“編譯原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)探討

崔光宇

摘 要：文章介紹了“編譯原理”在計(jì)算機(jī)專業(yè)中的重要地位，分析了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程過程中存在的難點(diǎn)。提出了對“編譯原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的一些想法和建議，并分析了這些變化對學(xué)生產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：編譯原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；建設(shè)

“編譯原理”是計(jì)算機(jī)專業(yè)非常重要的一門專業(yè)課，在計(jì)算機(jī)教學(xué)中有著舉足輕重的地位。同時(shí)，編譯系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中極其重要的系統(tǒng)軟件，它的作用是把計(jì)算機(jī)高級語言最終翻譯成等價(jià)的計(jì)算機(jī)指令，從而保證高級程序設(shè)計(jì)語言順利運(yùn)行。所以，“編譯原理”是計(jì)算機(jī)科學(xué)中基本研究內(nèi)容之一。

“編譯原理”課程主要介紹了編譯的基本原理、技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)的方法。主要包括詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成等六大部分。通過以上學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)掌握設(shè)計(jì)一般編譯器的原理和方法，也能夠同時(shí)加深學(xué)生對高級語言的認(rèn)識，提高學(xué)生的綜合編程水平和算法設(shè)計(jì)能力。

“編譯原理”是計(jì)算機(jī)專業(yè)中最難的一門專業(yè)課之一，在理論上要求學(xué)生掌握形式語言和自動機(jī)等比較抽象的概念，在技術(shù)上要求學(xué)生能熟練利用各種方法設(shè)計(jì)程序，因此對學(xué)生的各方面水平要求比較高，對學(xué)生來說具有很大的挑戰(zhàn)性。

1 “編譯原理”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“編譯原理”課程目前在教學(xué)中出現(xiàn)的問題主要有以下幾方面。

（1）編譯課程內(nèi)容抽象，采用以往灌輸式的教學(xué)模式，教學(xué)方法單一，無法讓學(xué)生提起興趣?！熬幾g原理”課程中的概念和算法大都是以符號、自動機(jī)、屬性文法等抽象度很高的形式描述，光看教材會難免覺得枯燥無味。如果教師還是用以往的方式灌輸式教學(xué)，那么因?yàn)樯鲜龅脑?，在整個(gè)教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)知識很被動，學(xué)習(xí)知識缺乏動力，造成課難學(xué)的印象。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)過程中常常會認(rèn)為編譯在開發(fā)軟件過程中應(yīng)用不多，因此也很難提起學(xué)生的主動性?！熬幾g原理”這門課程包含的知識和算法，都有很高的難度。與此同時(shí)，學(xué)生覺得教材中的理論知識和算法應(yīng)用性不強(qiáng)。編譯原理中很多算法，比如LL和LR語法分析算法，代碼優(yōu)化技術(shù)等，只有在編譯開發(fā)中能用到，而學(xué)生也不會從事這方面的研發(fā)，加上實(shí)現(xiàn)難度過大，會給學(xué)生造成難學(xué)的印象。

（3）學(xué)生之前學(xué)習(xí)高級語言程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程掌握程度不好，也會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。“編譯原理”是大三的課程，它的先修課程一般在大一大二學(xué)習(xí)，如果學(xué)生之前就沒有很好的學(xué)習(xí)相關(guān)知識，就會感到學(xué)習(xí)非常困難，比如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的“棧”，如果不了解，就會直接影響語法分析的理解和上機(jī)操作。

（4）課時(shí)有限，有時(shí)剛上完課，學(xué)期就結(jié)束了。由于高校的改革，很多課程都遭到壓縮，給教學(xué)帶來了一定的難度。很多高校在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行了壓縮，僅僅學(xué)習(xí)編譯的理論和算法，沒有相應(yīng)的實(shí)踐，使得學(xué)生無法將理論具體、形象化，就難以更好地理解運(yùn)用，更難說全面融會貫通整個(gè)編譯器。

以上問題的焦點(diǎn)在于，本身編譯就已經(jīng)很抽象了，學(xué)生晦澀難懂，如果再沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)做支撐，難免會讓學(xué)生有難學(xué)的印象，從而進(jìn)一步影響編譯課程的教學(xué)質(zhì)量。因此，在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，如何在有限的時(shí)間做好相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使得整個(gè)教學(xué)過程鮮活起來，讓學(xué)生真正認(rèn)識到編譯是計(jì)算機(jī)的重要課程，必須學(xué)好，對以后算法設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)都會帶來巨大幫助，是教學(xué)中必須面對并解決的問題。

近年來，國內(nèi)學(xué)校在“編譯原理”教學(xué)方面也積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，上海交通大學(xué)張冬茉等[1]提出了現(xiàn)階段進(jìn)行大型“編譯原理”課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式和方法，使學(xué)生能夠通過實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)用的編譯系統(tǒng)，提高對編譯原理的認(rèn)識。合肥師范學(xué)院祖弦等[2]針對每部分的核心知識點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例，探討在實(shí)驗(yàn)案例驅(qū)動下的“編譯原理”課程教學(xué)創(chuàng)新方案。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)

