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#include "rvcc.h"
// 输出文件
static FILE *OutputFile;
// 记录栈深度
static int Depth;
// 用于函数参数的寄存器们
static char *ArgReg[] = {"a0", "a1", "a2", "a3", "a4", "a5"};
// 当前的函数
static Obj *CurrentFn;
static void genExpr(Node *Nd);
static void genStmt(Node *Nd);
// 输出字符串到目标文件并换行
static void printLn(char *Fmt, ...) {
va_list VA;
va_start(VA, Fmt);
vfprintf(OutputFile, Fmt, VA);
va_end(VA);
fprintf(OutputFile, "\n");
}
// 代码段计数
static int count(void) {
static int I = 1;
return I++;
}
// 压栈,将结果临时压入栈中备用
// sp为栈指针,栈反向向下增长,64位下,8个字节为一个单位,所以sp-8
// 当前栈指针的地址就是sp,将a0的值压入栈
// 不使用寄存器存储的原因是因为需要存储的值的数量是变化的。
static void push(void) {
printLn(" # 压栈,将a0的值存入栈顶");
printLn(" addi sp, sp, -8");
printLn(" sd a0, 0(sp)");
Depth++;
}
// 弹栈,将sp指向的地址的值,弹出到a1
static void pop(char *Reg) {
printLn(" # 弹栈,将栈顶的值存入%s", Reg);
printLn(" ld %s, 0(sp)", Reg);
printLn(" addi sp, sp, 8");
Depth--;
}
// 对齐到Align的整数倍
int alignTo(int N, int Align) {
// (0,Align]返回Align
return (N + Align - 1) / Align * Align;
}
// 计算给定节点的绝对地址
// 如果报错,说明节点不在内存中
static void genAddr(Node *Nd) {
switch (Nd->Kind) {
// 变量
case ND_VAR:
if (Nd->Var->IsLocal) { // 偏移量是相对于fp的
printLn(" # 获取局部变量%s的栈内地址为%d(fp)", Nd->Var->Name,
Nd->Var->Offset);
printLn(" addi a0, fp, %d", Nd->Var->Offset);
} else {
printLn(" # 获取全局变量%s的地址", Nd->Var->Name);
printLn(" la a0, %s", Nd->Var->Name);
}
return;
// 解引用*
case ND_DEREF:
genExpr(Nd->LHS);
return;
// 逗号
case ND_COMMA:
genExpr(Nd->LHS);
genAddr(Nd->RHS);
return;
// 结构体成员
case ND_MEMBER:
genAddr(Nd->LHS);
printLn(" # 计算成员变量的地址偏移量");
printLn(" li t0, %d", Nd->Mem->Offset);
printLn(" add a0, a0, t0");
return;
default:
break;
}
errorTok(Nd->Tok, "not an lvalue");
}
// 加载a0指向的值
static void load(Type *Ty) {
if (Ty->Kind == TY_ARRAY || Ty->Kind == TY_STRUCT || Ty->Kind == TY_UNION)
return;
printLn(" # 读取a0中存放的地址,得到的值存入a0");
if (Ty->Size == 1)
printLn(" lb a0, 0(a0)");
else if (Ty->Size == 2)
printLn(" lh a0, 0(a0)");
else if (Ty->Size == 4)
printLn(" lw a0, 0(a0)");
else
printLn(" ld a0, 0(a0)");
}
// 将栈顶值(为一个地址)存入a0
static void store(Type *Ty) {
pop("a1");
if (Ty->Kind == TY_STRUCT || Ty->Kind == TY_UNION) {
printLn(" # 对%s进行赋值", Ty->Kind == TY_STRUCT ? "结构体" : "联合体");
for (int I = 0; I < Ty->Size; ++I) {
printLn(" li t0, %d", I);
printLn(" add t0, a0, t0");
printLn(" lb t1, 0(t0)");
printLn(" li t0, %d", I);
printLn(" add t0, a1, t0");
printLn(" sb t1, 0(t0)");
}
return;
}
printLn(" # 将a0的值,写入到a1中存放的地址");
if (Ty->Size == 1)
printLn(" sb a0, 0(a1)");
else if (Ty->Size == 2)
