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|---|---|---|---|---|---|---|
| true | default | 16:9 | true | SysY 编译器课程实验 — 并行编译优化 | 程景愉 · 舒钰权 · 杨力嘉 | 实验验收汇报 | 2026.06.27 | :root { --ink: #0f172a; --muted: #475569; --soft: #64748b; --line: rgba(15, 23, 42, 0.10); --blue: #2563eb; --cyan: #0891b2; --gold: #d97706; --paper: #fffdf8; --paper-blue: #f4f8ff; } section { position: relative; padding: 48px 64px 42px; font-family: 'Noto Sans CJK SC', 'Microsoft YaHei', sans-serif; font-size: 25px; line-height: 1.35; color: var(--ink); background: url('csc-logo.png') top 18px right 34px / 58px auto no-repeat, radial-gradient(circle at top right, rgba(37, 99, 235, 0.16), transparent 28%), radial-gradient(circle at bottom left, rgba(8, 145, 178, 0.12), transparent 24%), linear-gradient(135deg, var(--paper) 0%, #f9fbff 45%, var(--paper-blue) 100%); } section::before { content: ""; position: absolute; inset: 22px; border: 1px solid var(--line); border-radius: 26px; pointer-events: none; z-index: 0; } section > * { position: relative; z-index: 1; } header, footer { color: #64748b; 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SysY 编译器课程实验
前端 · 中端优化 · 后端代码生成
从 SysY 语言到 AArch64 汇编的完整编译器实现，涵盖语法分析、IR 生成、标量优化、寄存器分配与循环优化六大实验模块。
小组成员：程景愉 · 舒钰权 · 杨力嘉
仓库地址：https://git.nudt.space/CompileThreeMaggot/nudt-compiler-cpp.git
项目概述与实验目标
完整的编译器流水线
实现从 SysY 源程序到 AArch64 汇编的完整编译流程，打通前端解析、中端优化与后端代码生成的全部环节。
六阶段渐进式实验
按 Lab1–Lab6 逐步完成语法树构建、IR 生成、指令选择、标量优化、寄存器分配与循环优化，形成层次清晰的编译器架构。
工程化协作实践
基于 Git 分支协作、CMake 构建系统、自动化测试脚本与 QEMU 模拟验证，完整复现工业级编译器开发流程。
语法树
IR 生成
汇编生成
标量优化
寄存器分配
循环优化
技术栈总览
编译器架构
工具链与验证
Lab1：语法树构建 — 前端基石
核心工作
- 基于 ANTLR4 扩展
SysY.g4文法，覆盖完整 SysY 语言规范 - 实现控制流语句（if-else / while / break / continue）
- 支持表达式优先级、浮点数字面量、数组类型与函数参数
- 通过 Visitor 模式遍历语法树，输出结构化语法树打印
关键产出
- 完整的 SysY 词法/语法规则定义
- C++ Lexer/Parser 自动生成流程
SyntaxTreePrinter语法树可视化- parse-only 构建模式，快速迭代验证
技术要点
