog.csdn.net/sheisc/article/details/44979085
