我，子牙老师，一个手写过操作系统、编程语言的硬核男人
让我用一篇文章带你速通编译原理
编译原理是什么？编译原理是所有编程语言得以诞生，背后的理论依据
任何编程语言，从运行，到看到结果，都要经历这些阶段
理解了这张图中的每个名词、每个阶段，你就能看懂任何编程语言的底层实现
词法分析
先从词法分析开始。它的输入是程序代码，输出是记号流（token）
如果你想查看Python代码经词法分析后生成的token
对应代码
其他编程语言你如果想查看，自行面向AI研究
词法分析器
在所有编程语言中，负责词法分析的模块叫词法分析器。
如果你想得到词法分析器，有两种方式：自实行、使用词法分析工具生成
先说词法分析工具，开源的还蛮多的
我们这套课程使用的是flex，它的工作流程差不多是这样
细节在后面的课程中再细讲，当前你理解到这个程度即可
绝知此事要躬行
诚然，你可以使用开源的词法分析工具flex生成词法分析器，在此基础上开发编程语言
但是在用的过程中，脑海中一直会有一个声音：它是如何实现的
而且遇上问题，无从下手，因为你不知道它的底层实现
因为理解得不深，还会出现一个问题就是：有时候想实现一个功能但是不知道怎么用它实现
为此，写一个玩玩吧（我觉得任何底层，都值得写一遍，而且只需要写一遍）
很多人学习是为了学习而学习
比如学《编译原理》，直接去啃书。一点概念都没有，怎么看得懂呢
我喜欢先动手干，把书当成工具，遇到问题不知道如何解决，在书中找答案
就写出来了，写出来再后头看理论，就很容易理解
比如词法分析中最难理解的状态机、DFA、NFA、正则引擎、lookahead、回溯、错误机制、代码追踪、缓冲区、最长匹配、优先级、关键字识别……你写的时候就感觉：不就应该这样吗？
后面的视频中会手把手教你如何从零写一个词法分析器，边写边解释这些名词
举个例子
比如把这段代码喂给词法分析器
词法分析器（lexer 或 tokenizer）会将其分解为一系列 token。以下是按顺序产生的 token 列表：
if— 关键字 (IF)(— 左括号 (LPAR)1— 整数字面量 (NUMBER))— 右括号 (RPAR):— 冒号 (COLON)print— 标识符（在 Python 3 中是内建函数，不是关键字） (NAME)(— 左括号 (LPAR)2— 整数字面量 (NUMBER))— 右括号 (RPAR)- 换行符 — (
NEWLINE) - 文件结束 — (
ENDMARKER)
语法分析
词法分析器解析程序代码为token，然后丢给语法分析器
语法分析器的输入是token，输出是抽象语法树，即AST
比如代码
生成的抽象语法树长这样
如果你想得到语法分析器，也是两种方式：1、自实行；2、使用语法分析器生成功能生成
主流的生成工具有这些
我们这套课程使用的是bison
当然，为了让你彻底玩明白语法分析，会带你手写实现一个语法分析器。这个词法分析器，可以与我们自实行的词法分析器配合使用，也可以与flex生成的词法分析器配合使用。语法分析阶段涉及的理论如：上下文无关文法、递归向下分析、LR分析、错误处理……会在手写的过程中详细讲解
抽象语法树AST
后面的所有阶段，都是围绕AST工作的
AST也有开源项目可用
AST是属于手写编程语言的核心了，这个我是自己纯手工打造的。这个还不自己写，那手写编程语言就没有意义了
课程中，我会从零带你手写一个AST，带你彻底哪些AST。
如果你从来没有玩过树这种数据结构，那你通过玩AST，对于你后面去玩数据库领域常用的B tree、B+ tree，算是打开了一扇门
语义分析
语义分析是编译器前端中的关键阶段，位于语法分析之后、IR（中间表示）生成之前。其职责是确保源程序在语义上是合理且一致的。下面是语义分析的完整职责清单，分为核心职责与可选扩展：
✅ 语义分析的完整职责
1. 符号解析（Symbol Resolution）
