什么是编译器？

编译器是一种计算机程序，可将代码从一种编程语言（源语言）转换为另一种编程语言（目标语言）。

编译器可用于将高级源代码转换为低级目标代码（如汇编语言、目标代码或机器代码），同时保留程序的功能。

编译器是现代实用计算机编程的重要工具，可支持程序员使用人类可读的高级代码，并将其源代码转换为可执行的目标代码。编译器还可以帮助软件开发人员创建具备更高安全性、稳定性和可移植性的高效可执行程序。这是因为编译器有助于识别和解决错误，从而创建可移植的可执行应用程序。

虽然所有编译器都能将高级代码转换为低级可执行代码，但各类编译器所对应的编程语言和应用场景也各不相同。例如，交叉编译器用于针对与其运行环境不同的 CPU 或操作系统生成代码。

当理想的编译器不可用或尚未构建时，临时的 bootstrap 编译器就会被用来编译更永久的编译器，以便更好地优化特定编程语言的编译。

其他相关软件的简要列表包括：

• 反编译器的工作原理类似于反向编译器，将低级代码转换为高级语言。
• 源到源编译器（或转译器）将高级代码转换为其他高级语言。
• 语言重写器可在不更改语言的情况下，将正式代码表达式转换为不同形式。
• 编译器-编译器用于制作通用的、可重复使用的编译器或编译器组件，以便用于更多特定项目。

实际上，编译器的操作非常简单，只需在任何 Linux （或同等）系统的命令行中输入命令，即可指定编译器可执行文件和要编译的源文件。该命令可指示系统处理源代码，将其编译成目标机器代码，并生成必要的目标文件，从而生成可执行程序。

开源编译器（如 GNU 编译器套件 (GCC) 这一强大的 C 编译器组合）通常用于将 C 代码编译为 C 程序，Clang 等替代工具则可通过 GitHub 等资源库获取。其他编译器可以自由安装或从众多经销商处购买。它们还能内置于主流集成开发环境 (IDE)，以绑定各种软件开发实用程序，包括文本编辑器、API 文档和调试工具。

无论使用哪种特定的编译器，编译代码的过程都涉及使源代码经过各个级别的分析、优化和最终的代码生成。源代码按顺序通过不同的分析层，并通过流程中的每个步骤进行评估。

如果编译器发现源代码存在任何问题，它可能会返回一条错误消息，提示开发人员在继续编译其余代码之前解决已识别的错误。一般来说，编译器通过以下步骤进行编译：

1. 词法分析：编译的第一步是让源代码通过编译器的词法分析器，该程序可将字符转换为有意义的语言单位，如关键词、标识符和已知运算符。这些单位统称为令牌。此步骤本质上是通过将源代码中有意义且重要的元素转换为编译器可以使用的令牌来为后续步骤准备源代码。
2. 语法分析：编译过程的第二步是将词元从词法分析器发送到编译器的解析器。解析器是一种用于检查代码中语法错误并确保源代码正确遵循源语言规则的程序。如果解析器在解析过程中未检测到错误，它就会生成整体代码结构的抽象表示，即“抽象语法树 (AST)”。
3. 语义分析：验证代码语法后，编译器对解析后的代码进行语义分析，以推断出源代码的预期功能。在此步骤中，编译器会检查是否存在逻辑错误，例如未声明的变量或不正确的运算符使用情况。
4. 优化：虽然优化不一定是生成功能代码所必需的，但却是许多编译器常见的一个可选步骤，可以提高编译后代码的整体性能。优化可以识别和删除不必要的代码，从而使程序更快、更高效、更稳定，并缩短最终的调试过程。
5. 代码生成：在该过程的最后一步，编译器会将 AST 转换为机器可读代码。代码生成的最终输出是汇编语言代码，可转换为二进制代码并由计算机系统执行。

