编译器的“前端”指的是编译器对程序代码的分析和理解过程。 它通常只跟语言的语法有关，跟目标机器无关。而与之对应的“后端”则是生成目标代码的过程，跟目标机器有关。
编译器的“前端”技术分为词法分析、语法分析和语义分析三个部分。而它主要涉及自动机和形式语言方面的基础的计算理论。
词法分析
通常，编译器的第一项工作叫做词法分析。就像阅读文章一样，文章是由一个个的中文单词组成的。程序处理也一样，只不过这里叫做“词法记号”，英文叫 Token。
如果我们要读懂这段代码，首先要怎么做呢？
#include <stdio.h>
int main(int argc, char* argv[]){
int age = 45;
if (age >= 17+8+20) {
printf("Hello old man!\\n");
}
else{
printf("Hello young man!\\n");
}
return 0;
}
我们会识别出 if、else、int 这样的关键字，main、printf、age 这样的标识符，+、-、= 这样的操作符号，还有花括号、圆括号、分号这样的符号，以及数字字面量、字符串字面量等。这些都是 Token。
如何写一个程序来识别 Token 呢？英文内容中通常用空格和标点把单词分开，方便读者阅读。但在程序中仅用空格和标点分割是不行的。比如“age >= 45”应该分成“age”“>=”和“45”这三个 Token，但在代码里它们可以是连在一起的，中间不用非得有空格。
这和汉语有点儿像，汉语里每个词之间也是没有空格的。但我们会下意识地把句子里的词语正确地拆解出来。比如把“我学习编程”这个句子拆解成“我”“学习”“编程”，这个过程叫做“分词”。
其实，我们可以通过制定一些规则来区分每个不同的 Token，我举了几个例子，你可以看一下。
- 识别 age 这样的标识符。 它以字母开头，后面可以是字母或数字，直到遇到第一个既不是字母又不是数字的字符时结束。
- 识别 >= 这样的操作符。 当扫描到一个 > 字符的时候，就要注意，它可能是一个 GT（Greater Than，大于）操作符。但由于 GE（Greater Equal，大于等于）也是以 > 开头的，所以再往下再看一位，如果是 =，那么这个 Token 就是 GE，否则就是 GT。
- 识别 45 这样的数字字面量。 当扫描到一个数字字符的时候，就开始把它看做数字，直到遇到非数字的字符。
这些规则可以通过手写程序来实现。很多编译器的词法分析器都是手写实现的，例如 GNU 的 C 语言编译器。
如果嫌手写麻烦，也可以用词法分析器的生成工具来生成，比如 Lex。这些生成工具是基于一些规则来工作的，这些规则用“正则文法”表达，符合正则文法的表达式称为“正则表达式”。生成工具可以读入正则表达式，生成一种叫“有限自动机”的算法，来完成具体的词法分析工作。
不要被“正则文法”和“有限自动机”吓到。正则文法是一种最普通、最常见的规则，写正则表达式的时候用的就是正则文法。我们前面描述的几个规则，都可以看成口语化的正则文法。
有限自动机是有限个状态的自动机器。拿马桶举例，它分为两个状态：“注水”和“水满”。摁下冲马桶的按钮，它转到“注水”的状态，而浮球上升到一定高度，就会把注水阀门关闭，它转到“水满”状态。
词法分析器也是，它分析整个程序的字符串，当遇到不同的字符时，会驱使它迁移到不同的状态。例如，词法分析程序在扫描 age 时，处于“标识符”状态，等它遇到一个 > 符号，就切换到“比较操作符”的状态。词法分析过程，就是这样一个个状态迁移的过程。
语法分析
编译器下一个阶段的工作是语法分析。词法分析是识别一个个的单词，而语法分析就是在词法分析的基础上识别出程序的语法结构。这个结构是一个树状结构，是计算机容易理解和执行的。
