Cuby

课程名称：编程语言原理与编译
实验项目：期末大作业
专业班级：
学生学号：
学生姓名：
实验指导教师:
github

简介

这是一个编译原理大作业，主要基于microC完成的，这个之所以取名为Cuby，主要是在看《计算的本质》这本书的时候，发现Ruby是一门非常好玩有趣的语言，相比C++的错综复杂来说，Ruby是一个集成了优雅与复杂的语言，比如在irb下：

>> 3.times{puts("Hello world")}
Hello world
Hello world
Hello world
=> 3
>>

我看到这门语言的时候我就惊呆了，居然语言还可以这样玩。而C++却令人反胃，实在是太恶心了，虽然说C++给你提供了所有你想用的，但是学习成本高，任何东西都感觉不伦不类的。
Ruby是一门完全面向对象的编程语言，我尝试去实现面向对象的功能，本来取名叫Yuby，奈何实现面向对象实在太难了，我光是看JVM的指令集就很困难了，还要实现一大堆类库，实在太过于困难了，中途也下过Ruby的源代码，是用C写成的。最后还是放弃了实现面向对象的功能，选择结合microC与Ruby的语法方面作为我们大作业的方向。
我们打算完善microC并加入Ruby 的语法，最后如果还有时间的话能够完成面向对象的一个类(最后还是没时间了)。

结构

前端：由F#语言编写而成
- CubyLex.fsl生成的CubyLex.fs词法分析器。
- CubyPar.fsy生成的CubyPar.fs语法分析器。
- AbstractSyntax.fs 定义了抽象语法树
- Assembly.fs定义了中间表示的生成指令集
- Compile.fs将抽象语法树转化为中间表示
后端：由Java语言编写而成
- Machine.java生成Machine.class虚拟机与Machinetrace.class堆栈追踪
测试集：测试程序放在testing文件夹内
库：.net支持
- FsLexYacc.Runtime.dll

用法

fslex --unicode CubyLex.fsl
生成CubyLex.fs词法分析器
fsyacc --module CubyPar CubyPar.fsy
生成CubyPar.fs语法分析器与CubyPar.fsi
javac Machine.java
生成虚拟机
fsi -r FsLexYacc.Runtime.dll AbstractSyntax.fs CubyPar.fs CubyLex.fs Parse.fs Assembly.fs Compile.fs ParseAndComp.fs
可以启用fsi的运行该编译器。
在fsi中输入:
open ParseAndComp;;
之后则可以在fsi中使用使用：
- fromString：从字符串中进行编译
- fromFile：从文件中进行编译
- compileToFile：生成中间表示

例子：

compileToFile (fromFile "testing/ex(struct).c") "testing/ex(struct).out";;  
#q;;


fromString "int a;"

生成中间表示之后，便可以使用虚拟机对中间代码进行运行得出结果：

虚拟机功能：

java Machine 运行中间表示
java Machinetrace 追踪堆栈变化

例子：

java Machine ex11.out 8
java Machinetrace ex9.out 0

功能实现

变量定义

简介：原本的microC只有变量声明，我们改进了它使它具有变量定义，且在全局环境与local环境都具有变量定义的功能。

对比

// old
int a;
a = 3;
int main(){

    print a;
}

// new (ex(init).c)
int a = 1;
int b = 2 + 3;

int main(){
    int c = 3;
    print a;
    print b;
    print c;
}

堆栈图

float 类型
- 简介：浮点型类型，我们将原本的小数转化为二进制表示，再将这二进制转化为整数放入堆栈中，在虚拟机中再转化为小数。
- 例子：
  - 例一：
```
int main(){
    float a = 1.0;
    print a;
}
```
  - 运行栈追踪：
  - 例二：
```
int main(){
    float a = 1.0;
    int b = 2;
    print a+b;
}
```
  - 运行栈追踪：

char 类型

简介：原本电脑

例子：

int main ()
{
    char c = 'c';
    print c;

}

运行栈追踪：

自增操作

简介:包含i++ ++i 操作

例子：

int main(){
    int n;
    int a;
    n = 2;
    a = ++n;
    a = n++;
}

运行栈追踪：

FOR循环

简介：增加了for循环，以及类似于Ruby的循环

例子：

int main(){
    int i;
    i = 0;
    int n;
    n = 0;
    for(i =0 ; i < 5 ;  ++i){
        n = n + i;
    }
}

运行栈追踪：

int main()
{
    int n;
    int s;
    s = 0;
    for n in (3..7)
    {
        s = s+n;
    }
}

运行栈追踪：

三目运算符

简介：三目运算符 a>b?a:b

用例：

int main()
{
    int a=0;
    int b=7;
    int c = a>b?a:b;
}

运行栈追踪：

do - while
- 简介：在判断前先运行body中的操作。
- 例子：
```
int main()
{
    int n=2;
    do{
        n++;
    }while(n<0);
}
```
- 运行栈追踪：
  - n++被执行
  - n的终值为3 处于栈中2的位置
  - 堆栈图：

