摘要：本文探討了在計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)快速發(fā)展的情況下，高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)編譯原理課程的改革問(wèn)題。提出了編譯原理課程教學(xué)模型從過(guò)程式向?qū)ο笫降霓D(zhuǎn)變、編譯程序的面向?qū)ο髽?gòu)造（包括編譯算法的描述）等問(wèn)題，以及由此帶來(lái)的教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整和課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：編譯程序；教學(xué)改革；對(duì)象式程序設(shè)計(jì)；Java

1 引言

編譯原理課程是高校計(jì)算機(jī)類專業(yè)的重要基礎(chǔ)和骨干課程。編譯原理對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生的重要性與高等數(shù)學(xué)對(duì)理科學(xué)生的重要性幾乎可以相提并論。同時(shí)，由于這門(mén)課程涉及其他多門(mén)課程的知識(shí)，使得它成為大學(xué)階段中最難學(xué)的課程之一。

從表面上看，編譯程序是將高級(jí)語(yǔ)言源程序翻譯成低級(jí)語(yǔ)言程序，但編譯程序構(gòu)造的基本原理和技術(shù)也廣泛應(yīng)用于一般軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，其中的設(shè)計(jì)思想、算法、思維方式和技術(shù)都可能會(huì)對(duì)學(xué)生今后的職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生比較大的影響。

當(dāng)今，程序設(shè)計(jì)已經(jīng)基本上從傳統(tǒng)的過(guò)程式轉(zhuǎn)向?qū)ο笫?，并且正在從?duì)象式轉(zhuǎn)向組件型。這其實(shí)是程序設(shè)計(jì)范型的變遷，是在計(jì)算機(jī)技術(shù)背景下認(rèn)識(shí)世界的觀點(diǎn)的變化：過(guò)程式將完成事務(wù)看成是一系列的步驟，而對(duì)象式卻將世界看成是由一系列對(duì)象組成的，這些對(duì)象之間交互合作完成特定的事務(wù)。從過(guò)程式到對(duì)象式，有著質(zhì)的變化，而非一般的修改和完善，由此帶來(lái)了語(yǔ)言（算法描述工具）的變化。編程語(yǔ)言影響思維，面向?qū)ο蟮乃季S方法又促進(jìn)了編程語(yǔ)言的發(fā)展。

目前，程序設(shè)計(jì)的一些后繼課程，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等都進(jìn)行了同步跟進(jìn)，出現(xiàn)了諸如用C++或Java描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教材。但編譯原理課程卻沒(méi)有及時(shí)跟進(jìn)，上述改變基本上沒(méi)有反映到編譯原理課程中。這門(mén)課程近20年來(lái)基本上沒(méi)有大的變化，教學(xué)內(nèi)容仍然是基于過(guò)程式語(yǔ)言展開(kāi)的，編譯算法和模型描述是用PASCAL語(yǔ)言或者C語(yǔ)言。雖然個(gè)別教材加入了少量關(guān)于對(duì)象式語(yǔ)言編譯技術(shù)的內(nèi)容，那也是稍加點(diǎn)綴而已，作用不大。這就造成了一種奇怪的現(xiàn)象：對(duì)象式語(yǔ)言已經(jīng)成了高校計(jì)算機(jī)教學(xué)的主流語(yǔ)言，社會(huì)上大量使用的也是對(duì)象式語(yǔ)言，而我們的編譯原理教學(xué)仍然沿襲舊的一套。這種“狀態(tài)”嚴(yán)重地脫離了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的實(shí)際需要，因此需要進(jìn)行“調(diào)態(tài)”，其根本做法是“轉(zhuǎn)型”，即將本課程的討論對(duì)象從過(guò)程式語(yǔ)言轉(zhuǎn)到對(duì)象式語(yǔ)言。

國(guó)外近年關(guān)于編譯原理方面的新教材已經(jīng)有了重要改變，不再連篇累牘地討論那些已經(jīng)過(guò)時(shí)的內(nèi)容，增加了許多新的內(nèi)容。其中一個(gè)重大改變是出現(xiàn)了用對(duì)象式語(yǔ)言描述編譯算法和教學(xué)模型的編譯原理教材，如：用Java語(yǔ)言描述的編譯原理教材，且其教學(xué)模型為MiniJava。

這種改變也涉及到課程上機(jī)實(shí)踐。眾所周知，編譯原理課程的學(xué)術(shù)性和實(shí)踐性都很強(qiáng)：學(xué)術(shù)性是這門(mén)課程的生命所在，實(shí)踐性是這門(mén)課程的活力所在。因而本課程的上機(jī)實(shí)踐也要作同步調(diào)整。

