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内容简介

　　《深入分析GCC》结合GCC4.4.0源代码，围绕GCC编译过程，详细介绍了GCC的设计框架和实现过程，包括从源代码到AST、从AST到GIMPLE、从GIMPLE到RTL，以及从RTL到终的目标机器代码的详细过程，涉及各个阶段中间表示的详细分析、生成过程，使读者在了解编译原理的基础上进一步掌握其实现的总体流程和实现细节，让更多的读者对编译技术不再只是停留在理论层面，而是学会如何实现一个编译系统实例。

目录

前言
第1章　GCC概述 1
1.1　GCC的产生与发展 1
1.2　GCC的特点 2
1.3　GCC代码分析 3
第2章　GCC源代码分析工具 4
2.1　vim+ctags代码阅读工具 4
2.2　GNU gdb调试工具 6
2.3　GNU binutils工具 8
2.4　shell工具及graphviz绘图工具 11
2.5　GCC调试选项 13
第3章　GCC总体结构 16
3.1　GCC的目录结构 16
3.2　GCC的逻辑结构 18
3.3　GCC源代码编译 20
3.3.1　配置 21
3.3.2　编译 23
3.3.3　安装 25
第4章　从源代码到AST/GENERIC 26
4.1　抽象语法树 26
4.2　树节点的声明 28
4.3　树节点结构 33
4.3.1　struct tree_base 35
4.3.2　struct tree_common 36
4.3.3　常量节点 38
4.3.4　标识符节点 42
4.3.5　声明节点 44
4.3.6　struct tree_decl_minimal 46
4.3.7　struct tree_decl_common 46
4.3.8　struct tree_field_decl 49
4.3.9　struct tree_decl_with_rtl 55
4.3.10　struct tree_label_decl 55
4.3.11　struct tree_result_decl 56
4.3.12　struct tree_const_decl 57
4.3.13　struct tree_parm_decl 57
4.3.14　struct tree_decl_with_vis 59
4.3.15　struct tree_var_decl 59
4.3.16　struct tree_decl_non_common 62
4.3.17　struct tree_function_decl 62
4.3.18　struct tree_type_decl 64
4.3.19　类型节点 67
4.3.20　tree_list节点 68
4.3.21　表达式节点 71
4.3.22　语句节点 73
4.3.23　其他树节点 75
4.4　AST输出及图示 76
4.5　AST的生成 83
4.5.1　词法分析 84
4.5.2　词法分析过程 90
4.5.3　语法分析 98
4.5.4　语法分析过程 99
4.5.5　c_parse_file 103
4.5.6　c_parser_translation_unit 105
4.5.7　c_parser_external_declaration 105
4.5.8　c_parser_declaration_or_fndef 107
4.5.9　c_parser_declspecs 112
4.6　小结 114
第5章　从AST/GENERIC到GIMPLE 115
5.1　GIMPLE 115
5.2　GIMPLE语句 119
5.3　GIMPLE的表示与存储 122
5.4　GIMPLE语句的操作数 128
5.5　GIMPLE语句序列的基本操作 132
5.6　GIMPLE的生成 135
5.6.1　gimplify_function_tree 136
5.6.2　gimplify_body 138
5.6.3　gimlify_parameters 139
5.6.4　gimplify_stmt 144
5.6.5　gimplify_expr 144
5.7　GIMPLE转换实例 157
5.7.1　BIND_EXPR节点的GIMPLE生成 158
5.7.2　STATEMENT_LIST_EXPR节点的GIMPLE生成 159
5.7.3　MODIFY_EXPR节点的GIMPLE生成 160
5.7.4　POSTINCREMENT_EXPR节点的GIMPLE生成 162
5.8　实例分析 172
5.9　小结 176
第6章　GIMPLE处理及其优化 177
6.1　GCC Pass 177
6.1.1　核心数据结构 177
6.1.2　Pass的类型 179
6.1.3　Pass链的初始化 182
6.1.4　Pass的执行 184
6.2　Pass列表 187
6.3　GIMPLE Pass实例 193
6.3.1　pass_remove_useless_stmts 193
6.3.2　pass_lower_cf 195
6.3.3　pass_build_cfg 197
6.3.4　pass_build_cgraph_edges 203
6.3.5　pass_build_ssa 205
6.3.6　pass_all_optimizations 206
6.3.7　pass_expand 207
6.4　小结 207
第7章　RTL 208
7.1　RTL中的对象类型 209
7.2　RTX_CODE 210
7.3　RTX类型 210
7.4　RTX输出格式 212
