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【学习笔记】编译原理——第一章 编译引论
【学习笔记】编译原理——第二章 词法分析
实验
【实验】编译原理——编译器认知实验
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系列文章目录学习笔记实验一、实验目的二、实验内容三、实验步骤实验结果4.1 G++4.2 LLVM4.3 G++编译器优化4.4 LLVM编译器优化4.5 G++和LLVM优化对比五、实验心得一、实验目的
本实验的目的是了解工业界常用的编译器 GCC 和 LLVM，熟悉编译器的安装 和使用过程，观察编译器工作过程中生成的中间文件的格式和内容，了解编译器 的优化效果，为编译器的学习和构造奠定基础。
二、实验内容
本实验主要的内容为在 Linux 平台上安装和运行工业界常用的编译器 GCC 和 LLVM，如果系统中没有安装，则需要首先安装编译器，安装完成后编写简单的测 试程序，使用编译器编译，并观察中间输出结果。
对于 GCC 编译器，完成编译器安装和测试程序编写后，按如下步骤完成：
查看编译器的版本
使用编译器编译单个文件
使用编译器编译链接多个文件
查看预处理结果：g++ -E hello.c -o hello.i
查看语法分析树：g+±fdump-tree-all hello.c
查看中间代码生成结果：Code generation result: g+±fdump-rtl-all hello.c
查看生成的目标代码（汇编代码）：g++–S hello.c –o hello.s
对于 LLVM 编译器，完成编译器安装和测试程序编写后，按如下步骤完成：
查看编译器的版本
使用编译器编译单个文件
使用编译器编译链接多个文件
查看编译流程和阶段：clang -ccc-print-phases test.c -c
查看词法分析结果：clang test.c -Xclang -dump-tokens
查看词法分析结果 2：clang test.c -Xclang -dump-raw-tokens
查看语义分析结果：clang test.c -Xclang -ast-dump
查看语义分析结果 2：clang test.c -Xclang -ast-view
查看编译优化的结果：clang test.c -S -mllvm -print-after-all
查看生成的目标代码结果： clang test.c –S
三、实验步骤
编译器安装在Linux系统下安装GCC、Clang、LLVM。
sudo apt-get install Clangsudo apt-get install LLVM
编写测试程序
需要注意的是，不但要求对单个 C 文件进行编译，还要求对多个 C 文件一起编译和链接。运行编译器进行观测
分别运行 GCC 和 LLVM 编译器，首先要学习编译器的基本使用方法，其次要通过编译选项查看分析编译器的中间结果，及其与输入源码之间的对应关系，最后使用-O0、-O1、-O2 和-O3 分别使用两个编译器对输入程序进行优化编译，并对比 GCC 和 LLVM 优化后程序的运行效率。编写实验报告
根据观测结果编写实验报告。
实验结果
4.1 G++
①查看编译器版本
在Visual Studio Code中查看G++编译器版本
②编译单个文件
③编译链接多个文件
④查看预处理结果：g++ -E hello.cpp -o hello.i
⑤查看语法分析树：g+±fdump-tree-all hello.cpp
在hello.cpp.001t.tu中生成相关语法树，部分文件内容
⑥查看中间代码生成结果： g++ -fdump-rtl-all hello.cpp
编译生成如下文件：
在hello.cpp.192r.expand文件中可以看到如下代码，目的是使得内存边界对齐。
⑦查看生成的目标代码（汇编代码）：g++ -S hello.cpp -o hello.s
运行命令生成hello.s文件，虽然目前还未学过汇编代码，但是能够看到我们在源码中定义的变量name和number均以.string的形式在汇编代码中出现。
4.2 LLVM
①查看编译器的版本
运行clang –version 和clang++ --version都能查看到编译器的版本。
②使用编译器编译单个文件
略
③使用编译器编译链接多个文件
略
④查看编译流程和阶段：clang++ -ccc-print-phases hello.cpp -c
⑤查看词法分析结果：clang++ -c hello.cpp -Xclang -dump-tokens
Loc=XXXX 表示该字符或字符串所对应的行数及位置
Int ‘int’ , 表⽰ int 代表整型
Identifier ‘main’， 表⽰ main 是⼀个标识符
numeric_constant ‘XXXXXX’，表⽰数值常量
l_paren ‘(‘ , 表示左括号
⑥查看词法分析结果 2：clang test.c -Xclang -dump-raw-tokens
可以看到词法分析2比词法分析1更加详细，比如对空格‘ ’也同样进行了分析。
⑦查看语义分析结果：clang test.c -Xclang -ast-dump
语义分析部分终端显示较多，以下截取部分进行展示：
可以看到，从命名空间开始分析
UsingDirectiveDecl 0x35e7158 <hello.cpp:4:1, col:17> col:17 Namespace 0x2fa7ab8 ‘std’
再到分析函数，FunctionDecl 0x35e71c8 <line:6:1, col:16> col:5 BubbleSort ‘int (void)’
层层分析，最后到定义的字符串
StringLiteral 0x35e73a8 col:19 ‘const char [12]’ lvalue “XXXXXX”
⑧查看编译优化的结果：
部分代码如图所示：
⑨查看生成的目标代码结果： clang++ hello.cpp –S
查看生成的汇编代码：
4.3 G++编译器优化
⽤编写的100*100矩阵相乘的C++代码，使用G++编译器并⽤不同编译优化选项，如分别运行以下命令：
g++ matrix.cpp -O0 -o matrix0g++ matrix.cpp -O1 -o matrix1g++ matrix.cpp -O2 -o matrix2g++ matrix.cpp -O3 -o matrix3
运行结果如图所示：
时间对比如下：
可以看出 O1，O2，O3 三种优化选择能够明显提升矩阵乘法运算的效率。
4.4 LLVM编译器优化
⽤编写的100*100矩阵相乘的C++代码，使用LLVM编译器并⽤不同编译优化选项，如分别运行以下命令：
clang++ matrix.cpp -o clang_matrixclang++ matrix.cpp -O0 -o clang_matrix0clang++ matrix.cpp -O1 -o clang_matrix1clang++ matrix.cpp -O2 -o clang_matrix2clang++ matrix.cpp -O3 -o clang_matrix3
运行结果如下图所示：
时间对比如下：
可以看出 O1，O2，O3 三种优化选择能够明显提升矩阵乘法运算的效率。
4.5 G++和LLVM优化对比
由上述柱状图可以看出，在矩阵乘法这个程序上，在相同规模的情况下，在⽆优化，和 -O0 优化的编译情况下，G++编译器的运行时间小于LLVM编译器。在 O2，O3 优化的编译情况下，两者的效率不分上下。但是在O1优化情况下G++效率比LLVM大得多，程序运行时间更短。
五、实验心得
①通过本实验，我了解了编译过程中的每个过程⽣成的⽂件，
②了解了编译器的常⽤选项，包括⼀些优化参数
③通过使用不同的编译器，调用不同的优化参数，体会到这些参数对程序运行带来的不同影响
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