2 課程內(nèi)容圍繞對(duì)象式語(yǔ)言展開(kāi)

研究程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法描述需要有文法理論的支持，老教材中文法、詞法分析和語(yǔ)法分析部分內(nèi)容基本上不需要作什么變動(dòng)。詞法分析主要依賴有窮狀態(tài)自動(dòng)機(jī)理論，語(yǔ)法分析主要講述LL方法和LR方法，其他方法略做介紹即可，無(wú)需展開(kāi)討論。LL方法和LR方法含蓋了許多分析技術(shù)，理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)，完全可以代表主流技術(shù)。

重要的就是研究對(duì)象和教學(xué)模型的改變。首先，研究對(duì)象將從過(guò)程式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言轉(zhuǎn)到對(duì)象式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（當(dāng)然還可以兼顧過(guò)程式），例如Java、C＋＋等，圍繞實(shí)現(xiàn)這類語(yǔ)言的編譯實(shí)現(xiàn)技術(shù)展開(kāi)討論。對(duì)象式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的要素是封裝、繼承、多態(tài)性，在編譯實(shí)現(xiàn)時(shí)都必須仔細(xì)考慮。其次，涉及到對(duì)象式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編譯程序教學(xué)的模型選擇問(wèn)題。目前傳統(tǒng)的教材選擇的教學(xué)模型有PL/0、Tini C等。實(shí)踐證明，圍繞某個(gè)模型展開(kāi)編譯設(shè)計(jì)技術(shù)的討論，效果是比較好的。課程研究對(duì)象和教學(xué)模型的改變涉及到調(diào)整的章節(jié)主要有語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析、代碼生成、符號(hào)表管理、存貯分配等方面。

一旦我們討論的模型發(fā)生變化，這些章節(jié)的內(nèi)容就要作很大調(diào)整。如對(duì)象式語(yǔ)言的作用域規(guī)則、語(yǔ)言動(dòng)態(tài)特性、模塊化封裝（類）、類的繼承、多態(tài)性的實(shí)現(xiàn)等，都需要具體的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些都要反映在教材和教學(xué)中。

就課程中關(guān)于代碼生成內(nèi)容來(lái)看，目前Java編譯程序生成Java虛擬機(jī)(JVM)代碼，C#生成MSIL虛擬機(jī)代碼。這兩個(gè)虛擬機(jī)作為教學(xué)模型來(lái)說(shuō)可能比較復(fù)雜了一些，在教學(xué)中可以選定一個(gè)簡(jiǎn)單的子集；或者在PL/0虛擬機(jī)上適當(dāng)增加一些指令代碼，以便于代碼生成、存貯分配等部分的講解。

實(shí)踐證明，作為教學(xué)模型，在教材上提供一個(gè)小型語(yǔ)言的編譯程序供學(xué)生分析和研究，非常有利于加深對(duì)基本原理的理解和掌握。這個(gè)小型編譯程序可以比較小但應(yīng)該能夠說(shuō)明一些基本問(wèn)題，例如傳統(tǒng)的編譯原理課程中選擇PL/0編譯程序作為教學(xué)模型，就收到了比較好的教學(xué)效果。在對(duì)象式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編譯原理課程中選擇Object-pl/0或者M(jìn)iniJava作為教學(xué)模型是比較恰當(dāng)?shù)?。前者是在傳統(tǒng)的PL/0語(yǔ)言上增加類，補(bǔ)充封裝、繼承、多態(tài)性之語(yǔ)言成分得到的；后者是對(duì)Java語(yǔ)言進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化得到的，其主要語(yǔ)法描述如圖1所示。

圖1MiniJava語(yǔ)法

編譯原理課程可以圍繞此模型展開(kāi)討論。國(guó)外已經(jīng)有這類教材出現(xiàn)，并且不少大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始使用。

3 用對(duì)象式語(yǔ)言描述編譯算法和教學(xué)模型

本課程中各類編譯算法都應(yīng)該伴隨著教學(xué)模型的變化，改用對(duì)象式語(yǔ)言來(lái)描述，如用Java語(yǔ)言描述或者用C＋＋語(yǔ)言描述。其中一個(gè)重大的變化是教學(xué)模型如MiniJava或Object-pl/0要用對(duì)象式語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，也就是提出了教學(xué)模型的面向?qū)ο髽?gòu)造問(wèn)題，這就比較好地將討論對(duì)象和描述討論對(duì)象的語(yǔ)言統(tǒng)一起來(lái)了。國(guó)外有的教材就選擇了用Java描述MiniJava編譯程序。

