第一章:编译与静态代码分析概论
在我们致力于打造一个“有人用”的编程语言和编译器技术体系的过程中,随着逐步进入“编译与静态分析”的深水区,发现了很多缺乏实践导致理论僵化的问题。虽然我们使用“代码和项目”去填补了很多编译与分析深水区的空白,但是我们仍然希望这些僵化的理论可以获得更新,让现代化的静态代码分析重新获得生命力。
编译技术
编译技术被誉为计算机科学的"皇后",其发展历程实际上就是计算机科学发展史的缩影。它不仅是计算机科学专业的必修课程,更是推动整个计算机科学发展的核心技术之一。在比较经典的编译架构中,我们会主要分割为三个部分(也称三段式编译器):前端,中端(中间代码生成与优化),后端。
严格区分的前中后端,让编译器在编译过程中进行代码优化变得可能,尤其是在1990年左右静态单赋值形式(SSA-Form)的引入,简化了大量的优化算法,极大提升了优化效率,并且现今演变为编译器中端的标准形式。
静态代码分析与编译技术历史关系
1960年代的编译器前端与后端
20世纪六十年代是编译器技术的早期,在这个阶段,编译器中端并不是一个明确的概念,当时的编译器主要关注前端的语法分析和后端的代码生成。但随着程序优化需求的增加,中端的雏形开始出现。
1970年代后中端概念出现
直接通过AST生成目标代码(汇编)变得非常困难,引入一个中间表示层(Intermediate Representation, IR)之后可以很好的解决这个问题。早期的 IR 常见三地址码和四元式的形式。
1980年代到1990年代“优化”技术快速发展,SSA 引入
在20世纪80年代到90年代初期,编译器优化技术经历了一次革命性的发展。这个时期出现了一系列重要的优化技术,包括数据流分析(如到达定义分析、活跃变量分析)、经典优化技术(如常量折叠、死代码消除、公共子表达式消除)、基于控制流图的优化,以及过程间分析等。但最具革命性的突破是1991年静态单赋值形式(SSA Form)的引入。SSA形式的核心思想是:程序中的每个变量只能被赋值一次。这个看似简单的约束却带来了深远的影响。
静态代码分析技术与 SSA-Form
虽然各种以优化为目的的静态代码分析技术的提出比 SSA-Form 要更早,但是 SSA 技术实际上应该是更底层的理论,SSA 技术的出现对非 SSA 技术的现有算法进行了大幅度的优化。SSA 形式作为一种中间表示(IR)的特殊形式,其核心特点是确保每个变量只被赋值一次,这一特性使得数据流分析变得更加简单和高效。在 SSA 出现之前,传统的数据流分析需要反复迭代才能确定变量的定义和使用关系,而 SSA 形式通过引入 φ(phi)函数,优雅地解决了控制流汇合点上的变量版本选择问题。
虽然 SSA 形式的引入会增加一定的内存开销(主要是由于变量的多个版本和 φ 函数的引入),但其带来的优化效果和算法简化的好处远远超过了这些开销。
SSA 是何方神圣?
SSA-Form(静态单赋值形式)是一种在编译器设计中广泛使用的中间表示(IR)技术,它通过确保程序中的每个变量在其生命周期内仅被赋值一次,从而显著简化了编译器的优化和分析过程。这种形式最初由 Ron Cytron, Jeanne Ferrante, Barry K. Rosen, Mark N. Wegman 和 F. Kenneth Zadeck 在1991年提出,并迅速成为现代编译器架构中的一个核心组成部分。
在实际应用中,SSA-Form不仅被用于传统的编译器中,如GCC和LLVM,它还被广泛应用于各种现代编程语言的实现和新兴的编译技术中,包括即时编译(JIT)和动态优化。SSA的普及和效果证明了其在提高编译器性能和代码优化方面的关键作用。