printLn(" sh a0, 0(a1)");
else if (Ty->Size == 4)
printLn(" sw a0, 0(a1)");
else
printLn(" sd a0, 0(a1)");
};
// 类型枚举
enum { I8, I16, I32, I64 };
// 获取类型对应的枚举值
static int getTypeId(Type *Ty) {
switch (Ty->Kind) {
case TY_CHAR:
return I8;
case TY_SHORT:
return I16;
case TY_INT:
return I32;
default:
return I64;
}
}
// 类型映射表
// 先逻辑左移N位,再算术右移N位,就实现了将64位有符号数转换为64-N位的有符号数
static char i64i8[] =
" # 转换为i8类型\n"
" slli a0, a0, 56\n"
" srai a0, a0, 56";
static char i64i16[] =
" # 转换为i16类型\n"
" slli a0, a0, 48\n"
" srai a0, a0, 48";
static char i64i32[] =
" # 转换为i32类型\n"
" slli a0, a0, 32\n"
" srai a0, a0, 32";
// 所有类型转换表
static char *castTable[10][10] = {
// clang-format off
// 被映射到
// {i8, i16, i32, i64}
{NULL, NULL, NULL, NULL}, // 从i8转换
{i64i8, NULL, NULL, NULL}, // 从i16转换
{i64i8, i64i16, NULL, NULL}, // 从i32转换
{i64i8, i64i16, i64i32, NULL}, // 从i64转换
// clang-format on
};
// 类型转换
static void cast(Type *From, Type *To) {
if (To->Kind == TY_VOID) return;
if (To->Kind == TY_BOOL) {
printLn(" # 转为bool类型:为0置0,非0置1");
printLn(" snez a0, a0");
return;
}
// 获取类型的枚举值
int T1 = getTypeId(From);
int T2 = getTypeId(To);
if (castTable[T1][T2]) {
printLn(" # 转换函数");
printLn("%s", castTable[T1][T2]);
}
}
// 生成表达式
static void genExpr(Node *Nd) {
// .loc 文件编号 行号
printLn(" .loc 1 %d", Nd->Tok->LineNo);
// 生成各个根节点
switch (Nd->Kind) {
// 空表达式
case ND_NULL_EXPR:
return;
// 加载数字到a0
case ND_NUM:
printLn(" # 将%d加载到a0中", Nd->Val);
printLn(" li a0, %ld", Nd->Val);
return;
// 对寄存器取反
case ND_NEG:
genExpr(Nd->LHS);
// neg a0, a0是sub a0, x0, a0的别名, 即a0=0-a0
printLn(" # 对a0值进行取反");
printLn(" neg%s a0, a0", Nd->Ty->Size <= 4 ? "w" : "");
return;
// 变量
case ND_VAR:
case ND_MEMBER:
// 计算出变量的地址,然后存入a0
genAddr(Nd);
load(Nd->Ty);
return;
// 解引用
case ND_DEREF:
genExpr(Nd->LHS);
load(Nd->Ty);
return;
// 取地址
case ND_ADDR:
genAddr(Nd->LHS);
return;
// 赋值
case ND_ASSIGN:
// 左部是左值,保存值到的地址
genAddr(Nd->LHS);
push();
// 右部是右值,为表达式的值
genExpr(Nd->RHS);
store(Nd->Ty);
return;
// 语句表达式
case ND_STMT_EXPR:
for (Node *N = Nd->Body; N; N = N->Next) genStmt(N);
return;
// 逗号
case ND_COMMA:
genExpr(Nd->LHS);
genExpr(Nd->RHS);
return;
// 类型转换
case ND_CAST:
genExpr(Nd->LHS);
cast(Nd->LHS->Ty, Nd->Ty);
return;
// 内存清零
case ND_MEMZERO: {
printLn(" # 对%s的内存%d(fp)清零%d位", Nd->Var->Name, Nd->Var->Offset,
Nd->Var->Ty->Size);
// 对栈内变量所占用的每个字节都进行清零
for (int I = 0; I < Nd->Var->Ty->Size; I++)
printLn(" sb zero, %d(fp)", Nd->Var->Offset + I);
return;
}
// 条件运算符
case ND_COND: {
int C = count();
printLn("\n# =====条件运算符%d===========", C);
