开发一个trivial的lisp编译器(一)

Liutos

序言

我已经记不清写过多少个lisp-like语言的解释器,以及编译成自制字节码的编译器了,但我想这一次依然不会是最后一个。我还记得之所以入坑写第一个解释器,是因为当时正好学了一点Common Lisp,数据结构的课本中又正好提到一种叫做广义表的数据结构,顿时觉得:“这个广义表不是正好可以表达CL中的atom和cons吗?”于是便尝试写一段程序解析输入、创建广义表,并打印成S表达式。在此基础上,又尝试着实现加减乘除等运算功能,一步步地开启了编写解释器的旅程。后来我看了Peter Norvig写的《Paradigms of AI Programming》,里面有两章分别讲了如何编写解释器和编译器——编译到一个自制虚拟机的字节码的那种。在巨擘的指引下,我也开始写起了trivial的编译器。

这次开工的这一款有所不同:它不再将lisp-like代码编译成架空虚拟机的字节码,而是编译成macOS的x64汇编代码,着实是一个不小的挑战。众所周知,lisp-like的语言(Scheme、Common Lisp、Clojure等)都是一些高级语言,它们摆弄着一些高层次的概念:cons、continua、lambda、symbol,等等。这些语言中的概念无法直接对应到x64汇编上,因此我必须填补它们之间的鸿沟;另一方面,我对x86汇编可以说是一窍不通,完全是一边搜索资料一边写,生成的汇编代码的运行效率多半很低。但,管它呢,只要好玩就足够了。

开始来实现一个lisp-like语言到x64汇编的trivial编译器吧。

编译加法运算

如果你看过龙书,或其它经典的编译原理方面的书,那肯定知道编译器是一个很复杂的玩意儿。但我的编译器很简单,它会从一个小小的二元加法计算器开始演化。为了偷懒不写编译器的前端,我会使用Common Lisp来编写这个编译器的代码,也方便我直接从最让人兴奋的、生成汇编代码的环节入手。

首先从最简单的两个小整数的加法运算开始。在lisp家族的语言,比如Common Lisp中,一段加法运算的代码如下

(+ 1 2)

对于寄存器可以容纳的整数的相加,直接输出add指令即可,两个操作数可以暂时随意地存放到寄存器中。按照这个思路,一个简单的、可以编译小整数加法运算的编译器就出来了

(defun jjcc2 (expr)
  "支持两个数的四则运算的编译器"
  (cond ((eq (first expr) '+)
         `((movl ,(second expr) %eax)
           (movl ,(third expr) %ebx)
           (addl %eax %ebx)))))

(defun stringify (asm)
  "根据jjcc2产生的S表达式生成汇编代码字符串"
  (format t "        .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions~%")
  (format t "        .globl _main~%")
  (format t "_main:~%")
  (dolist (ins asm)
    (format t "        ~A ~A, ~A~%"
            (first ins)
            (if (numberp (second ins))
                (format nil "$~A" (second ins))
                (second ins))
            (if (numberp (third ins))
                (format nil "$~A" (third ins))
                (third ins))))
  (format t "        movl %ebx, %edi~%")
  (format t "        movl $0x2000001, %eax~%")
  (format t "        syscall~%"))

在 REPL 中运行如下代码

(stringify (jjcc2 '(+ 1 2)))

得到如下的汇编代码

        .section __TEXT,__text,regular,pure_instructions
        .globl _main
_main:
        MOVL $1, %EAX
        MOVL $2, %EBX
        ADDL %EAX, %EBX
        movl %ebx, %edi
        movl $0x2000001, %eax
        syscall

将这段代码保存到名为jjcc.s的文件中再运行下列的命令,就得到一个能运行的a.out可执行文件了

as -o jjcc.o jjcc.s
gcc jjcc.o
./a.out
echo $? # 输出3

后记

有了这个基本的框架后,便可以开始扩展出很多功能了。比如除了加法,还可以支持减法、乘法,以及除法;可以支持progn,实现顺序求值多个表达式的效果;可以支持setq,实现变量和赋值的功能,等等。

此外,这一小段代码也有不少问题。比如调用format输出.section的代码来自于gcc -S的结果,可以用更简短的.text代替;生成的汇编代码中,指令助记符和寄存器名字的大小写不统一,等等。之后我会尝试重构,将代码写得更好。

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