編譯程序是一個(gè)重要的中大型軟件，傳統(tǒng)的編譯程序大都是用PASCAL、C等語(yǔ)言描述的（參見(jiàn)圖2）。像編譯程序這樣的中大型程序如何用類這個(gè)工具來(lái)進(jìn)行分解，其實(shí)是對(duì)學(xué)生的對(duì)象式程序設(shè)計(jì)能力的一個(gè)重要檢驗(yàn)。學(xué)習(xí)用對(duì)象式語(yǔ)言來(lái)描述編譯程序，學(xué)生可能會(huì)受到一次嚴(yán)格的對(duì)象式語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練，編譯程序如何用類這個(gè)工具進(jìn)行分解，這些類（對(duì)象）如何合作完成編譯任務(wù)，都需要較好的對(duì)象式程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。圖3是一個(gè)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言文法的面向?qū)ο蟊硎尽?/p>

傳統(tǒng)的編譯程序構(gòu)造主要存在如下一些問(wèn)題：

（1）傳統(tǒng)編譯程序試圖通過(guò)將編譯程序根據(jù)功能模塊分解，而使整個(gè)編譯程序的復(fù)雜性降低。這種方法雖然在一定程度上簡(jiǎn)化了編譯過(guò)程。但為了處理大型、復(fù)雜且多變的編譯程序，僅僅將它按照功能分解成詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義處理和代碼生成幾個(gè)階段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

（2）傳統(tǒng)的編譯程序構(gòu)造中，編譯的每個(gè)階段依然是大型、復(fù)雜的，且每個(gè)階段內(nèi)部依然存在復(fù)雜的聯(lián)系，這對(duì)編譯程序的可維護(hù)性沒(méi)有實(shí)際上的改變，反而造成維護(hù)困難。

（3）雖然傳統(tǒng)的編譯程序構(gòu)造有著豐富的理論基礎(chǔ)，也有一些工具諸如Lex、Yacc等，但對(duì)一個(gè)具體的編譯程序的構(gòu)造仍然要從最基本的描述開(kāi)始。傳統(tǒng)的編譯程序構(gòu)造的功能分解方法缺乏支持復(fù)用的良好機(jī)制。

總之，過(guò)程式程序設(shè)計(jì)范式存在的問(wèn)題在編譯程序設(shè)計(jì)中廣泛存在。而用對(duì)象式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)描述編譯程序，則對(duì)象式程序設(shè)計(jì)范式帶來(lái)的好處基本上都能夠得到。具體主要表現(xiàn)在：

（1）編譯程序效率高。由于面向?qū)ο蟮木幾g程序構(gòu)造采用的是語(yǔ)法樹(shù)構(gòu)造法，可以得到上下文相關(guān)信息，并根據(jù)上下文進(jìn)行語(yǔ)法樹(shù)的優(yōu)化，所以生成的代碼效率高。

（2）復(fù)用方便。由于語(yǔ)法類和具體的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)，所以在復(fù)用語(yǔ)法結(jié)構(gòu)時(shí)，可以直接得到能被復(fù)用的語(yǔ)法類，不需要經(jīng)過(guò)查找過(guò)程。

（3）修改方便。由于面向?qū)ο蠓椒ㄖ械姆庋b和多態(tài)等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，語(yǔ)義處理方法中所用到的數(shù)據(jù)都是局部數(shù)據(jù)，因此要做語(yǔ)義修改時(shí)，只要繼承相應(yīng)的語(yǔ)法類，并且重載相應(yīng)的語(yǔ)義處理方法即可，需修改的內(nèi)容較之傳統(tǒng)方法要少。

（4）有利于構(gòu)造編譯程序類庫(kù)，使得編譯程序的構(gòu)造能夠大量復(fù)用已有的類，這是更高層次上的復(fù)用。

4 課程實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)學(xué)科是一門(mén)技術(shù)學(xué)科，它雖然有一定的科學(xué)的成分，但工程技術(shù)的成分更多一些，因此需要加強(qiáng)動(dòng)手能力的培養(yǎng)。編譯原理課程除了注重它的原理性，還必須注重其實(shí)踐性。學(xué)習(xí)這門(mén)課程時(shí)，學(xué)生對(duì)編譯的理解往往只停留在書(shū)本的概念上，而不知道怎樣把編譯理論應(yīng)用到實(shí)際的編譯程序設(shè)計(jì)的實(shí)踐中。另外，有些學(xué)校只將教學(xué)內(nèi)容鎖定在文法、詞法分析（有窮狀態(tài)自動(dòng)機(jī)）、語(yǔ)法分析（LL、LR文法）上，以應(yīng)付學(xué)生考研的需要。這些做法使得學(xué)生很難掌握這門(mén)課程的精髓。