- 建立并维护符号表（Symbol Table）
- 确定标识符（变量名、函数名等）引用的定义
- 检查变量是否已声明
- 处理作用域规则（全局、局部、嵌套作用域）
2. 类型检查（Type Checking）
- 表达式左右操作数类型是否匹配（如
int + float） - 函数参数与返回值类型是否匹配
- 条件表达式必须为布尔类型（如
if,while的条件） - 隐式类型转换是否合法（如
int → float）
3. 作用域和生命周期检查
- 名字遮蔽（shadowing）检查
- 检查是否访问了超出作用域的变量
- 检查重复定义（如重复变量名）
4. 控制流语义验证
return、break、continue是否出现在合法位置- 所有路径是否都返回（对有返回值的函数）
- 检查不可达代码
5. 函数/方法调用检查
- 参数个数、顺序、类型是否匹配函数定义
- 是否调用未声明或未定义的函数
6. 左值（L-Value）/右值（R-Value）检查
- 赋值语句左边必须是变量（左值）
- 常量不能被赋值
7. 常量表达式求值（可选）
- 可在语义分析阶段做初步常量折叠（Constant Folding）
- 用于宏、数组大小、switch 标签等必须为常量的语法
8. 类型推导（可选）
- 根据上下文推导表达式、变量、函数返回类型（如
auto或var）
9. AST 注解（Annotation）
- 给 AST 节点添加类型、引用的符号等信息
- 为后续阶段（如优化、代码生成）提供必要数据
10. 语言特性的语义规则
-
如类的继承检查、重载规则、多态一致性（面向对象语言）
-
模板/泛型约束检查
-
模块依赖检查（import/export）
中间代码
完成语义分析后，就代表代码是没有语法上的问题的，可以正常运行，就需要生成中间代码，丢给虚拟机去运行。
你是不是想问：如果是不需要虚拟机运行的编程语言，比如C、C++，也会生成中间代码吗？是的，也会生成。这个生成中间代码是为了生成后续的机器码做优化用的，与依赖虚拟机运行的中间代码是不一样的
中间代码是由中间代码生成器生成的。中间代码生成器有这些类型
我们所熟知的Java、Python，都是栈式IR
比如Python代码
生成AST
生成栈式IR
是不是这样学习编译原理，理解起来容易很多
课程《手写编程语言》二期，我会教你编写中间代码生成器，将我们自实行的AST，生成Python虚拟机可用的中间代码，让我们自实行的虚拟机，与Python的虚拟机，实现互通。你觉得做起来难不难？
机器码
如果是Java、Python，就没有这个阶段了。比如Java的.class文件，就是Java虚拟机hotspot需要的字节码文件。比如Python的.pyc，就是Python虚拟机cpython需要的字节码文件。字节码转为真正的机器码运行，是虚拟机干的事
机器码长啥样呢
机器码为什么长这样呢？它是按什么规范生成的呢
其实编程语言的优化，大部分都是在机器码层面做文章
比如字节码解释器的执行效率不如模板解释器，原理是什么
原理是编译器会按照固定的框架进行编译生成程序，而模板解释器是一种机器码编制技术，只会生成聚集业务处理的代码。
如图中，如果只是干int a=0，gcc会生成这么多代码，意思就是虚拟机执行这个赋值要执行这么多代码。而模板解释器就是没有打叉的那些，只需要运行那一行有效代码。执行的代码量少这么多，自然效率高很多
当然还有其他的优化机器，你如果真正能看懂这个例子，你自然也能get到，如果你看不懂，那你需要补点机器码的基础了
《手写编程语言》三期，带你使用机器码编织技术重写执行引擎，玩明白了这个，你就能轻松get即时编译及后端优化的各种技术！
至此，速通编译原理就讲完了。如果我文章中的一切你都看懂了，能get到，编译原理你就算过关了
后续还会更新更多超硬核文章，感兴趣的话可以关注**【硬核子牙】**微信公众号
