词法作用域和符号表

在编译器中，词法作用域和符号表是管理变量、函数、类等程序元素的重要工具。它们帮助编译器理解程序的结构和变量的生命周期，并在代码生成和优化时提供必要的信息。

1. 词法作用域（Lexical Scope）

词法作用域（也称为静态作用域）是指在源代码中，变量或函数的作用范围是由程序的结构（通常是由代码块或函数定义来划分）决定的，而不是由程序的执行顺序决定的。词法作用域意味着一个变量的作用范围仅限于其声明所在的代码区域及其内部。

1.1 词法作用域的特点

静态性：作用域在编译时就已经确定，不依赖于程序的执行过程。
嵌套作用域：可以通过嵌套的代码块（如函数、条件语句、循环等）来限定作用域。内层作用域中的变量会覆盖外层作用域中的同名变量，但外层作用域中的变量仍然可以在外层作用域中访问。
父子作用域关系：在嵌套作用域中，内层作用域可以访问外层作用域的变量，但外层作用域无法访问内层作用域的变量。

1.2 示例：词法作用域

考虑以下 JavaScript 代码：

function outer() {
  let x = 10;
  function inner() {
    let y = 20;
    console.log(x + y); // 可以访问外层作用域的 x 和当前作用域的 y
  }
  inner();
}

outer();

在这个例子中，inner 函数在 outer 函数的作用域内定义，因此它可以访问外层作用域中的变量 x，而 outer 函数不能访问 inner 函数中的变量 y。这是因为变量 x 的作用域是 outer 函数及其内部，而变量 y 的作用域是 inner 函数内。

2. 符号表（Symbol Table）

符号表是编译器用来存储程序中所有标识符（如变量名、函数名、类名等）及其相关信息的数据结构。它为编译器提供了对标识符的查询和更新机制。符号表记录了每个标识符的类型、作用域、位置等信息，用于帮助编译器进行类型检查、变量查找、作用域分析等任务。

2.1 符号表的作用

标识符查找：编译器可以通过符号表查询标识符的详细信息（如类型、作用域等），用于后续的语法分析、语义分析等。
作用域管理：符号表帮助编译器管理不同作用域中的标识符，特别是在嵌套作用域和嵌套函数中。
类型检查：符号表记录了每个标识符的类型信息，编译器可以利用这些信息进行类型检查，确保操作符的左右操作数类型匹配。

2.2 符号表的实现

符号表的实现通常采用哈希表或树结构，用于高效查找标识符。每个标识符可以存储为一个符号条目，该条目包含标识符的名称、类型、作用域以及其他元数据。

2.3 符号表的操作

插入（Insert）：当遇到新的标识符时，插入符号表。
查找（Lookup）：查找符号表中的标识符，以确定其信息。
删除（Delete）：当作用域结束时，删除符号表中属于该作用域的标识符。
更新（Update）：更新符号表中标识符的相关信息。

2.4 符号表示例

考虑以下简单的伪代码：

int x = 10;
float y = 3.14;

符号表中的条目可能如下所示：

标识符	类型	作用域	地址
x	int	全局作用域	0x1000
y	float	全局作用域	0x1004

在这个符号表中，x 和 y 都是在全局作用域中声明的。符号表记录了它们的类型、作用域以及内存地址等信息。

3. 词法作用域与符号表的关系

词法作用域和符号表密切相关，它们共同管理程序中的标识符的生命周期和可见性。在编译器的不同阶段，符号表用于确保符号在正确的作用域内被访问和修改。

3.1 作用域与符号表的交互

在进入一个新的作用域时，编译器会为该作用域创建一个新的符号表，并将当前作用域内的标识符插入其中。
当编译器遇到一个标识符时，会根据当前的作用域在符号表中查找该标识符的信息。
当作用域结束时，编译器会删除该作用域内的符号表条目，确保它们不会被错误地访问。

3.2 词法作用域与符号表的示例

假设有如下 C 代码：

int x = 10;

void foo() {
    int x = 20;
    printf("%d", x);
}

void bar() {
    printf("%d", x);
}

foo();
bar();

编译器的符号表可能如下所示：

全局作用域：
- x（类型 int，值 10）
- foo（类型 function，返回类型 void）
- bar（类型 function，返回类型 void）
函数 foo 的作用域：
- x（类型 int，值 20）
函数 bar 的作用域：
- 没有新的 x，因此它会查找全局作用域中的 x。