圖2傳統(tǒng)的編譯程序功能分解

圖3程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言文法的面向?qū)ο蟊硎?/p>

編譯系統(tǒng)可能是所有軟件系統(tǒng)中最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，通過(guò)本課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)，還可以幫助學(xué)生掌握一些大、中型軟件設(shè)計(jì)的技術(shù)和技巧，提高學(xué)生面向?qū)ο筌浖_(kāi)發(fā)的綜合能力。

傳統(tǒng)的編譯原理課程往往要求學(xué)生自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)詞法分析程序；實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于遞歸子程序遞歸下降分析程序或基于預(yù)測(cè)分析表的語(yǔ)法分析程序；為某虛擬機(jī)（例如PL/0虛擬機(jī)）生成代碼；對(duì)教學(xué)模型（例如PL/0）進(jìn)行擴(kuò)充，寫(xiě)出完整的編譯程序等。且在此過(guò)程中學(xué)生可以借助詞法分析自動(dòng)生成程序Lex和語(yǔ)法分析自動(dòng)生成程序Yacc進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)。我們要求學(xué)生通過(guò)對(duì)教學(xué)模型的分析，能夠在機(jī)器上動(dòng)手實(shí)現(xiàn)一個(gè)小的編譯系統(tǒng)，以加深對(duì)編譯整個(gè)過(guò)程的一致性、連貫性、整體性的理解。

一旦我們的討論對(duì)象改變?yōu)閷?duì)象式語(yǔ)言，則其編譯程序語(yǔ)法和詞法分析的自動(dòng)生成不能再采用Lex、Yacc這類工具了，需要改用JavaCC(Java Compiler Compiler)或SableCC等，它們都能生成Java語(yǔ)言代碼；或者使用Jikespg(Jikes paser gernerator)，它生成C++代碼。

我們初步制定了本課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，它主要分四個(gè)層次：

（1）借助JavaCC或SableCC等工具讓學(xué)生自動(dòng)生成小語(yǔ)言的詞法分析和語(yǔ)法分析程序。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是教會(huì)學(xué)生關(guān)于詞法分析和語(yǔ)法分析的自動(dòng)生成，同時(shí)弄清這些工具生成出來(lái)的代碼的程序結(jié)構(gòu)，特別是面向?qū)ο蟮念惤Y(jié)構(gòu)。

（2）為上面生成的語(yǔ)法樹(shù)添加語(yǔ)義動(dòng)作，完成生成代碼的工作。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生理解如何在抽象語(yǔ)法樹(shù)上添加語(yǔ)義動(dòng)作，理解為虛擬機(jī)生成代碼的知識(shí)。

（3）擴(kuò)展教學(xué)模型，如MiniJava，為其增加一些語(yǔ)言成分，如有關(guān)語(yǔ)句等，然后為其構(gòu)造完整的編譯程序。這一實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生把握編譯的總體，弄清各部分之間的關(guān)系。

（4）逐步構(gòu)造面向?qū)ο蟮木幾g程序類庫(kù)，使得“編寫(xiě)”編譯程序逐步走向“組裝”編譯程序。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)計(jì)算機(jī)人才的層次結(jié)構(gòu)、知識(shí)、能力與素質(zhì)等方面的要求在很大程度上取決于計(jì)算機(jī)市場(chǎng)。我們需要與時(shí)俱進(jìn)，適時(shí)考慮相應(yīng)教學(xué)體系和內(nèi)容的改變。依賴過(guò)程范性的編譯原理課程勢(shì)必要被依賴對(duì)象范性的編譯原理課程所取代，這是軟件技術(shù)發(fā)展和社會(huì)實(shí)際應(yīng)用的需要。但建立本課程新的課程信念、課程價(jià)值、課程技術(shù)等尚需時(shí)日，需要不斷探索和創(chuàng)新。

編譯原理課程的改革不僅需要教師付出大量辛勤勞動(dòng)，及時(shí)跟進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，還需要好的教材、好的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)?！秾?duì)象式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編譯原理》便是我們按照上述思路來(lái)編寫(xiě)的教材。

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