genExpr(Nd->Cond);
printLn(" # 条件判断,为0则跳转");
printLn(" beqz a0, .L.else.%d", C);
genExpr(Nd->Then);
printLn(" # 跳转到条件运算符结尾部分");
printLn(" j .L.end.%d", C);
printLn(".L.else.%d:", C);
genExpr(Nd->Els);
printLn(".L.end.%d:", C);
return;
}
// 非运算
case ND_NOT:
genExpr(Nd->LHS);
printLn(" # 非运算");
// a0=0则置1,否则为0
printLn(" seqz a0, a0");
return;
// 逻辑与
case ND_LOGAND: {
int C = count();
printLn("\n# =====逻辑与%d===============", C);
genExpr(Nd->LHS);
// 判断是否为短路操作
printLn(" # 左部短路操作判断,为0则跳转");
printLn(" beqz a0, .L.false.%d", C);
genExpr(Nd->RHS);
printLn(" # 右部判断,为0则跳转");
printLn(" beqz a0, .L.false.%d", C);
printLn(" li a0, 1");
printLn(" j .L.end.%d", C);
printLn(".L.false.%d:", C);
printLn(" li a0, 0");
printLn(".L.end.%d:", C);
return;
}
// 逻辑或
case ND_LOGOR: {
int C = count();
printLn("\n# =====逻辑或%d===============", C);
genExpr(Nd->LHS);
// 判断是否为短路操作
printLn(" # 左部短路操作判断,不为0则跳转");
printLn(" bnez a0, .L.true.%d", C);
genExpr(Nd->RHS);
printLn(" # 右部判断,不为0则跳转");
printLn(" bnez a0, .L.true.%d", C);
printLn(" li a0, 0");
printLn(" j .L.end.%d", C);
printLn(".L.true.%d:", C);
printLn(" li a0, 1");
printLn(".L.end.%d:", C);
return;
}
// 按位取非运算
case ND_BITNOT:
genExpr(Nd->LHS);
printLn(" # 按位取反");
// 这里的 not a0, a0 为 xori a0, a0, -1 的伪码
printLn(" not a0, a0");
return;
// 函数调用
case ND_FUNCALL: {
// 记录参数个数
int NArgs = 0;
// 计算所有参数的值,正向压栈
for (Node *Arg = Nd->Args; Arg; Arg = Arg->Next) {
genExpr(Arg);
push();
NArgs++;
}
// 反向弹栈,a0->参数1,a1->参数2……
for (int i = NArgs - 1; i >= 0; i--) pop(ArgReg[i]);
// 调用函数
printLn(" # 调用%s函数", Nd->FuncName);
printLn(" call %s", Nd->FuncName);
return;
}
default:
break;
}
// 递归到最右节点
genExpr(Nd->RHS);
// 将结果压入栈
push();
// 递归到左节点
genExpr(Nd->LHS);
// 将结果弹栈到a1
pop("a1");
// 生成各个二叉树节点
char *Suffix = Nd->LHS->Ty->Kind == TY_LONG || Nd->LHS->Ty->Base ? "" : "w";
switch (Nd->Kind) {
case ND_ADD: // + a0=a0+a1
printLn(" # a0+a1,结果写入a0");
printLn(" add%s a0, a0, a1", Suffix);
return;
case ND_SUB: // - a0=a0-a1
printLn(" # a0-a1,结果写入a0");
printLn(" sub%s a0, a0, a1", Suffix);
return;
case ND_MUL: // * a0=a0*a1
printLn(" # a0×a1,结果写入a0");
printLn(" mul%s a0, a0, a1", Suffix);
return;
case ND_DIV: // / a0=a0/a1
printLn(" # a0÷a1,结果写入a0");
printLn(" div%s a0, a0, a1", Suffix);
return;
case ND_MOD: // % a0=a0%a1
printLn(" # a0%%a1,结果写入a0");
printLn(" rem%s a0, a0, a1", Suffix);
return;
case ND_BITAND: // & a0=a0&a1
printLn(" # a0&a1,结果写入a0");
printLn(" and a0, a0, a1");
return;
case ND_BITOR: // | a0=a0|a1
printLn(" # a0|a1,结果写入a0");
printLn(" or a0, a0, a1");
return;
