C语言编译器的来源

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编排 | strongerHuang

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当今几乎大部分实用的编译器/解释器（以下统称编译器）都是用C语言编写的。有一些语言比如Clojure，Jython等是基于JVM或者说是用Java实现的，IronPython等是基于.NET实现的。

但是Java和C#等本身也要依靠C/C++来实现，等于是间接调用了C。所以衡量某种高级语言的可移植性其实就是在讨论ANSI/ISO C的移植性。

C语言在高级语言中是相对低级的语言，很多方面都近似于汇编语言，在《Intel 32位汇编语言程序设计》一书中，甚至介绍了手工把简单的C语言翻译成汇编的方法。对于编译器这种系统软件，用C语言来编写是很自然不过的，即使是像Python这样的高级语言依然在底层依赖于C语言。

举Python的例子是因为Intel的黑客正在尝试让Python不需要操作系统就能运行——实际上是免去了BIOS上的一次性C代码。

现在的学生，学过编译原理后，只要有点编程能力的都可以实现一个功能简单的类C语言编译器。可是问题来了，不知道你有没有想过，大家都用C语言或基于C语言的语言来写编译器，那么世界上第一个C语言编译器又是怎么编写的呢？这不就是一个“鸡和蛋”的问题吗？

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1

C语言历史

让我们回顾一下C语言历史：1970年Tomphson和Ritchie在BCPL（一种解释型语言）的基础上开发了B语言，1973年又在B语言的基础上成功开发出了现在的C语言。

在C语言被用作系统编程语言之前，Tomphson也用过B语言编写过操作系统。可见在C语言实现以前，B语言已经可以投入实用了。因此第一个C语言编译器的原型完全可能是用B语言或者混合B语言与PDP汇编语言编写的。

可能有不少人知道，B语言的执行效率比较低，但是如果全部用汇编语言来编写，不仅开发周期长、维护难度大，更可怕的是失去了高级程序设计语言必需的移植性。

给一段对比代码让大家感受一下这的差别：

所以早期的C语言编译器就采取了一个取巧的办法：先用汇编语言编写一个C语言的一个子集的编译器，再通过这个子集去递推完成完整的C语言编译器。

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2

实现过程

先创造一个只有C语言最基本功能的子集，记作C0语言，C0语言已经足够简单了，可以直接用汇编语言编写出C0的编译器。依靠C0已有的功能，设计比C0复杂，但仍然不完整的C语言的又一个子集C1语言。

其中C0属于C1，C1属于C，用C0开发出C1语言的编译器。在C1的基础上设计C语言的又一个子集C2语言，C2语言比C1复杂，但是仍然不是完整的C语言，开发出C2语言的编译器……如此直到CN，CN已经足够强大了，这时候就足够开发出完整的C语言编译器的实现了。

至于这里的N是多少，这取决于你的目标语言（这里是C语言）的复杂程度和程序员的编程能力——简单地说，如果到了某个子集阶段，可以很方便地利用现有功能实现C语言时，那么你就找到N了。

下面的图说明了这个抽象过程：

C语言

CN语言

……

C0语言

汇编语言

机器语言

那么这种大胆的子集简化的方法，是怎么实现的，又有什么理论依据呢？

先介绍一个概念，“自编译”Self-Compile，也就是对于某些具有明显自举性质的强类型（所谓强类型就是程序中的每个变量必须声明类型后才能使用，比如C语言，相反有些脚本语言则根本没有类型这一说法）编程语言，可以借助它们的一个有限小子集，通过有限次数的递推来实现对它们自身的表述，这样的语言有C、Pascal、Ada等等，至于为什么可以自编译，可以参见清华大学出版社的《编译原理》，书中实现了一个Pascal的子集的编译器。

总之，已经有计算机科学家证明了，C语言理论上是可以通过上面说的CVM的方法实现完整的编译器的，那么实际上是怎样做到简化的呢？

这张图是不是有点熟悉？对了就是在讲虚拟机的时候见到过，不过这里是CVM（C Language Virtual Machine），每种语言都是在每个虚拟层上可以独立实现编译的，并且除了C语言外，每一层的输出都将作为下一层的输入（最后一层的输出就是应用程序了），这和滚雪球是一个道理。用手（汇编语言）把一小把雪结合在一起，一点点地滚下去就形成了一个大雪球，这大概就是所谓的0生1，1生C，C生万物吧？

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3

简化子集（关键字）

下面是C99的关键字：

1. autoenum restrict unsigned
2. breakexternreturnvoid
3. casefloatshortvolatile
4. charforsignedwhile
5. constgotosizeof_Bool
6. continueifstatic_Complex
7. defaultinlinestruct_Imaginary
8. dointswitch
9. doublelongtypedef
10. elseregisterunion
11. //共37个

仔细看看，其实其中有很多关键字是为了帮助编译器进行优化的，还有一些是用来限定变量、函数的作用域、链接性或者生存周期（函数没有）的，这些在编译器实现的早期根本不必加上，于是可以去掉auto, restrict, extern, volatile, const, sizeof, static, inline, register, typedef，这样就形成了C的子集，C3语言，C3语言的关键字如下：

1. enumunsigned
2. breakreturnvoid
3. casefloatshort
4. charforsignedwhile
5. goto_Bool
6. continueif_Complex
7. defaultstruct_Imaginary
8. dointswitch
9. doublelong
10. elseunion
11. //共27个

再想一想，发现C3中其实有很多类型和类型修饰符是没有必要一次性都加上去的，比如三种整型，只要实现int就行了，因此进一步去掉这些关键词，它们是：unsigned, float, short, char(char 是 int), signed, _Bool, _Complex, _Imaginary, long，这样就形成了我们的C2语言，C2语言关键字如下：

1. enum
2. breakreturnvoid
3. case
4. forwhile
5. goto
6. continueif
7. defaultstruct
8. dointswitch
9. double
10. elseunion
11. //共18个

继续思考，即使是只有18个关键字的C2语言，依然有很多高级的地方，比如基于基本数据类型的复合数据结构，另外我们的关键字表中是没有写运算符的，在C语言中的复合赋值运算符->、运算符的++、– 等过于灵活的表达方式此时也可以完全删除掉，因此可以去掉的关键字有：enum, struct, union，这样我们可以得到C1语言的关键字：

1. breakreturnvoid
2. case
3. forwhile
4. goto
5. continueif
6. default
7. dointswitch
8. double
9. else
10. //共15个

接近完美了，不过最后一步手笔自然要大一点。这个时候数组和指针也要去掉了，另外C1语言其实仍然有很大的冗杂度，比如控制循环和分支的都有多种表述方法，其实都可简化成一种，具体的来说，循环语句有while循环，do…while循环和for循环，只需要保留while循环就够了；分支语句又有if…{}, if…{}…else, if…{}…else if…, switch，这四种形式，它们都可以通过两个以上的if…{}来实现，因此只需要保留if,…{}就够了。可是再一想，所谓的分支和循环不过是条件跳转语句罢了，函数调用语句也不过是一个压栈和跳转语句罢了，因此只需要goto（未限制的goto）。因此大胆去掉所有结构化关键字，连函数也没有，得到的C0语言关键字如下：

1. breakvoid
2. goto
3. int
4. double
5. //共5个

这已经是简约的极致了。

只有5个关键字，已经完全可以用汇编语言快速的实现了。通过逆向分析我们还原了第一个C语言编译器的编写过程，也感受到了前辈科学家们的智慧和勤劳！我们都不过是巨人肩膀上的灰尘罢了！0生1，1生C，C生万物，实在巧妙！

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