编译原理实战入门:用 JavaScript 写一个简单的四则运算编译器(修订版)(二)

简介: 编译原理实战入门:用 JavaScript 写一个简单的四则运算编译器(修订版)(二)

模拟执行

现在来模拟一下 CPU 执行机器指令的情况,由于汇编代码和机器指令一一对应,所以我们可以创建一个直接执行汇编代码的模拟器。

在创建模拟器前,先来讲解一下相关指令的操作。

在内存中,栈的特点是只能在同一端进行插入和删除的操作,即只有 push 和 pop 两种操作。

push

push 指令的作用是将一个操作数推入栈中。

pop

pop 指令的作用是将一个操作数弹出栈。

add

add 指令的作用是执行两次 pop 操作,弹出两个操作数 a 和 b,然后执行 a + b,再将结果 push 到栈中。

sub

sub 指令的作用是执行两次 pop 操作,弹出两个操作数 a 和 b,然后执行 a - b,再将结果 push 到栈中。

mul

mul 指令的作用是执行两次 pop 操作,弹出两个操作数 a 和 b,然后执行 a * b,再将结果 push 到栈中。

div

sub 指令的作用是执行两次 pop 操作,弹出两个操作数 a 和 b,然后执行 a / b,再将结果 push 到栈中。

四则运算的所有指令已经讲解完毕了,是不是觉得很简单?

代码实现

注意:需要引入词法分析和语法分析的代码

function CpuEmulator(instructions) {
    this.ins = instructions.split('\r\n')
    this.memory = []
    this.re = /^(push)\s\w+/
    this.execute()
}
CpuEmulator.prototype = {
    execute() {
        this.ins.forEach(i => {
            switch (i) {
                case 'add':
                    this.add()
                    break
                case 'sub':
                    this.sub()
                    break
                case 'mul':
                    this.mul()
                    break
                case 'div':
                    this.div()
                    break                
                default:
                    if (this.re.test(i)) {
                        this.push(i.split(' ')[1])
                    }
            }
        })
    },
    add() {
        const b = this.pop()
        const a = this.pop()
        this.memory.push(a + b)
    },
    sub() {
        const b = this.pop()
        const a = this.pop()
        this.memory.push(a - b)
    },
    mul() {
        const b = this.pop()
        const a = this.pop()
        this.memory.push(a * b)
    },
    div() {
        const b = this.pop()
        const a = this.pop()
        // 不支持浮点运算,所以在这要取整
        this.memory.push(Math.floor(a / b))
    },
    push(x) {
        this.memory.push(parseInt(x))
    },
    pop() {
        return this.memory.pop()
    },
    getResult() {
        return this.memory[0]
    }
}
const tokens = lexicalAnalysis('(100+  10)*  10-100/  10      +8*  (4+2)')
const writer = new AssemblyWriter()
const parser = new Parser(tokens, writer)
const instructions = parser.getInstructions()
const emulator = new CpuEmulator(instructions)
console.log(emulator.getResult()) // 1138

一个简单的四则运算编译器已经实现了。我们再来写一个测试函数跑一跑,看看运行结果是否和我们期待的一样:

function assert(expression, result) {
    const tokens = lexicalAnalysis(expression)
    const writer = new AssemblyWriter()
    const parser = new Parser(tokens, writer)
    const instructions = parser.getInstructions()
    const emulator = new CpuEmulator(instructions)
    return emulator.getResult() == result
}
console.log(assert('1 + 2 + 3', 6)) // true
console.log(assert('1 + 2 * 3', 7)) // true
console.log(assert('10 / 2 * 3', 15)) // true
console.log(assert('(10 + 10) / 2', 10)) // true

测试全部正确。另外附上完整的源码,建议没看懂的同学再看多两遍。

更上一层楼

对于工业级编译器来说,这个四则运算编译器属于玩具中的玩具。但是人不可能一口吃成个胖子,所以学习编译原理最好采取循序渐进的方式去学习。下面来介绍一个高级一点的编译器,这个编译器可以编译一个 Jack 语言(类 Java 语言),它的语法大概是这样的:

class Generate {
    field String str;
    static String str1;
    constructor Generate new(String s) {
        let str = s;
        return this;
    }
    method String getString() {
        return str;
    }
}
class Main {
    function void main() {
        var Generate str;
        let str = Generate.new("this is a test");
        do Output.printString(str.getString());
        return;
    }
}

上面代码的输出结果为:this is a test

想不想实现这样的一个编译器?

这个编译器出自一本书《计算机系统要素》,它从第 6 章开始,一直到第 11 章讲解了汇编编译器(将汇编语言转换为机器语言)、VM 编译器(将类似于字节码的 VM 语言翻译成汇编语言)、Jack 语言编译器(将高级语言 Jack 翻译成 VM 语言)。每一章都有详细的知识点讲解和实验,只要你一步一步跟着做实验,就能最终实现这样的一个编译器。

如果编译器写完了,最后机器语言在哪执行呢?

这本书已经为你考虑好了,它从第 1 章到第 5 章,一共五章的内容。教你从逻辑门开始,逐步组建出算术逻辑单元 ALU、CPU、内存,最终搭建出一个现代计算机。然后让你用编译器编译出来的程序运行在这台计算机之上。

另外,这本书的第 12 章会教你写操作系统的各种库函数,例如 Math 库(包含各种数学运算)、Keyboard 库(按下键盘是怎么输出到屏幕上的)、内存管理等等。

想看一看全书共 12 章的实验做完之后是怎么样的吗?我这里提供几张这台模拟计算机运行程序的 DEMO GIF,供大家参考参考。

这几张图中的右上角是“计算机”的屏幕,其他部分是“计算机”的堆栈区和指令区。

这本书的所有实验我都已经做完了(每天花 3 小时,两个月就能做完),答案放在我的 github 上,有兴趣的话可以看看。

参考资料

我的博客即将同步至 OSCHINA 社区,这是我的 OSCHINA ID:谭光志,邀请大家一同入驻:https://www.oschina.net/shari...

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