case ND_BITXOR: // ^ a0=a0^a1
printLn(" # a0^a1,结果写入a0");
printLn(" xor a0, a0, a1");
return;
case ND_EQ:
case ND_NE:
// a0=a0^a1,异或指令
printLn(" # 判断是否a0%sa1", Nd->Kind == ND_EQ ? "=" : "≠");
printLn(" xor a0, a0, a1");
if (Nd->Kind == ND_EQ)
// a0==a1
// a0=a0^a1, sltiu a0, a0, 1
// 等于0则置1
printLn(" seqz a0, a0");
else
// a0!=a1
// a0=a0^a1, sltu a0, x0, a0
// 不等于0则置1
printLn(" snez a0, a0");
return;
case ND_LT:
printLn(" # 判断a0<a1");
printLn(" slt a0, a0, a1");
return;
case ND_LE:
// a0<=a1等价于
// a0=a1<a0, a0=a0^1
printLn(" # 判断是否a0≤a1");
printLn(" slt a0, a1, a0");
printLn(" xori a0, a0, 1");
return;
case ND_SHL:
printLn(" # a0逻辑左移a1位");
printLn(" sll%s a0, a0, a1", Suffix);
return;
case ND_SHR:
printLn(" # a0算术右移a1位");
printLn(" sra%s a0, a0, a1", Suffix);
return;
default:
break;
}
errorTok(Nd->Tok, "invalid expression");
}
// 生成语句
static void genStmt(Node *Nd) {
// .loc 文件编号 行号
printLn(" .loc 1 %d", Nd->Tok->LineNo);
switch (Nd->Kind) {
// 生成if语句
case ND_IF: {
// 代码段计数
int C = count();
printLn("\n# =====分支语句%d==============", C);
// 生成条件内语句
printLn("\n# Cond表达式%d", C);
genExpr(Nd->Cond);
// 判断结果是否为0,为0则跳转到else标签
printLn(" # 若a0为0,则跳转到分支%d的.L.else.%d段", C, C);
printLn(" beqz a0, .L.else.%d", C);
// 生成符合条件后的语句
printLn("\n# Then语句%d", C);
genStmt(Nd->Then);
// 执行完后跳转到if语句后面的语句
printLn(" # 跳转到分支%d的.L.end.%d段", C, C);
printLn(" j .L.end.%d", C);
// else代码块,else可能为空,故输出标签
printLn("\n# Else语句%d", C);
printLn("# 分支%d的.L.else.%d段标签", C, C);
printLn(".L.else.%d:", C);
// 生成不符合条件后的语句
if (Nd->Els) genStmt(Nd->Els);
// 结束if语句,继续执行后面的语句
printLn("\n# 分支%d的.L.end.%d段标签", C, C);
printLn(".L.end.%d:", C);
return;
}
// 生成for或while循环语句
case ND_FOR: {
// 代码段计数
int C = count();
printLn("\n# =====循环语句%d===============", C);
// 生成初始化语句
if (Nd->Init) {
printLn("\n# Init语句%d", C);
genStmt(Nd->Init);
}
// 输出循环头部标签
printLn("\n# 循环%d的.L.begin.%d段标签", C, C);
printLn(".L.begin.%d:", C);
// 处理循环条件语句
printLn("# Cond表达式%d", C);
if (Nd->Cond) {
// 生成条件循环语句
genExpr(Nd->Cond);
// 判断结果是否为0,为0则跳转到结束部分
printLn(" # 若a0为0,则跳转到循环%d的%s段", C, Nd->BrkLabel);
printLn(" beqz a0, %s", Nd->BrkLabel);
}
// 生成循环体语句
printLn("\n# Then语句%d", C);
genStmt(Nd->Then);
// continue标签语句
printLn("%s:", Nd->ContLabel);
// 处理循环递增语句
if (Nd->Inc) {
printLn("\n# Inc语句%d", C);
// 生成循环递增语句
genExpr(Nd->Inc);
}
// 跳转到循环头部
printLn(" # 跳转到循环%d的.L.begin.%d段", C, C);
printLn(" j .L.begin.%d", C);
// 输出循环尾部标签
printLn("\n# 循环%d的%s段标签", C, Nd->BrkLabel);
printLn("%s:", Nd->BrkLabel);
return;
}
case ND_SWITCH:
printLn("\n# =====switch语句===============");