7.5　RTX操作数 213
7.6　RTX的机器模式 216
7.7　RTX的存储 219
7.8　RTX表达式 222
7.8.1　常量 225
7.8.2　寄存器和内存 227
7.8.3　算术运算 228
7.8.4　比较运算 230
7.8.5　副作用 230
7.9　IR-RTL 232
7.9.1　INSN 233
7.9.2　JUMP_INSN 234
7.9.3　CALL_INSN 235
7.9.4　BARRIER 235
7.9.5　CODE_LABEL 236
7.9.6　NOTE 237
7.10　小结 238
第8章　机器描述文件${target}.md 239
8.1　机器描述文件 240
8.2　指令模板 241
8.2.1　模板名称 242
8.2.2　RTL模板 246
8.2.3　条件 256
8.2.4　输出模板 256
8.2.5　属性 256
8.3　定义RTL序列 257
8.4　指令拆分 263
8.5　枚举器 266
8.5.1　mode枚举器 266
8.5.2　code枚举器 268
8.6　窥孔优化 269
8.6.1　define_peephole 269
8.6.2　define_peephole2 270
8.7　小结 271
第9章　机器描述文件${target}.[ch] 272
9.1　targetm 272
9.1.1　struct gcc_target的定义 273
9.1.2　targetm的初始化 277
9.2　编译驱动及选项 279
9.2.1　编译选项 280
9.2.2　SPEC语言及SPEC文件 281
9.2.3　机器相关的编译选项 285
9.3　存储布局 286
9.3.1　位顺序和字节顺序 286
9.3.2　类型宽度 287
9.3.3　机器模式提升 287
9.3.4　存储对齐 288
9.3.5　编程语言中数据类型的存储布局 289
9.4　寄存器使用 290
9.4.1　寄存器的基本描述 290
9.4.2　寄存器分配顺序 297
9.4.3　机器模式 298
9.4.4　寄存器类型 300
9.5　堆栈及函数调用规范描述 307
9.5.1　堆栈的基本特性 309
9.5.2　寄存器消除 313
9.5.3　函数栈帧的管理 315
9.5.4　参数传递 316
9.5.5　函数返回值 318
9.5.6　i386机器栈帧 318
9.6　寻址方式 325
9.7　汇编代码分区 326
9.8　定义输出的汇编语言 333
9.8.1　汇编代码文件的框架 333
9.8.2　数据输出 336
9.8.3　未初始化数据输出 336
9.8.4　标签输出 338
9.8.5　指令输出 342
9.9　机器描述信息的提取 343
9.9.1　gencode.c 347
9.9.2　genattr.c 348
9.9.3　genattrtab.c 348
9.9.4　genrecog.c 349
9.9.5　genflag.c 352
9.9.6　genemit.c 353
9.9.7　genextract.c 354
9.9.8　genopinit.c 356
9.9.9　genoutput.c 360
9.9.10　genpreds.c 362
9.9.11　其他 363
9.10　小结 364
第10章　从GIMPLE到RTL 365
10.1　GIMPLE序列 365
10.2　典型数据结构 366
10.3　RTL生成的基本过程 367
10.3.1　变量展开 370
10.3.2　参数及返回值处理 380
10.3.3　初始块的处理 395
10.3.4　基本块的RTL生成 398
10.3.5　退出块的处理 410
10.3.6　其他处理 411
10.4　GIMPLE语句转换成RTL 411
10.4.1　GIMPLE语句转换的一般过程 412
10.4.2　GIMPLE_GOTO语句的RTL生成 415
10.4.3　GIMPLE_ASSIGN语句的RTL生成 417
10.5　小结 432
第11章　RTL处理及优化 433
11.1　RTL处理过程 433
11.2　特殊虚拟寄存器的实例化 435
11.3　指令调度 437
11.3.1　指令调度算法 439
11.3.2　GCC指令调度的实现 440
11.3.3　指令调度实例1 442
11.3.4　指令调度实例2 459
11.4　统一寄存器分配 460
11.4.1　基本术语 461
11.4.2　寄存器分配的主要流程 463
11.4.3　代码分析 466
11.4.4　寄存器分配实例1 468
11.4.5　寄存器分配实例2 483
11.5　汇编代码生成 494
11.5.1　汇编代码文件的结构 495
11.5.2　从RTL到汇编代码 499
11.6　小结 502
第12章　支持新的目标处理器 503
12.1　GCC移植 503
12.2　PAAG处理器 504
12.2.1　PAAG处理器指令集 505
12.2.2　应用二进制接口 505
12.3　GCC移植的基本步骤 506
12.4　PAAG机器描述文件（paag.md） 507
12.5　paag.[ch]文件 512
12.5.1　存储布局 512
12.5.2　寄存器使用规范 513
12.5.3　堆栈布局及堆栈指针 514
12.5.4　函数调用规范 515
12.5.5　寻址方式 519
12.5.6　汇编代码输出 521
12.5.7　杂项 523
12.6　PAAG后端注册 523
12.7　GCC移植测试 524
12.8　小结 526
参考文献 527
索引 529