“編譯原理”課程理論性很強(qiáng)，實(shí)踐性更強(qiáng)，是兩者相結(jié)合的課程。理論部分抽象、難懂。所以，在理綸學(xué)習(xí)過程中，適當(dāng)?shù)卮┎鍖?shí)驗(yàn)，可以加強(qiáng)學(xué)生對重要知識點(diǎn)的認(rèn)識和理解，同時(shí)也可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的編程能力。實(shí)驗(yàn)總體分為兩部分：（1）對“編譯原理”中每一部分重要方法做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。（2）最終整合這些部分，成為一個(gè)簡單的編譯器。

2.1 詞法分析器

使用DOS環(huán)境輸入字符串序列（以‘#作為結(jié)束標(biāo)志）作為源程序，調(diào)用詞法掃描程序?qū)⒆址远M的形式進(jìn)行輸出（若有不屬于語言單詞的符號出現(xiàn)，則做出錯(cuò)處理），詞法掃描程序包括了對源程序的預(yù)處理（忽略無用空格、回車符，換行符等空白符），以及對單詞的識別和分類，以形成（單詞種別，單詞自身的值）形式的二元組，并將用戶自定義變量信息存入程序變量信息表中。

2.2 語法分析

使用自上而下的遞歸下降分析法，從文法開始符號出發(fā)，根據(jù)文法規(guī)則正向推導(dǎo)出給定的句子。根據(jù)遞歸下降的分析函數(shù)編寫規(guī)則來編寫相應(yīng)函數(shù)，在各個(gè)函數(shù)分析過程中調(diào)用詞法分析程序中掃描程序，發(fā)出“取下一個(gè)單詞”的命令，從而取得下一個(gè)單詞符號作語法分析。

2.3 語義分析和中間代碼生成

在語義分析和中間代碼生成的階段，采用語法制導(dǎo)翻譯方法，用屬性文法作為工具來描述程序設(shè)計(jì)語言的語義。首先審查詞法分析得到的每個(gè)語法結(jié)構(gòu)的靜態(tài)語義，如果靜態(tài)語義正確再生成中間代碼（課設(shè)中預(yù)采用四元式）。

2.4 代碼優(yōu)化

代碼優(yōu)化部分，設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)代碼優(yōu)化程序，將上一步出現(xiàn)的四元式，進(jìn)行包括局部、循環(huán)和全局等優(yōu)化，學(xué)生將優(yōu)化后的四元式和優(yōu)化前的作比較，了解優(yōu)化在編譯中的重要作用。

2.5 目標(biāo)代碼生成

目標(biāo)代碼生成是編譯的最后一個(gè)階段，根據(jù)符號表等信息，將中間代碼轉(zhuǎn)化成為等價(jià)的目標(biāo)代碼。為了減少訪問計(jì)算機(jī)內(nèi)存的次數(shù)，應(yīng)盡可能把基本塊內(nèi)仍然要被引用的變量放到寄存器中，而把基本塊內(nèi)不再使用的變量所占的寄存器釋放。為了隨時(shí)掌握寄存器使用情況和變量的存放情況，以便生成合適的目標(biāo)代碼，可以建立寄存器描述表以及變量地址描述表。

2.6 簡單編譯器的設(shè)計(jì)

以上5組實(shí)驗(yàn)對于編譯過程中的六大部分重點(diǎn)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，由于內(nèi)容較為分散，大部分學(xué)生不能很好地了解編譯器每個(gè)部分是怎么在整個(gè)編譯系統(tǒng)中達(dá)到協(xié)調(diào)工作的。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，除了在平時(shí)上課過程中設(shè)計(jì)對于每一部分重要知識點(diǎn)的單獨(dú)編程，還將開設(shè)四學(xué)時(shí)的集中課程設(shè)計(jì)。目的是為了設(shè)計(jì)一個(gè)比較完整的的編譯器。題目較為開放（見圖1），是將一個(gè)高級語言的一個(gè)語句翻譯成最終的目標(biāo)代碼的過程，學(xué)生可以根據(jù)學(xué)生自身情況自行設(shè)計(jì)一個(gè)適合自己程度的做法：基礎(chǔ)較差的同學(xué)，可以針對題目設(shè)計(jì)一些較為基礎(chǔ)的算法，而基礎(chǔ)較好的同學(xué)可以將編譯中諸多算法融入編譯器中，最終生成一個(gè)較為復(fù)雜的編譯器。通過這個(gè)設(shè)計(jì)，能夠使學(xué)生系統(tǒng)地理解編譯的整個(gè)過程。由于現(xiàn)在大部分計(jì)算機(jī)系同學(xué)都配有電腦，加上本身編譯課程時(shí)間比較緊張，這次課程設(shè)計(jì)的大部分內(nèi)容學(xué)生可以自行實(shí)踐并上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

在做以上實(shí)驗(yàn)過程中，可以適當(dāng)?shù)刈龇纸M，讓組內(nèi)同學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容討論，研究出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)程序，以小組為單位上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3 結(jié)語

在“編譯原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對這門課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及形式做了以上改革，收到了一定的成效。這次改革最為主要的是讓學(xué)生把編譯器各個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)整合為一個(gè)編譯器，把編譯所學(xué)的內(nèi)容能夠融會貫通，更好地學(xué)習(xí)了“編譯原理”這門課程，同時(shí)在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生編程能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張冬茉，方習(xí)文.編譯原理課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐和改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012（11）：134-137.

[2]祖弦，朱強(qiáng)，謝飛.實(shí)驗(yàn)案例驅(qū)動的編譯原理教學(xué)改革探討[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（3）：74-76.