genExpr(Nd->Cond);
printLn(" # 遍历跳转到值等于a0的case标签");
for (Node *N = Nd->CaseNext; N; N = N->CaseNext) {
printLn(" li t0, %ld", N->Val);
printLn(" beq a0, t0, %s", N->Label);
}
if (Nd->DefaultCase) {
printLn(" # 跳转到default标签");
printLn(" j %s", Nd->DefaultCase->Label);
}
printLn(" # 结束switch,跳转break标签");
printLn(" j %s", Nd->BrkLabel);
// 生成case标签的语句
genStmt(Nd->Then);
printLn("# switch的break标签,结束switch");
printLn("%s:", Nd->BrkLabel);
return;
case ND_CASE:
printLn("# case标签,值为%ld", Nd->Val);
printLn("%s:", Nd->Label);
genStmt(Nd->LHS);
return;
// 生成代码块,遍历代码块的语句链表
case ND_BLOCK:
for (Node *N = Nd->Body; N; N = N->Next) genStmt(N);
return;
// goto语句
case ND_GOTO:
printLn(" j %s", Nd->UniqueLabel);
return;
// 标签语句
case ND_LABEL:
printLn("%s:", Nd->UniqueLabel);
genStmt(Nd->LHS);
return;
// 生成return语句
case ND_RETURN:
printLn("# 返回语句");
genExpr(Nd->LHS);
// 无条件跳转语句,跳转到.L.return段
// j offset是 jal x0, offset的别名指令
printLn(" # 跳转到.L.return.%s段", CurrentFn->Name);
printLn(" j .L.return.%s", CurrentFn->Name);
return;
// 生成表达式语句
case ND_EXPR_STMT:
genExpr(Nd->LHS);
return;
default:
break;
}
errorTok(Nd->Tok, "invalid statement");
}
// 根据变量的链表计算出偏移量
static void assignLVarOffsets(Obj *Prog) {
// 为每个函数计算其变量所用的栈空间
for (Obj *Fn = Prog; Fn; Fn = Fn->Next) {
// 如果不是函数,则终止
if (!Fn->IsFunction) continue;
int Offset = 0;
// 读取所有变量
for (Obj *Var = Fn->Locals; Var; Var = Var->Next) {
// 每个变量分配空间
Offset += Var->Ty->Size;
// 对齐变量
Offset = alignTo(Offset, Var->Align);
// 为每个变量赋一个偏移量,或者说是栈中地址
Var->Offset = -Offset;
}
// 将栈对齐到16字节
Fn->StackSize = alignTo(Offset, 16);
}
}
// 返回Num里2的个数(Num为偶数)
static int simpleLog2(int Num) {
int N = Num;
int E = 0;
while (N > 1) {
if (N % 2 == 1) error("Wrong value %d", Num);
N /= 2;
++E;
}
return E;
}
static void emitData(Obj *Prog) {
for (Obj *Var = Prog; Var; Var = Var->Next) {
if (Var->IsFunction || !Var->IsDefinition) continue;
printLn("\n # 全局段%s", Var->Name);
printLn(" .globl %s", Var->Name);
if (!Var->Align) error("Align can not be 0!");
printLn(" .align %d", simpleLog2(Var->Align));
// 判断是否有初始值
if (Var->InitData) {
printLn("\n # 数据段标签");
printLn(" .data");
printLn("%s:", Var->Name);
Relocation *Rel = Var->Rel;
int Pos = 0;
while (Pos < Var->Ty->Size) {
if (Rel && Rel->Offset == Pos) {
// 使用其他变量进行初始化
printLn(" # %s全局变量", Var->Name);
printLn(" .quad %s%+ld", Rel->Label, Rel->Addend);
Rel = Rel->Next;
Pos += 8;
} else {
// 打印出字符串的内容,包括转义字符
char C = Var->InitData[Pos++];
if (isprint(C))
printLn(" .byte %d\t# 字符:%c", C, C);
else
printLn(" .byte %d", C);
}