以自然语言为例。自然语言有定义良好的语法结构，比如，“我喜欢又聪明又勇敢的你”这个句子包含了“主、谓、宾”三个部分。主语是“我”，谓语是“喜欢”，宾语部分是“又聪明又勇敢的你”。其中宾语部分又可以拆成两部分，“又聪明又勇敢”是定语部分，用来修饰“你”。定语部分又可以分成“聪明”和“勇敢”两个最小的单位。
这样拆下来，会构造一棵树，里面的每个子树都有一定的结构，而这个结构要符合语法。比如，汉语是用“主谓宾”的结构，日语是用“主宾谓”的结构。这时，我们说汉语和日语的语法规则是不同的。
程序也有定义良好的语法结构，它的语法分析过程，就是构造这么一棵树。一个程序就是一棵树，这棵树叫做抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）。树的每个节点（子树）是一个语法单元，这个单元的构成规则就叫“语法”。每个节点还可以有下级节点。
形成 AST 以后有什么好处呢？就是计算机很容易去处理。 比如，针对表达式形成的这棵树，从根节点遍历整棵树就可以获得表达式的值。
你已经知道了 AST 的作用，那么怎样写程序构造它呢？
一种非常直观的构造思路是自上而下进行分析。首先构造根节点，代表整个程序，之后向下扫描 Token 串，构建它的子节点。当它看到一个 int 类型的 Token 时，知道这儿遇到了一个变量声明语句，于是建立一个“变量声明”节点；接着遇到 age，建立一个子节点，这是第一个变量；之后遇到 =，意味着这个变量有初始化值，那么建立一个初始化的子节点；最后，遇到“字面量”，其值是 45。
这样，一棵子树就扫描完毕了。程序退回到根节点，开始构建根节点的第二个子节点。这样递归地扫描，直到构建起一棵完整的树。：
这个算法就是非常常用的递归下降算法。
递归下降算法是一种自顶向下的算法，与之对应的，还有自底向上的算法。这个算法会先将最下面的叶子节点识别出来，然后再组装上一级节点。
很多同学其实已经做过语法解析的工作，比如编写一个自定义公式的功能，对公式的解析就是语法分析过程。另一个例子是分析日志文件等文本文件，对每行日志的解析，本质上也是语法分析过程。解析用 XML、JSON 写的各种配置文件、模型定义文件的过程，其实本质也是语法分析过程，甚至还包含了语义分析工作。
语义分析
编译器接下来做的工作是语义分析。语义分析就是要让计算机理解我们的真实意图，把一些模棱两可的地方消除掉。
以“You can never drink too much water.” 这句话为例。它的确切含义是什么？是“你不能喝太多水”，还是“你喝多少水都不嫌多”？实际上，这两种解释都是可以的，我们只有联系上下文才能知道它的准确含义。
语义分析没那么复杂，因为计算机语言的语义一般可以表达为一些规则，你只要检查是否符合这些规则就行了。比如：
- 某个表达式的计算结果是什么数据类型？如果有数据类型不匹配的情况，是否要做自动转换？
- 如果在一个代码块的内部和外部有相同名称的变量，我在执行的时候到底用哪个？
- 在同一个作用域内，不允许有两个名称相同的变量，这是唯一性检查。
语义分析基本上就是做这样的事情，也就是根据语义规则进行分析判断。
语义分析工作的某些成果，会作为属性标注在抽象语法树上，比如在 age 这个标识符节点和 45 这个字面量节点上，都会标识它的数据类型是 int 型的。
在这个树上还可以标记很多属性，有些属性是在之前的两个阶段就被标注上了，比如所处的源代码行号，这一行的第几个字符。这样，在编译程序报错的时候，就可以比较清楚地了解出错的位置。
做了这些属性标注以后，编译器在后面就可以依据这些信息生成目标代码了，我们在编译技术的后端部分会去讲。
小结
- 词法分析是把程序分割成一个个 Token 的过程，可以通过构造有限自动机来实现。
- 语法分析是把程序的结构识别出来，并形成一棵便于由计算机处理的抽象语法树。可以用递归下降的算法来实现。
- 语义分析是消除语义模糊，生成一些属性信息，让计算机能够依据这些信息生成目标代码。
