编译技术构造：FIRST与FOLLOW集的生成过程

# 1. 编译技术概述 ## 1.1 编译技术的基本概念 编译技术是计算机科学领域中的一项重要技术，它主要负责将高级语言编写的程序转化为计算机能够执行的机器语言。编译技术的实现通常依赖于编译器，它是一个软件工具，可以将源代码文件中的程序转换成目标文件。 在编译技术中，需要关注的几个基本概念包括： - **源代码**：由程序员使用高级语言编写的程序代码。 - **目标代码**：经过编译器转换后的中间代码或者最终的机器语言代码。 - **编译器**：负责将源代码转换为目标代码的软件工具。 - **词法分析**：将源代码分解成一个个词法单元，如标识符、关键字、运算符等。 - **语法分析**：根据语法规则对词法单元进行分析，形成抽象语法树。 - **语义分析**：对抽象语法树进行语义检查和语法翻译，生成目标代码。 ## 1.2 编译器的工作流程 编译器的工作流程可以分为以下几个阶段： 1. **词法分析**：将源代码分解成一个个词法单元，并标注其词法类型。 2. **语法分析**：根据语法规则，对词法单元进行分析，形成抽象语法树。 3. **语义分析**：对抽象语法树进行语义检查和语法翻译，生成目标代码的中间表示。 4. **代码优化**：对中间表示进行优化，提高运行效率和节省空间。 5. **代码生成**：将优化后的中间表示转换为目标代码。 6. **目标代码生成**：将目标代码转换成机器语言，并生成可执行文件。 ## 1.3 编译技术中的FIRST与FOLLOW集的作用 在编译技术中，文法的设计和分析是非常重要的内容之一。文法的设计需要满足一定的规则，以便编译器能够正确地解析源代码。而文法的分析则需要依赖于FIRST集和FOLLOW集。 - **FIRST集**：对于一个给定的非终结符，FIRST集表示该非终结符可以推导出的终结符的集合。它在语法分析中的作用主要体现在预测产生式的选择上。 - **FOLLOW集**：对于一个给定的非终结符，FOLLOW集表示该非终结符后面可能出现的终结符的集合。它在语法分析中的作用主要体现在错误恢复和确定产生式的归约上。 通过计算文法的FIRST集和FOLLOW集，可以帮助编译器更准确地进行语法分析，并在错误发生时提供适当的错误提示。所以，了解和应用FIRST与FOLLOW集是编译技术中的重要内容。 接下来，我们将进一步介绍语法分析与LL(1)文法。 # 2. 语法分析与LL(1)文法 ### 2.1 语法分析的基本概念 语法分析是编译器中的一个重要阶段，它负责将词法分析器输出的词法单元流转换为语法树或抽象语法树。语法分析的基本概念包括以下几个方面： - 输入：词法单元流，即由词法分析器生成的词法单元序列。 - 输出：语法树或抽象语法树，表示源代码的语法结构。 - 功能：检测源代码中的语法错误，构建语法树或抽象语法树，为后续的语义分析和代码生成提供基础。 - 方法：根据给定的文法描述，使用相应的语法分析算法进行处理。 ### 2.2 LL(1)文法的定义与性质 LL(1)文法是一种上下文无关文法，具有以下两个性质： - L：从左到右扫描输入字符串。 - L：对于任何一个输入符号的前缀串，正好有一个产生式可以应用。 LL(1)文法常用于自顶向下的预测分析，它的产生式和解析表的定义如下： ```python # 产生式的定义 A -> α1 | α2 | ... | αn # 解析表的定义 Terminal Symbols Nonterminal | a1 | a2 | a3 | ... | an | $ A1 | | | | ... | | A2 | | | | ... | | A3 | | | | ... | | ... | | | | ... | | An | | | | ... | | ``` 其中，解析表中的每个单元格（A, ai）表示在非终结符A的情况下，当下一个输入符号为终结符ai时应该采取的产生式。 ### 2.3 LL(1)文法的产生式和解析表 下面是一个示例的LL(1)文法和对应的解析表： ```python # LL(1)文法的产生式 S -> E E -> T E' E' -> + T E' | ε T -> F T' T' -> * F T' | ε F -> ( E ) | id # LL(1)文法的解析表 + * ( ) id $ S | | | S -> E | | S -> E | E | | | E -> T E' | | | E' | E' -> + T E' | | | | ε | T | | | T -> F T' | | T -> F | T' | T' -> ε | T' -> * F T' | | ε | ε | F | | | F -> ( E ) | | F -> id | ``` 以上是第二章的内容，介绍了语法分析的基本概念以及LL(1)文法的定义与性质。接下来的章节将详细讨论FIRST集和FOLLOW集的生成过程，以及它们在语法分析中的应用。 # 3. FIRST集的生成过程 在编译技术中，FIRST集是一种重要的集合，用于描述文法中每个非终结符号所能推导出的终结符号的集合。生成FIRST集的过程是语法分析中的关键步骤之一。 #### 3.1 FIRST集的定义 对于一个给定的文法G，对于其中的每个非终结符号A，我们定义其FIRST集为：FIRST(A) = {a | A =>\* aβ， a属于终结符， β属于文法符号串} 其中，A =>\* aβ表示A能够推导出终结符号aβ。 #### 3.2 FIRST集的计算方法 下面介绍一种常用的计算FIRST集的方法： 1. 初始化所有的非终结符号A的FIRST集为空集。 2. 对于每个终结符号a，将a加入到FIRST(a)中。 3. 遍历产生式，对于每个形如A -> X1X2...Xn的产生式，按照以下规则更新FIRST(A)： - 若X1是终结符号，将X1加入到FIRST(A)中。 - 若X1是非终结符号，将FIRST(X1)中的所有终结符号加入到FIRST(A)中。 - 若X1可以推导出空串，则将FIRST(X2)中的所有终结符号加入到FIRST(A)中，依次类推，直到遇到不能推导出空串的符号为止。 4. 重复第3步直到所有的FIRST集不再变化为止。 #### 3.3 FIRST集在语法分析中的应用 生成FIRST集的过程是语法分析中构造预测分析表的关键步骤。首先，通过计算每个非终结符号的FIRST集，可以确定非终结符号在产生式中的首个终结符号，从而在预测分析表中定位相应的产生式。其次，在语法分析过程中，可以根据当前符号的FIRST集选择相应的产生式进行推导。 因此，生成正确且有效的FIRST集对于正