ANTLR4 的 labeled alternative 写法直接影响 SysYParser::*Context 类型名与访问接口，为后续 sem/irgen 的 Visitor 适配奠定基础。扩展文法后必须同步调整语义分析与 IR 生成的 visit* 逻辑。
Lab2：中间表示生成 — IR 语义全覆盖
IR 类型系统与指令扩展
- 扩展 IR 类型系统：
i32/float/ 数组 / 指针 - 覆盖完整指令集：算术、比较、GEP 地址计算、类型转换（zext / sitofp / fptosi）
- 支持 短路求值（&& / ||）与控制流（if-else / while）
- 函数定义、调用与参数传递的 IR 生成
关键难点突破
- 编译期常量求值与运行时 IR 生成严格分离
- 数组对象、数组形参（指针退化）、数组元素地址明确区分
- 多维数组花括号初始化的聚合布局
- IR 打印格式对齐 LLVM 规范（SSA 命名、GEP、比较结果类型）
成果：支持 int/float 常量表达式、多维数组、函数调用、短路求值、控制流，生成的 IR 通过 llc 编译与 clang 链接运行验证。
Lab3：指令选择与汇编生成 — AArch64 后端
AArch64 指令覆盖
完整实现算术、比较、条件选择、分支跳转、函数调用、内存访存、浮点转换等核心指令子集，采用高可靠栈槽模型保证变量活跃期正确性。
ABI 调用约定
完整实现前 8 个整型/指针参数及前 8 个浮点参数通过寄存器传递，返回值通过 w0/x0/s0 返回，支持多函数多基本块控制流。
浮点位精确
浮点常量以 .word <bits> 二进制字面量输出，保证编译-汇编-运行全生命周期 100% 位一致，消除精度丢失问题。
关键难点突破
解决双向迭代器/指针失效（vector 重配 → 野指针）、大栈帧寻址越界（ldur/stur 超出 [-256,255] 范围 → 寄存器偏移寻址回退）、参数指针二级间接等底层问题。重写 sylib/sylib.c 运行库，补齐全部 I/O 与十六进制浮点（%a）支持。
Lab4：基本标量优化 — SSA 中端核心
支配树分析与 Mem2Reg
- 实现 Cooper-Harvey-Kennedy 迭代支配树算法
- 计算支配边界，在控制流汇合点插入 Phi 节点
- 沿支配树 DFS 完成变量重命名，构建 SSA 形式
- 消除 alloca/load/store 冗余内存访问
优化 Pass 管线
- ConstFold：算术/比较/类型转换深度折叠与代数简化
- ConstProp：常量传播 + 条件分支死目标剪枝
- CSE：块内局部公共子表达式消除
- DCE：Mark-and-Sweep 死代码删除
- CFGSimplify：合并线性块、清理不可达代码
Phi 节点降低到汇编
在栈槽后端正确处理 Phi 生命周期：控制流分叉块末尾生成条件拷贝（Condition Copy-Store），函数头部预分配 Phi 槽位。修复指针截断（64→32 位）、GEP 参数二级指针解引用、ConstProp 后 Phi 残留清理等隐蔽缺陷。
Lab5：寄存器分配与后端优化 — 窥孔优化
窥孔优化核心能力
- 同名寄存器自移动消除：识别并删除
mov w8, w8等无意义指令 - 冗余 Load-after-Store 消除：栈槽写入后紧跟同寄存器读取 → 直接复用
- 寄存器尺寸匹配：W/X 寄存器间 move 时动态适配尺寸
寄存器别名感知
- 实现 NormalizeReg：X0–X28 → W0–W28 归一化映射
- 所有别名冲突检测与消除基于归一化寄存器进行
- 隐式写寄存器追踪：浮点 MovImm 对 x8/w8 的副作用主动失效
技术挑战
浮点常数加载（adrp + ldr）隐式占用通用寄存器 x8/w8，若窥孔器未感知会导致寄存器污染，引发浮点比较错误。解决方案：识别 MovImm 目标为浮点寄存器时，主动擦除 slot_to_reg 追踪中的 x8/w8 条目。
Lab6：并行与循环优化 — LICM
自然循环识别
- 基于支配树扫描 CFG 回边（Back-edge）
- 回边 B→H 若 H 支配 B，H 为循环头（Header）
- 沿前驱方向 BFS 收集循环体全部基本块
- 判定 Preheader（循环头在循环体外的唯一前驱）
循环不变式外提（LICM）
- 不变性判定：操作数为常量、循环体外定义、或已判定为不变
- 覆盖算术、比较、类型转换（ZExt/SIToFP/FPToSI）、GEP 地址计算
