MiniC 编译器

一个支持 MiniC 语言子集的完整编译器，覆盖从词法/语法分析到 RISC-V64 汇编代码生成的完整编译流水线。

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1. 已实现功能概览

1.1 前端（Frontend）

前端使用 ANTLR4 解析器，基于 Adaptive LL(*) 技术构建。

支持的语言特性

特性	说明
全局变量	int 类型，支持初始化赋值
局部变量	int 类型，可在语句块任意位置声明
多函数定义	支持多个函数，返回值为 int，暂不支持形参
算术运算	+ - * / %
一元运算符	+ - !
比较运算符	== != < > <= >=
逻辑运算符	&& ||
控制流	if / if-else / while / break / continue
赋值语句	不支持连续赋值
语句块	支持嵌套语句块和变量分层作用域
整数字面量	支持十进制、八进制（0 前缀）、十六进制（0x 前缀）
注释	单行注释 // 和块注释 /* */
内置函数	putint 等

文法（ANTLR4 EBNF）

compileUnit: (funcDef | varDecl)* EOF;
funcDef:     T_INT T_ID T_L_PAREN T_R_PAREN block;
block:       T_L_BRACE blockItemList? T_R_BRACE;
blockItem:   statement | varDecl;
varDecl:     basicType varDef (T_COMMA varDef)* T_SEMICOLON;
varDef:      T_ID (T_ASSIGN expr)?;

statement:
    T_RETURN expr T_SEMICOLON                                    # returnStatement
  | lVal T_ASSIGN expr T_SEMICOLON                              # assignStatement
  | T_IF T_L_PAREN expr T_R_PAREN statement (T_ELSE statement)? # ifStatement
  | T_WHILE T_L_PAREN expr T_R_PAREN statement                  # whileStatement
  | T_BREAK T_SEMICOLON                                          # breakStatement
  | T_CONTINUE T_SEMICOLON                                       # continueStatement
  | block                                                        # blockStatement
  | expr? T_SEMICOLON                                            # expressionStatement;

expr:    lOrExp;
lOrExp:  lAndExp (T_LOR lAndExp)*;
lAndExp: eqExp (T_LAND eqExp)*;
eqExp:   relExp (eqOp relExp)*;
relExp:  addExp (relOp addExp)*;
addExp:  mulExp (addOp mulExp)*;
mulExp:  unaryExp (mulOp unaryExp)*;
unaryExp: primaryExp | T_ID T_L_PAREN realParamList? T_R_PAREN | unaryOp unaryExp;
primaryExp: T_L_PAREN expr T_R_PAREN | T_DIGIT | lVal;
lVal:    T_ID;

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1.2 中间表示（IR）

编译器构建了一套结构化块状 IR，并实现了以下能力：

模块	说明
结构化 IR 构建	以基本块（BasicBlock）为单位组织指令
AST Lowering	将 AST 直接降低为标准 LLVM 风格的非 SSA IR
LLVM IR 打印	LLVMIREmitter 将结构化 IR 输出为 LLVM IR 文本
支配树分析	DominatorTree：计算各基本块的支配关系
支配边界分析	DominanceFrontier：为 SSA 构造提供 φ 插入点
Mem2Reg	将 alloca/load/store 提升为 SSA φ 函数，完成 SSA 构造
Phi Lowering	将 SSA φ 函数降低为普通赋值，为后端做准备

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1.3 后端（Backend）

目前实现了 RISC-V64 目标平台的完整代码生成流水线：

模块	说明
指令选择	InstSelectorRiscV64：将 IR 指令映射到 RISC-V64 指令集
寄存器分配核心数据结构	活跃变量、干涉图等基础设施
活跃区间分析	LiveIntervalAnalysis：计算每个虚拟寄存器的活跃区间
贪心寄存器分配	GreedyRegAllocator：基于活跃区间的线性扫描贪心分配
溢出策略	HeuristicSpillStrategy：启发式寄存器溢出决策

