编译器设计 | 三地址码循环检测

什么是三地址码

三地址码指的是一种中间代码。它的名字表示每条指令最多包含三个地址。这些地址可以是变量、常量或是标号。在三地址码中，操作符也会被分解成一组简单的操作符。三地址码是编译器在对源代码进行分析、优化等操作时产生的重要中间结果。

以下是一些常见的三地址码指令：

t1 = a + b;       // 加法
t2 = t1 * c;      // 乘法
a[0] = t2;        // 存储
if t2 == 4 goto L; // 条件跳转

什么是循环检测

在编写程序时，循环是常有的。循环被破环的情况常会导致严重的问题。循环检测就是检查循环中是否存在破环的情况。而在三地址码的中间代码层面上，循环的检测可以通过对循环中的语句进行分析来实现。

循环检测通常有两种方式：静态循环检测和动态循环检测。静态循环检测是指在编译过程中检测循环是否会进行不恰当的行为。而动态循环检测则是指在程序运行过程中监测循环的行为。

三地址码循环检测

三地址码的循环检测通常采用静态循环检测的方式。为了实现循环检测，需要进行以下操作：

1. 构造控制流图(Control-Flow-Graph, CFG)；
2. 识别循环；
3. 分析循环，检测循环是否产生不恰当的行为。

构造控制流图

构造控制流图是循环检测的第一步。控制流图描述了程序在执行过程中的流程。对于三地址码，控制流图中的基本块由连续的三地址码指令组成，并且中间不存在跳转语句。控制流图中的节点表示了基本块，而边则表示了基本块之间的流程。

以下是一个具有两个基本块的控制流图的示例：

t1 = a + b;
if t1 > c goto L1;
t2 = t1 * d;
goto L2;
L1: t2 = t1 * e;
L2: a[0] = t2;

识别循环

识别循环是循环检测的第二步。为了识别循环，需要对控制流图进行遍历。一般来说，图中能回到自己的基本块组成的路径就是一个自然循环。一个自然循环通常满足以下条件：

1. 循环的头的出边只有一条，指向循环体；
2. 循环的尾的入边只有一条，来自循环体。

以下是控制流图中一个自然循环的示例：

while (i < n) {
    a[i] = b[i] + c[i];
    i = i + 1;
}

分析循环

分析循环是循环检测的最后一步。在分析循环时，需要检查循环中是否出现了不恰当的行为。通常需要分析循环中的赋值语句，确保它们会在循环结束前完成。

以下是一些循环中可能出现的不恰当的行为：

1. 循环中的赋值语句导致任意的交错；
2. 循环中的操作涉及到了不同的引用变量；
3. 循环中的限制变量可能永远不会改变。

总结

三地址码循环检测在编译器设计中扮演了重要的角色。循环检测的实现需要分析三地址码指令，构造控制流图，识别循环及检测循环中是否出现不恰当的行为。这些操作共同构筑了编译器对源代码的优化和分析能力。