}
continue;
}
printLn(" # 未初始化的全局变量");
printLn(" .bss");
printLn("%s:", Var->Name);
printLn(" # 全局变量零填充%d字节", Var->Ty->Size);
printLn(" .zero %d", Var->Ty->Size);
}
}
// 将整形寄存器的值存入栈中
static void storeGeneral(int Reg, int Offset, int Size) {
printLn(" # 将%s寄存器的值存入%d(fp)的栈地址", ArgReg[Reg], Offset);
switch (Size) {
case 1:
printLn(" sb %s, %d(fp)", ArgReg[Reg], Offset);
return;
case 2:
printLn(" sh %s, %d(fp)", ArgReg[Reg], Offset);
return;
case 4:
printLn(" sw %s, %d(fp)", ArgReg[Reg], Offset);
return;
case 8:
printLn(" sd %s, %d(fp)", ArgReg[Reg], Offset);
return;
}
unreachable();
}
// 代码生成入口函数,包含代码块的基础信息
void emitText(Obj *Prog) {
// 为每个函数单独生成代码
for (Obj *Fn = Prog; Fn; Fn = Fn->Next) {
if (!Fn->IsFunction || !Fn->IsDefinition) continue;
if (Fn->IsStatic) {
printLn("\n # 定义局部%s函数", Fn->Name);
printLn(" .local %s", Fn->Name);
} else {
printLn("\n # 定义全局%s函数", Fn->Name);
printLn(" .globl %s", Fn->Name);
}
printLn(" # 代码段标签");
printLn(" .text");
printLn("# =====%s段开始===============", Fn->Name);
printLn("# %s段标签", Fn->Name);
printLn("%s:", Fn->Name);
CurrentFn = Fn;
// 栈布局
//-------------------------------// sp
// ra
//-------------------------------// ra = sp-8
// fp
//-------------------------------// fp = sp-16
// 变量
//-------------------------------// sp = sp-16-StackSize
// 表达式计算
//-------------------------------//
// Prologue, 前言
// 将ra寄存器压栈,保存ra的值
printLn(" # 将ra寄存器压栈,保存ra的值");
printLn(" addi sp, sp, -16");
printLn(" sd ra, 8(sp)");
// 将fp压入栈中,保存fp的值
printLn(" # 将fp压栈,fp属于“被调用者保存”的寄存器,需要恢复原值");
printLn(" sd fp, 0(sp)");
// 将sp写入fp
printLn(" # 将sp的值写入fp");
printLn(" mv fp, sp");
// 偏移量为实际变量所用的栈大小
printLn(" # sp腾出StackSize大小的栈空间");
printLn(" addi sp, sp, -%d", Fn->StackSize);
int I = 0;
for (Obj *Var = Fn->Params; Var; Var = Var->Next)
storeGeneral(I++, Var->Offset, Var->Ty->Size);
// 生成语句链表的代码
printLn("# =====%s段主体===============", Fn->Name);
genStmt(Fn->Body);
assert(Depth == 0);
// Epilogue,后语
// 输出return段标签
printLn("# =====%s段结束===============", Fn->Name);
printLn("# return段标签");
printLn(".L.return.%s:", Fn->Name);
// 将fp的值改写回sp
printLn(" # 将fp的值写回sp");
printLn(" mv sp, fp");
// 将最早fp保存的值弹栈,恢复fp。
printLn(" # 将最早fp保存的值弹栈,恢复fp和sp");
printLn(" ld fp, 0(sp)");
// 将ra寄存器弹栈,恢复ra的值
printLn(" # 将ra寄存器弹栈,恢复ra的值");
printLn(" ld ra, 8(sp)");
printLn(" addi sp, sp, 16");
// 返回
printLn(" # 返回a0值给系统调用");
printLn(" ret");
}
}
void codegen(Obj *Prog, FILE *Out) {
// 设置目标文件的文件流指针
OutputFile = Out;
// 计算局部变量的偏移量
assignLVarOffsets(Prog);
// 生成数据
emitData(Prog);
// 生成代码
emitText(Prog);
}