Cuby

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• 课程名称：编程语言原理与编译
• 实验项目：期末大作业
• 专业班级：
• 学生学号：
• 学生姓名：
• 实验指导教师:
• github

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简介

这是一个编译原理大作业，主要基于microC完成的，这个之所以取名为Cuby，主要是在看《计算的本质》这本书的时候，发现Ruby是一门非常好玩有趣的语言，相比C++的错综复杂来说，Ruby是一个集成了优雅与复杂的语言，比如在irb下：

>> 3.times{puts("Hello world")}
Hello world
Hello world
Hello world
=> 3
>>

我看到这门语言的时候我就惊呆了，居然语言还可以这样玩。而C++却令人反胃，实在是太恶心了，虽然说C++给你提供了所有你想用的，但是学习成本高，任何东西都感觉不伦不类的。
Ruby是一门完全面向对象的编程语言，我尝试去实现面向对象的功能，本来取名叫Yuby，奈何实现面向对象实在太难了，我光是看JVM的指令集就很困难了，还要实现一大堆类库，实在太过于困难了，中途也下过Ruby的源代码，是用C写成的。最后还是放弃了实现面向对象的功能，选择结合microC与Ruby的语法方面作为我们大作业的方向。
我们打算完善microC并加入Ruby 的 语法，最后如果还有时间的话能够完成面向对象的一个类(最后还是没时间了)。

结构

• 前端：由F#语言编写而成

  • CubyLex.fsl生成的CubyLex.fs词法分析器。
  • CubyPar.fsy生成的CubyPar.fs语法分析器。
  • AbstractSyntax.fs 定义了抽象语法树
  • Assembly.fs定义了中间表示的生成指令集
  • Compile.fs将抽象语法树转化为中间表示

• 后端：由Java语言编写而成

  • Machine.java生成Machine.class虚拟机与Machinetrace.class堆栈追踪

• 测试集：测试程序放在testing文件夹内

• 库：.net支持

  • FsLexYacc.Runtime.dll

用法

• fslex --unicode CubyLex.fsl
  生成CubyLex.fs词法分析器

• fsyacc --module CubyPar CubyPar.fsy
  生成CubyPar.fs语法分析器与CubyPar.fsi

• javac Machine.java
  生成虚拟机

• fsi -r FsLexYacc.Runtime.dll AbstractSyntax.fs CubyPar.fs CubyLex.fs Parse.fs Assembly.fs Compile.fs ParseAndComp.fs
  可以启用fsi的运行该编译器。

• 在fsi中输入:
  open ParseAndComp;;

• 之后则可以在fsi中使用使用：

  • fromString：从字符串中进行编译

  • fromFile：从文件中进行编译

  • compileToFile：生成中间表示

例子：

compileToFile (fromFile "testing/ex(struct).c") "testing/ex(struct).out";;  
#q;;


fromString "int a;"

生成中间表示之后，便可以使用虚拟机对中间代码进行运行得出结果：

虚拟机功能：

• java Machine 运行中间表示
• java Machinetrace 追踪堆栈变化

例子：

java Machine ex11.out 8
java Machinetrace ex9.out 0

功能实现

• 变量定义
  • 简介：原本的microC只有变量声明，我们改进了它使它具有变量定义，且在全局环境与local环境都具有变量定义的功能。
  • 对比

    // old
    int a;
    a = 3;
    int main(){
    
        print a;
    } 

    // new (ex(init).c)
    int a = 1;
    int b = 2 + 3;
    
    int main(){
        int c = 3;
        print a;
        print b;
        print c;
    }

  • 堆栈图
    

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• float 类型
  • 简介：浮点型类型，我们将原本的小数转化为二进制表示，再将这二进制转化为整数放入堆栈中，在虚拟机中再转化为小数。
  • 例子：

    • 例一：

      int main(){
          float a = 1.0;
          print a;
      }

    • 运行栈追踪：
      

    • 例二：

      int main(){
          float a = 1.0;
          int b = 2;
          print a+b;
      }

    • 运行栈追踪：
      

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• char 类型

  • 简介：原本电脑

  • 例子：

    int main ()
    {
        char c = 'c';
        print c;
    
    }

  • 运行栈追踪：
    

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• 自增操作
  • 简介:包含i++ ++i 操作
  • 例子：

    int main(){
        int n;
        int a;
        n = 2;
        a = ++n;
        a = n++;
    }

  • 运行栈追踪：
    

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• FOR循环
  • 简介：增加了for循环，以及类似于Ruby的循环
  • 例子：

    int main(){
        int i;
        i = 0;
        int n;
        n = 0;
        for(i =0 ; i < 5 ;  ++i){
            n = n + i;
        }
    }

  • 运行栈追踪：
    

    int main()
    {
        int n;
        int s;
        s = 0;
        for n in (3..7)
        {
            s = s+n;
        }
    }

  • 运行栈追踪：

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• 三目运算符
  • 简介：三目运算符 a>b?a:b
  • 用例：

    int main()
    {
        int a=0;
        int b=7;
        int c = a>b?a:b;
    }