- 按数据流依赖保序外提到 Preheader 末尾（Terminator 之前）
关键修复
支配边界计算死循环漏洞：DCE/CFGSimplify 后可能产生从 Entry 不可达的死块，其 idom 为空或自环，导致 ComputeDF 的 while 循环无限挂起。修复方案：增加 runner == nullptr 与 next_runner == runner 的优雅阻断分支。
近期攻坚：运算符优先级修正与后端内存优化
运算符优先级与结合性修正
修正了 SysY.g4 中同级运算符分行写导致结合性错误的 ANTLR4 缺陷。将其合并为 addSubExp/mulDivModExp 等统一规则，并重构 Sema 与 IRGen 遍历逻辑，彻底解决了 fft0.sy 等复杂表达式的计算 Bug。
大数组零初始化 memset 优化
针对大局部数组初始化生成的几十万条冗余 store 指令进行了优化。在中端 IR 生成阶段，改用运行时 memset 函数调用，消除了汇编代码膨胀，使编译时间缩短 99% 以上。
后端死栈槽消除优化
在后端 Peephole 阶段新增了死栈槽分析。静态扫描发现从未被 load 或取地址的冗余 Store 槽位，直接予以删除，进一步缩减了栈帧空间并精简了指令流。
通过这几次的系统性优化与缺陷修复，编译器在语义正确性、编译效率、以及生成代码的精简度上均得到了极大的提升，实现了 21 个回归测试的 100% 完美通过。
性能优化专项：无硬编码的通用提速
IR 层：基本块内 Load CSE
在 CSE Pass 中增加同一基本块内的重复 load 消除：相同指针地址若未被 store/call 破坏，后续读取直接复用已有结果。该优化对 A[i][j] * A[i][j] 等循环密集模式收益明显，同时通过内存写入失效保证语义安全。
MIR 层：死栈槽删除 + 栈帧压缩
后端扫描所有 FrameIndex 使用，删除从未被读取或取地址的临时栈槽写入；随后重新紧凑布局仍然活跃的栈槽，缩小 frame size，减少无效栈空间和大偏移访存。
汇编层：SP 直接寻址
原先大偏移栈访问只能退化为 ldr x10, =offset + 寄存器偏移访存。优化后优先尝试 [sp, #imm] 正偏移寻址，大幅减少 literal load 和临时寄存器占用。
重点样例收益
2025-MYO-20.sy 单测运行时间由约 130.8s 降至约 90.2s；生成汇编中大偏移栈访问 literal load 由 24 降至 0。
栈访问优化收益
if-combine3.sy 中 ldr x10, =offset 由 208 降至 0，汇编行数由约 923 行降至约 715 行，单测约 25s 完成。
全量测试结果
取消所有 benchmark 特化和硬编码后，完整脚本 ./scripts/run_all_tests_verbose.sh 从约 279.6s 降至 217.293s，21 项测试全部通过。
核心原则：所有提速均来自通用 IR/MIR/汇编优化，不依赖文件名、测试名或特定输出常量，可接受代码检查。
关键技术难点与突破
编译期/运行期分离
全局常量初始化走纯编译期求值，绝不生成 IR 指令。避免依赖 Runtime IRBuilder 插入点。
数组语义三层拆分
标量 alloca、聚合数组基址、数组形参指针退化三种语义严格区分，避免 Load/GEP 类型错乱。
浮点精度保全链路
常量折叠→IEEE 754 二进制位→.word 原样输出，确保全链路位精确一致。
SSA 一致性维护
ConstProp 后显式清理 Phi dead incoming 边；CFGSimplify 正确替换 Phi uses；Mem2Reg 沿支配树 DFS 栈式管理版本。
后端指针安全
Vector 预分配容量避免迭代器失效；64 位指针强制 X 寄存器加载；参数 alloca 栈槽通过静态扫描提升至 8 字节。
支配树鲁棒性
ComputeDF 对不可达节点与自环做显式阻断；迭代 IDom 兼容非连通图与临时死块，保证收敛。
功能测试验证结果
| 序号 | 测试用例 | 测试内容 | 结果 |
|---|---|---|---|
| 1 | simple_add.sy |
简单加法，基础 IR/汇编验证 | ✅ |
| 2 | 05_arr_defn4.sy |
多维数组定义与初始化 | ✅ |
| 3 | 09_func_defn.sy |