部分编译器可能不会严格遵守上述结构。不过，虽然某些编译器所包含的步骤或多或少，但编译的所有阶段均可归为以下三个阶段：前端、中端和后端。

这种三段式结构可支持编译器采用模块化方法。它允许编译器将适用于不同语言的多个前端与不同 CPU 的后端相结合，同时共享相应中间端的优化功能。

编译器的三个阶段涉及以下分发：

1. 前端：编译器的前端包括词法分析、语法分析和语义分析等方面。此阶段根据源语言的规则验证语法和语义，并可以识别和查明源代码中的错误。如果没有发现错误，编译器的前端会将源代码转换成中间表示 (IR)，即源代码的临时低级转换，供中端使用。
2. 中端：编译器的中端阶段在 IR 上执行各种代码优化，与整个编译过程所针对的 CPU 架构无关。通过独立于目标机器代码对源代码进行优化，编译器可以应用广义优化，从而提高多个版本的代码性能。无论支持的特定语言或硬件架构如何，都可以进行这些改进。
3. 后端：后端使用来自中端阶段的输出，并执行其他特定于 CPU 的优化和转换。在编译过程的最后阶段，编译器会输出与目标相关的汇编代码，包括寄存器分配和指令调度。后端阶段通常用于生成面向目标操作系统和硬件的机器代码。

虽然编译器并不是生成可用代码的明确必要条件，但编码语言和机器环境的广泛多样性和复杂性使得编译器成为创建可执行软件的实际必需品。以下是使用软件编译器的四个主要优点。

编译器用于将源代码转换为可执行机器代码，而解释器是另一种可以提供类似功能但机制不同的程序。

解释器不会转换源代码，而是直接执行源代码或使用称为中间代码。此代码又称“字节码”，是独立于平台的源代码低级表示形式。字节码可充当人类可读源代码和机器代码之间的中介，专为虚拟机 (VM) 执行而设计，而非基于计算机硬件运行。

理论上，任何编程语言都可以通过编译器或解释器来执行。然而，个别编程语言往往更适合编译或解释。

在实践中，编译器语言和解释器语言之间的区别有时会模糊不清，就像编译器和解释器本身的区别一样，因为这两类程序的功能可能会重叠。虽然有些语言更常被编译，有些语言更常被解释，但可以为通常执行解释的语言编写编译器，反之亦然。

高级语言的创建通常考虑一种转换类型（编译或解释），但这更多的是建议而不是硬性限制。例如，BASIC 通常被称为解释性语言，而 C 是编译性语言，但就像有 C 解释器一样，BASIC 也有编译器。

解释器和编译器之间的主要区别在于时机和优化。这两类程序都尝试将源代码转换为可运行且可优化的目标代码。

根据操作环境的不同，考虑到硬件能力、内存和存储能力，已编译或已解释的代码可能更适合高效运行。基于任何特定程序、应用程序和硬件的限制，编译、解释或两者的结合运用都能产生最佳结果。

因此，解释不能完全代替编译，但它可以通过一个逐步转换的过程，将编译职责移动到后台。编译器采用提前 (AOT) 转换策略，在创建可执行文件之前将源代码完全转换为目标代码。

另外，解释器可以根据应用程序的需求直接运行代码，或使用字节码作为中介以输出虚拟机可执行源代码。借此，解释器或许能提升速度或灵活性，但在执行堆栈的最终阶段仍需提供可直接执行的机器指令集。

在某些情况下，当轻量级效率为优先事项时，特殊解释器由于执行即时 (JIT) 转换的能力而比编译器更可取。JIT 这种策略是将源代码片段编译成目标代码并放入内存缓冲区，以便立即执行。JIT 解释按需编译代码，将传统编译器的一次性编译效率与重复执行代码的灵活性相结合（通常比标准字节码解释器更快）。

然而，随着 JIT 编译的现代趋势的兴起以及依赖于情境的字节码解释的出现，许多编译器被设计为同时提供编译和解释功能。这种重叠进一步模糊了这两个类别之间的界限。