  • 运行栈追踪：
    

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• do - while

  • 简介：在判断前先运行body中的操作。

  • 例子：

    int main()
    {
        int n=2;
        do{
            n++;
        }while(n<0);
    }

  • 运行栈追踪：

    • n++被执行
    • n的终值为3 处于栈中2的位置
    • 堆栈图：

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• 类似C的switch-case

  • 当没有break时，匹配到一个case后，会往下执行所以case的body

  • 若当前没有匹配的case时，不会执行body，会一直往下找匹配的case

  • 之前的实现是递归匹配每个case，当前类似C语言的switch-case实现上在label的设立更为复杂一些。

  • 例子：

    int main(){
        int i=0;
        int n=1;
        switch(n){
            case 1:i=n+n;
            case 5:i=i+n*n;
        }
    }

  • 运行栈追踪：

    • n的值与case1 匹配，没有break， i=n+n与case 5 中的i+n*n都被执行
    • i的结果为（1+1）+1*1 = 3
    • 栈中3的位置为i，4的位置为n
    • 堆栈图：
      

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• break功能
  • 在for while switch 中，都加入break功能
  • 维护Label表来实现
  • 例子：与没有break的switch进行对比：

    int main(){
        int i=0;
        int n=1;
        switch(n){
            case 1:{i=n+n;break;}
            case 5:i=i+n*n;
        }
    }

  • 运行栈追踪
    • n的值与case1 匹配，执行i=n+n，遇到break结束。
    • i的结果为（1+1）=2
    • 栈中3的位置为i，4的位置为n
    • 堆栈图：
      

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• continue 功能
  • 在for while 中加入continue功能
  • 例子：

    int main()
    {
        int i ;
        int n = 0;
        for(i=0;i<5;i++)
        {
            if(i<2)
                continue;
            if(i>3)
                break;
            n=n+i;
        }
    }

  • 运行栈追踪：
    • i=0 1 的时候continue i>3 的时候break
    • n = 2 + 3 结果为5
    • 栈中3的位置为i， 4的位置为n
    • 堆栈图：
      

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• 结构体功能：

  • 简介：加入了C中的结构体功能，可以嵌套数组

  • 首先，先创建结构体定义表，用来查找，结构体定义表中包含结构体的总体大小，名字，以及变量和偏移量。然后查找结构体变量表，加入该变量到varEnv中，访问成员时，便可以通过.运算符，通过偏移值转化为简单指令集。

  • 例子：

        struct student{
            int number;
            int number2;
            char name[5];
            float id;
        };
        int main(){
            struct student hello;
            hello.number = 10;
            hello.id = 234;
            hello.name[4] = 'c';
            hello.name[0] = 'a';
            print hello.number;
            print hello.name[4];
        }

    • 运行栈追踪
    • 

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• JVM
  • 简介：
    • 将之前的虚拟机重新写了一边，原先的虚拟机只能针对int类型进行存储和操作。我具体定义了一些类型，使虚拟机具有较强的拓展性。
  • 类型继承关系图：
    • 
  • 指令集添加：
    • CSTF：
      • 简介：const float
      • 功能：在堆栈中加入一个float
    • CSTC：
      • 简介：const char
      • 功能：在堆栈中加入一个char
  • 运行时异常：
    • OperatorError:
      • 简介：在计算时发生的异常，例如除数为0时，出现异常。
    • ImcompatibleTypeError:
      • 简介：类型不匹配的时候进行时出现的异常，例如'a' + 1.0 抛出异常。

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• try-catch：

  • 简介：
    • 除0异常捕获：
      • 虚拟机运行时的除0异常
      • 出现显式的除0时THROW 异常
    • 寄存器添加：
      • hr： 保存当前异常在栈中的地址，用于追踪需要处理的异常
    • 指令添加：
      • PUSHHDLR,保存catch中的异常种类，需要跳转的位置以及hr入栈
      • POPHDLR ，与PUSHHDLR对应
      • THROW ，用于丢出异常，从hr开始找匹配
    • 例子：
  • 目前做了有关除0异常的内容，由于没有异常类，暂且通过字符串的方式作为异常种类，将异常编号匹配。解决了运行时try-catch变量环境的问题，解决了异常处理时栈环境变化带来的空间影响。能够正常的匹配到异常。

        int main()
        {
            try{
                int a=0;
                int n=5;
                n=n/a;
            }
            catch("ArithmeticalExcption")
            {
                n=0;
                print n;
            }   
        }

    • 运行时堆栈：

• 

技术评价

功能	对应文件	优	良	中
变量声明定义	ex(init).c	√
自增、自减	ex(selfplus).c	√
for循环	ex(for).c	√
三目运算符	ex(ternary).c	√
do-while	ex(dowhile).c	√
while	ex(while).c	√
range循环	ex(range).c		√
break	ex(break).c	√
continue	ex(continue).c	√
switch-case	ex(switch).c	√
float 类型	ex(float).c	√
char 类型	ex(chars).c	√
struct结构体	ex(struct).c	√
try-catch	ex(exception).c	√
虚拟机类型支持	Machine.java	√
虚拟机异常	exception	√