编译器：针对复杂分支/跳转的寄存器分配

Question

我对优化器及其工作方式感兴趣，尤其是在寄存器分配方面。我在编写高级解释器方面有一定的背景，这些解释器不会费心生成高效的机器代码，因此与解析、构造 AST 等相关的编译器构造部分对我来说相当简单。

作为一个学习项目，我一直在尝试一个玩具编译器，它只比机器级稍高一点，主要区别在于它使用变量而不是寄存器。

我非常困惑的是低级优化器部分，特别是关于来自 IR 的寄存器分配以及分支/跳转如何影响它，即使是最基本的启发式算法，但不包括 SSA 和phi 节点。

基本示例：

a = ...
b = ...
c = ...
d = ...
e = ...
f = ...
g = ...

jump_if x == 1, section1
jump_if x == 2, section2
jump_if x == 3, section3
etc

a = a + b - c * 2
jump end

section1:
; all kinds of stuff happens here with some of the above variables
jump end

section2:
; all kinds of stuff happens here with some of the above variables
jump end

section3:
; all kinds of stuff happens here with some of the above variables
jump section1 ; tricky branch!!!

end:

也许我们可以加入循环逻辑和各种其他分支，使这个例子更加复杂。

我不明白的是，如果我们将所有这些分支路径放在一起而不是单独考虑每条路径，那么所有这些分支路径都可能使上述所有变量都“有效”。

对我来说似乎缺少某种基于堆栈的块结构，以便我们可以拥有嵌套块，其中寄存器分配可以考虑最内层块及其外部块引用的变量，并分别执行该寄存器分配启发式在每个块/分支路径上。

在更基于块的高级 IR 中，推断分支路径似乎要容易得多，因为分支将被限制在块内，但是低级 IR 只是稍微抽象在机器级别之上有完全不受约束的分支，你可以在整个地方跳转/分支？

我见过的大多数 IR 示例都是相当低级的机器代码抽象，因此它们似乎经常让我们对如何进行分支（例如：跳转表）变得非常混乱很难推断出这样的块/部分/路径。

人们通常如何处理这个问题？考虑到允许如此灵活的分支/跳转的低级代码，是否有一种算法和干净的组织/代码设计可以分解所有可能的分支路径？

Answer 1

寄存器分配是一个长期存在的问题。在这方面已经发表了许多研究论文。该领域最近流行的算法是SSA和线性扫描寄存器分配。

静态单一分配表 (SSA) 已获得一定程度的普及，以帮助寄存器分配。这个想法是将程序逻辑转换为一个变量，该变量只分配一次，并且每个变量都需要在使用之前进行分配。一般假设可以使用的寄存器数量是无限的。

一旦程序转换成SSA形式，就可以更容易地转换成寄存器分配。这可以通过多项式时间内的图形着色来完成（这样做的流行编译器是 LLVM）。这是一个非常复杂的话题。我建议你阅读这方面的几篇论文。

1. Efficiently Computing Static Single Assignment Form and the Control Dependence Graph Ron Cytron 等人。他是SSA领域的先驱之一。

2. Single-Pass Generation of Static Single Assignment Form for Structured Languages 由 Marc M. Brandis 等人撰写。

3. A Simple, Fast Dominance Algorithm Keith D. Cooper 等人。

如果您不想将 SSA 作为中间步骤处理，您可能需要查看 Massimiliano Poletto 的 Linear Scan Register Allocation。这种贪心算法用于许多非基于 LLVM 的编译器，包括 v8 和 JVM。