你知道第一个C语言C++编译器是如何诞生的吗？

当今几乎所有的实用的编译器/解释器（以下统称编译器）都是用 C 语言编写的，有一些语言比如 Clojure,Jython 等是基于 JVM 或者说是用 Java 实现的，IronPython 等是基于 .NET 实现的，但是 Java 和 C# 等本身也要依靠 C/C++ 来实现，等于是间接调用了 C。所以衡量某种高级语言的可移植性其实就是在讨论 ANSI/ISO C 的移植性。

C 语言是很低级的语言，很多方面都近似于汇编语言，在《Intel 32 位汇编语言程序设计》一书中，甚至介绍了手工把简单的 C 语言翻译成汇编的方法。对于编译器这种系统软件，用 C 语言来编写是很自然不过的，即使是像 Python 这样的高级语言依然在底层依赖于 C 语言。现在的学生，学过编译原理后，只要有点编程能力的都可以实现一个功能简单的类 C 语言编译器。

 

可是问题来了，不知道你有没有想过，大家都用 C 语言或基于 C 语言的语言来写编译器，那么世界上第一个 C 语言编译器又是怎么编写的呢？这不是一个“鸡和蛋”的问题……

还是让我们回顾一下 C 语言历史：1970 年 Tomphson 和 Ritchie 在 BCPL（一种解释型语言）的基础上开发了 B 语言，1973 年又在 B 语言的基础上成功开发出了现在的 C 语言。在 C 语言被用作系统编程语言之前，Tomphson 也用过 B 语言编写过操作系统。可见在 C 语言实现以前，B 语言已经可以投入实用了。因此第一个 C 语言编译器的原型完全可能是用 B 语言或者混合 B 语言与 PDP 汇编语言编写的。我们现在都知道，B 语言的执行效率比较低，但是如果全部用汇编语言来编写，不仅开发周期长、维护难度大，更可怕的是失去了高级程序设计语言必需的移植性。所以早期的 C 语言编译器就采取了一个取巧的办法：先用汇编语言编写一个 C 语言的一个子集的编译器，再通过这个子集去递推完成完整的 C 语言编译器。详细的过程如下：

先创造一个只有 C 语言最基本功能的子集，记作 C0 语言，C0 语言已经足够简单了，可以直接用汇编语言编写出 C0 的编译器。依靠 C0 已有的功能，设计比 C0 复杂，但仍然不完整的 C 语言的又一个子集 C1 语言，其中 C0 属于 C1，C1 属于 C，用 C0 开发出 C1 语言的编译器。在 C1 的基础上设计 C 语言的又一个子集 C2 语言，C2 语言比 C1 复杂，但是仍然不是完整的 C 语言，开发出 C2 语言的编译器……如此直到 CN，CN 已经足够强大了，这时候就足够开发出完整的 C 语言编译器的实现了。至于这里的 N 是多少，这取决于你的目标语言（这里是 C 语言）的复杂程度和程序员的编程能力——简单地说，如果到了某个子集阶段，可以很方便地利用现有功能实现 C 语言时，那么你就找到 N 了。下面的图说明了这个抽象过程：

 

那么这种大胆的子集简化的方法，是怎么实现的，又有什么理论依据呢？先介绍一个概念，“自编译”Self-Compile，也就是对于某些具有明显自举性质的强类型（所谓强类型就是程序中的每个变量必须声明类型后才能使用，比如 C 语言，相反有些脚本语言则根本没有类型这一说法）编程语言，可以借助它们的一个有限小子集，通过有限次数的递推来实现对它们自身的表述，这样的语言有 C、Pascal、Ada 等等，至于为什么可以自编译，可以参见清华大学出版社的《编译原理》，书中实现了一个 Pascal 的子集的编译器。总之，已经有计算机科学家证明了，C 语言理论上是可以通过上面说的 CVM 的方法实现完整的编译器的，那么实际上是怎样做到简化的呢？这张图是不是有点熟悉？对了就是在讲虚拟机的时候见到过，不过这里是 CVM（C Language Virtual Machine），每种语言都是在每个虚拟层上可以独立实现编译的，并且除了 C 语言外，每一层的输出都将作为下一层的输入（最后一层的输出就是应用程序了），这和滚雪球是一个道理。用手（汇编语言）把一小把雪结合在一起，一点点地滚下去就形成了一个大雪球，这大概就是所谓的 0 生 1，1 生 C，C 生万物吧？

下面是 C99 的关键字：

 

仔细看看，其实其中有很多关键字是为了帮助编译器进行优化的，还有一些是用来限定变量、函数的作用域、链接性或者生存周期（函数没有）的，这些在编译器实现的早期根本不必加上，于是可以去掉 auto, restrict, extern, volatile, const, sizeof, static, inline, register, typedef，这样就形成了 C 的子集，C3 语言，C3 语言的关键字如下：

 

再想一想，发现 C3 中其实有很多类型和类型修饰符是没有必要一次性都加上去的，比如三种整型，只要实现 int 就行了，因此进一步去掉这些关键词，它们是：unsigned, float, short, char(char 是 int), signed, _Bool, _Complex, _Imaginary, long，这样就形成了我们的C2语言，C2 语言关键字如下：

 

继续思考，即使是只有 18 个关键字的 C2 语言，依然有很多高级的地方，比如基于基本数据类型的复合数据结构，另外我们的关键字表中是没有写运算符的，在 C 语言中的复合赋值运算符 ->、运算符的 ++、–– 等过于灵活的表达方式此时也可以完全删除掉，因此可以去掉的关键字有：enum, struct, union，这样我们可以得到 C1 语言的关键字：

 

接近完美了，不过最后一步手笔自然要大一点。这个时候数组和指针也要去掉了，另外 C1 语言其实仍然有很大的冗杂度，比如控制循环和分支的都有多种表述方法，其实都可简化成一种，具体的来说，循环语句有 while 循环，do…while 循环和 for 循环，只需要保留while循环就够了；分支语句又有 if…{}, if…{}…else, if…{}…else if…, switch，这四种形式，它们都可以通过两个以上的 if…{} 来实现，因此只需要保留 if,…{} 就够了。可是再一想，所谓的分支和循环不过是条件跳转语句罢了，函数调用语句也不过是一个压栈和跳转语句罢了，因此只需要 goto（未限制的 goto）。因此大胆去掉所有结构化关键字，连函数也没有，得到的 C0 语言关键字如下：

 

只有 5 个关键字，已经完全可以用汇编语言快速的实现了。通过逆向分析我们还原了第一个 C 语言编译器的编写过程，也感受到了前辈科学家们的智慧和勤劳！我们都不过是巨人肩膀上的灰尘罢了！0 生 1，1 生 C，C 生万物，实在巧妙！

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