类似C的switch-case
- 当没有break时，匹配到一个case后，会往下执行所以case的body
- 若当前没有匹配的case时，不会执行body，会一直往下找匹配的case
- 之前的实现是递归匹配每个case，当前类似C语言的switch-case实现上在label的设立更为复杂一些。
- 例子：
```
int main(){
    int i=0;
    int n=1;
    switch(n){
        case 1:i=n+n;
        case 5:i=i+n*n;
    }
}
```
- 运行栈追踪：
  - n的值与case1 匹配，没有break， i=n+n与case 5 中的i+n*n都被执行
  - i的结果为（1+1）+1*1 = 3
  - 栈中3的位置为i，4的位置为n
  - 堆栈图：

break功能
- 在for while switch 中，都加入break功能
- 维护Label表来实现
- 例子：与没有break的switch进行对比：
```
int main(){
    int i=0;
    int n=1;
    switch(n){
        case 1:{i=n+n;break;}
        case 5:i=i+n*n;
    }
}
```
- 运行栈追踪
  - n的值与case1 匹配，执行i=n+n，遇到break结束。
  - i的结果为（1+1）=2
  - 栈中3的位置为i，4的位置为n
  - 堆栈图：

continue 功能

在for while 中加入continue功能

例子：

int main()
{
    int i ;
    int n = 0;
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        if(i<2)
            continue;
        if(i>3)
            break;
        n=n+i;
    }
}

运行栈追踪：
- i=0 1 的时候continue i>3 的时候break
- n = 2 + 3 结果为5
- 栈中3的位置为i， 4的位置为n
- 堆栈图：

结构体功能：

简介：加入了C中的结构体功能，可以嵌套数组
首先，先创建结构体定义表，用来查找，结构体定义表中包含结构体的总体大小，名字，以及变量和偏移量。然后查找结构体变量表，加入该变量到varEnv中，访问成员时，便可以通过.运算符，通过偏移值转化为简单指令集。

例子：

    struct student{
        int number;
        int number2;
        char name[5];
        float id;
    };
    int main(){
        struct student hello;
        hello.number = 10;
        hello.id = 234;
        hello.name[4] = 'c';
        hello.name[0] = 'a';
        print hello.number;
        print hello.name[4];
    }

运行栈追踪

JVM
- 简介：
  - 将之前的虚拟机重新写了一边，原先的虚拟机只能针对int类型进行存储和操作。我具体定义了一些类型，使虚拟机具有较强的拓展性。
- 类型继承关系图：
- 指令集添加：
  - CSTF：
    - 简介：const float
    - 功能：在堆栈中加入一个float
  - CSTC：
    - 简介：const char
    - 功能：在堆栈中加入一个char
- 运行时异常：
  - OperatorError:
    - 简介：在计算时发生的异常，例如除数为0时，出现异常。
  - ImcompatibleTypeError:
    - 简介：类型不匹配的时候进行时出现的异常，例如'a' + 1.0 抛出异常。

try-catch：
- 简介：
  - 除0异常捕获：
    - 虚拟机运行时的除0异常
    - 出现显式的除0时THROW 异常
  - 寄存器添加：
    - hr：保存当前异常在栈中的地址，用于追踪需要处理的异常
  - 指令添加：
    - PUSHHDLR,保存catch中的异常种类，需要跳转的位置以及hr入栈
    - POPHDLR ，与PUSHHDLR对应
    - THROW ，用于丢出异常，从hr开始找匹配
  - 例子：
- 目前做了有关除0异常的内容，由于没有异常类，暂且通过字符串的方式作为异常种类，将异常编号匹配。解决了运行时try-catch变量环境的问题，解决了异常处理时栈环境变化带来的空间影响。能够正常的匹配到异常。
```
    int main()
    {
        try{
            int a=0;
            int n=5;
            n=n/a;
        }
        catch("ArithmeticalExcption")
        {
            n=0;
            print n;
        }   
    }
```
  - 运行时堆栈：

技术评价

功能	对应文件	优	良
变量声明定义	ex(init).c	√
自增、自减	ex(selfplus).c	√
for循环	ex(for).c	√
三目运算符	ex(ternary).c	√
do-while	ex(dowhile).c	√
while	ex(while).c	√
range循环	ex(range).c		√
break	ex(break).c	√
continue	ex(continue).c	√
switch-case	ex(switch).c	√
float 类型	ex(float).c	√
char 类型	ex(chars).c	√
struct结构体	ex(struct).c	√
try-catch	ex(exception).c	√
虚拟机类型支持	Machine.java	√
虚拟机异常	exception	√

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