前言/序言

　　前　　言　　GCC（GNU Compiler Collection，GNU编译器套件）是一套由GNU开发的程序设计语言编译工具，是GNU工程中最重要的组成部分。经过近30年的发展，GCC不仅支持众多的前端编程语言，还支持各种主流的处理器平台和操作系统平台，成为公认的跨平台编译器的事实标准，也成为编译器设计的成功典范。　　作为一名GCC编译器的使用者和源码阅读的爱好者，我一直想写一本关于GCC的技术书。　　2002年，我开始在Linux系统上进行一些软件开发，GCC就是我使用的编译工具。我一直对从源代码到目标代码的转换过程充满好奇，想知道在这个过程中GCC到底都做了些什么？GCC是如何设计的，那些成千上万个GCC的源代码文件都表示了什么意义？那时我常常幻想，要是能透彻地分析和理解GCC源代码，多好！从那时起，在教学科研之余，我偶尔会翻阅一下GCC的相关源代码，可是看着繁多的GCC源代码，也常常感觉手足无措，真有一种“老虎吃天，无法下爪”的尴尬。于是分析GCC源代码的事情被搁置了，然而那种一探究竟的心情总是挥之不去。　　2012年开始，我有了较多的闲暇时间，在经过一段彷徨之后，分析GCC源代码的冲动又一次浮现在脑海。我知道，这次是要来真的了，我要做点自己喜欢的事。　　Why？我有空余时间了，我要干些自己感兴趣的事情。在我创建的GCC爱好者交流群中经常有朋友问，有没有介绍GCC的资料呀？大多人都会说，有——请看官方文档！我也去看了看，没错，GCC有比较详细的官方文档，包括gccinternal及用户手册等。然而，这些文档的内容庞杂，缺乏系统分析GCC设计框架和工作流程的内容，并且大多的内容对读者来讲都是零散的，让初学者无所适从。于是我想，为什么不分析一下GCC系统，把GCC的设计实现用一种更清晰明了、更系统的方法介绍给GCC的爱好者呢？What？本书将围绕GCC编译过程，详细介绍从源代码到AST、从AST到GIMPLE、从GIMPLE到RTL，以及从RTL到最终的目标机器汇编代码的详细过程，涉及各个阶段中间表示的详细分析、生成过程。本书提供了大量的图表和实例，展示了GCC编译系统的总体工作流程和工作细节。本书的另外一个特点是结合GCC 4.4.0的源代码进行分析，使读者在了解编译原理的基础上进一步掌握其实现的总体流程和细节，让更多读者对编译技术的认识不再只停留在理论层面，而是向其展示一个编译系统实例的实现过程。　　How？GCC源代码涉及的内容非常庞杂，很难在一本书中全面描述，因此本书以GCC中间表示为主线，详细分析GCC从源代码开始，直到生成目标机器汇编代码的整个过程中所使用的三种中间表示（AST、GIMPLE及RTL），并对这三种中间表示的基本概念、生成过程进行详细的描述，对基于GIMPLE和RTL的优化处理进行介绍，从而描述一条从源代码到目标机器汇编代码的清晰路线图。　　Who？本书以热爱编译系统理论及其实现的在校大学生、研究生为主要读者对象，也可以作为企业中研发编译系统以及进行编译系统移植的研发工程师的有益参考。　　在编写这本书的时候，有一种精神支撑着我，我相信“兴趣”加上“坚持”就是胜利！分析GCC不是一年半载的事情，需要3年、5年，甚至更长时间，不过我可以坚持，我要用我的坚持换来对GCC的深入分析，让更多的GCC爱好者熟悉它、接触它、了解它，更多地参与GCC的开发与维护。　　感谢我的爱人和孩子，给了我家的温暖和亲情。感谢病榻上的父亲，虽然他不能和我说话，但他那一双大手，依然经常抚摸在我的头上。感谢年老体弱的母亲，感谢她一直照顾我的父亲，让我知道什么是坚持，什么是不离不弃！感谢西安邮电大学GPU项目组的各位同事在本书的写作中提出的宝贵建议。　　本书的写作得到国家自然科学基金重点项目（项目编号：61136002）以及陕西省教育厅科研计划项目（项目编号：14JK1674）资助。　　鉴于作者水平有限，在分析和写作本书的过程中也引入了一些个人观点，因此难免有一些理解的偏差和错误，敬请读者批评指正并不吝赐教，如有意见和建议，请联系作，在此一并感谢！　　王亚刚2016年10月于西安邮电大学

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