函数定义与调用 | ✅ |
| 4 | 11_add2.sy |
多变量算术表达式 | ✅ |
| 5 | 13_sub2.sy |
减法与混合运算 | ✅ |
| 6 | 15_graph_coloring.sy |
递归图着色（指针/数组） | ✅ |
| 7 | 22_matrix_multiply.sy |
矩阵乘法（多维数组+循环） | ✅ |
| 8 | 25_scope3.sy |
嵌套作用域与变量遮蔽 | ✅ |
| 9 | 29_break.sy |
break/continue 控制流 | ✅ |
| 10 | 36_op_priority2.sy |
运算符优先级综合测试 | ✅ |
| 11 | 95_float.sy |
浮点 I/O / 类型转换 / 逻辑短路 | ✅ |
功能测试验证结果
| 序号 | 测试用例 | 测试内容 | 结果 |
|---|---|---|---|
| 12 | 01_mm2.sy |
矩阵乘法（性能） | ✅ |
| 13 | 02_mv3.sy |
矩阵向量乘法（性能） | ✅ |
| 14 | 03_sort1.sy |
排序算法（性能） | ✅ |
| 15 | 2025-MYO-20.sy |
综合性能测试（循环/数组） | ✅ |
| 16 | fft0.sy |
快速傅里叶变换（性能） | ✅ |
| 17 | gameoflife-oscillator.sy |
生命游戏振荡器（性能） | ✅ |
| 18 | if-combine3.sy |
条件组合与分支密集（性能） | ✅ |
| 19 | large_loop_array_2.sy |
大循环数组访问（性能） | ✅ |
| 20 | transpose0.sy |
矩阵转置（性能） | ✅ |
| 21 | vector_mul3.sy |
向量乘法（性能） | ✅ |
验证链路：SysY 源码 → IR 生成 → 标量优化 → 循环优化 → 指令选择 → 寄存器分配 → 窥孔优化 → AArch64 汇编 → QEMU 模拟运行 → 输出比对
人员分工
程景愉
- 负责各 Lab 中端 IR 与优化 Pass 实现
- 完成 Mem2Reg / ConstFold / CSE / DCE / LICM
- 支配树分析、循环识别与优化框架搭建
- Phi 节点降低到汇编的核心方案设计
- 作为组长统筹进度、文档与汇报材料
舒钰权
- 负责 Lab1 语法树构建与 ANTLR 文法扩展
- 负责 Lab3 后端指令选择与 AArch64 汇编生成
- 实现浮点位精确、大栈帧寻址回退机制
- 重写 sylib.c 运行库（I/O / 计时 / %a 浮点）
- 修复指针截断、参数 GEP 越界等后端缺陷
杨力嘉
- 负责 Lab5 窥孔优化（冗余 move / Load-after-Store）
- 实现寄存器别名感知（W/X 归一化）
- 浮点隐式写寄存器追踪与失效处理
- 全量功能测试用例的回归验证
- 批量测试脚本维护与 CI 流程协调
分工遵循"组长主抓中端优化核心 + 成员按前后端专长协作推进"的模式，通过 Git 分支 + PR 评审完成协作。
实验总结与展望
已完成的核心能力
- ✅ 完整 SysY 前端解析（ANTLR4 + Visitor）
- ✅ LLVM 风格 SSA IR 生成与打印
- ✅ AArch64 后端指令选择与汇编输出
- ✅ Mem2Reg + 五大标量优化 + LICM
- ✅ Load CSE + 死栈槽删除 + 栈帧压缩
- ✅ SP 直接寻址与寄存器别名感知窥孔优化
- ✅ 21 项完整回归测试全部通过
可继续深入的方向
- 🔲 图着色 / 线性扫描寄存器分配
- 🔲 循环展开、强度削弱与并行化
- 🔲 过程间优化（Inlining / IPO）
- 🔲 GVN / PRE 等高级中端优化
- 🔲 更完整的 AArch64 指令调度
本项目已构建起一个结构清晰、可扩展、语义正确的 SysY 编译器框架，并在不引入测例硬编码的前提下，将完整回归测试耗时优化至 217.293 秒，为后续继续深入编译器优化与并行化研究提供了坚实基础。
Conclusion
谢谢聆听
从语法树到 AArch64 汇编，从 SSA 优化到循环不变式外提
我们构建了一个完整、正确、可扩展的 SysY 编译器
Q & A
程景愉 · 舒钰权 · 杨力嘉 | 并行编译优化课程实验