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2. 项目结构

compiler-lite/
├── frontend/
│   ├── antlr4/
│   │   ├── MiniC.g4              # ANTLR4 文法定义
│   │   ├── Antlr4CSTVisitor.cpp  # CST → AST 访问者
│   │   └── Antlr4Executor.cpp    # ANTLR4 前端入口
│   ├── AST.h / AST.cpp           # AST 节点定义
│   └── lowering/                 # AST → IR 降低
├── ir/
│   ├── BasicBlock.h/cpp          # 基本块
│   ├── Function.h/cpp            # 函数
│   ├── Instruction.h/cpp         # IR 指令
│   ├── LLVMIREmitter.h/cpp       # LLVM IR 文本输出
│   ├── analysis/
│   │   ├── DominatorTree         # 支配树
│   │   └── DominanceFrontier     # 支配边界
│   └── passes/
│       ├── Mem2Reg               # mem2reg 优化趟
│       └── PhiLowering           # Phi 降低
├── backend/
│   └── riscv64/
│       ├── InstSelectorRiscV64   # 指令选择
│       ├── GreedyRegAllocator    # 贪心寄存器分配
│       ├── LiveIntervalAnalysis  # 活跃区间分析
│       ├── HeuristicSpillStrategy# 溢出策略
│       └── ILocRiscV64           # RISC-V64 伪指令
├── symboltable/                  # 符号表 & 作用域栈
├── utils/                        # 公共工具
├── tests/                        # 测试用例
└── tools/                        # 测试脚本

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3. 构建方法

依赖：cmake、ninja、clang++（或 g++）

# 清理旧缓存（如果需要）
rm -f build/CMakeCache.txt
rm -rf build/CMakeFiles

# 配置并构建
cmake -B build -S . -G Ninja -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug -DCMAKE_CXX_COMPILER=clang++
cmake --build build --parallel

# 验证构建结果
ls -l ./build/minic
./build/minic --help

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4. 使用方法

# 输出 LLVM IR 文本
./build/minic -S -I -o output.ll input.c

# 输出 RISC-V64 汇编（默认目标架构）
./build/minic -S -O1 -t RISCV64 -o output.rv64.s input.c

# 输出 AST 可视化图片
./build/minic -S -T -o output.png input.c

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5. 测试

5.1 本地测试脚本

# 运行 2023 功能测试集（ANTLR 前端 + RISC-V64 汇编验证）
bash ./tools/run-local-riscv64-tests.sh 2023

# 运行单个测试用例
bash ./tools/run-local-riscv64-tests.sh 2023_func_00_main

# LLVM IR 模式验证（通过 IRCompiler 解释执行）
MINIC_TEST_MODE=llvmir bash ./tools/run-local-tests.sh 2023

# ASM 模式验证（ARM 交叉编译 + qemu）
MINIC_TEST_MODE=asm bash ./tools/run-local-tests.sh 2023

5.2 已通过测试

参考 测试结果说明 文档，包含 CI 和 COJ 上的测试结果统计。

6. 手动完整链路示例

LLVM IR + IRCompiler 解释执行

./build/minic -S -I -o /tmp/test.ir ./tests/2023_function/2023_func_00_main.c
./tools/IRCompiler/Linux-x86_64/Ubuntu-22.04/IRCompiler -R /tmp/test.ir
printf "\nEXIT=%s\n" $?

RISC-V64 汇编 + qemu 运行

./build/minic -S -O1 -t RISCV64 -o /tmp/test.rv64.s ./tests/2023_function/2023_func_00_main.c
riscv64-linux-gnu-gcc -static -o /tmp/test.rv64 /tmp/test.rv64.s ./tests/std.c
qemu-riscv64-static /tmp/test.rv64
printf "\nEXIT=%s\n" $?

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7. 打包源码

cd build
cpack --config CPackSourceConfig.cmake