name	antlr4-compiler-development
description	为ANTLR4编译器开发项目提供专业指导，支持21章节渐进式Cymbol语言编译器实现。包括语法分析、语义分析、IR生成、虚拟机实现和优化技术。当用户需要ANTLR4语法设计、编译器前端开发、类型系统实现、中间代码生成或编译器优化相关帮助时使用此技能。
allowed-tools	Read, Grep, Glob, Bash

ANTLR4编译器开发专业技能

项目架构概览

How to implement PL in ANTLR4 是一个完整的编译器教学项目，实现从词法分析到代码优化的全流程编译器。项目采用21章节渐进式设计：

项目阶段划分

基础阶段 (EP1-EP10): 词法语法分析、AST构建、基础解释器
编译器阶段 (EP11-EP20): 类型系统、语义分析、中间表示、控制流图、代码生成
优化阶段 (EP21): 数据流分析、SSA形式、高级优化技术

核心模块结构

ep20/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep20/ ├── ast/ # 抽象语法树节点定义 ├── parser/ # ANTLR4生成的解析器代码 ├── symtab/ # 符号表和类型系统 │ ├── scope/ # 作用域管理 │ ├── symbol/ # 符号定义 │ └── type/ # 类型系统 ├── pass/ # 编译pass实现 │ ├── ast/ # AST构建 │ ├── sematic/ # 语义分析 │ ├── cfg/ # 控制流图 │ └── optimize/ # 优化pass ├── ir/ # 中间表示 └── Compiler.java # 主编译器入口

开发工作流程

1. ANTLR4语法开发

当需要修改或扩展Cymbol语言语法时：

语法文件位置: ep20/src/main/antlr4/org/teachfx/antlr4/ep20/parser/Cymbol.g4

开发步骤:

编辑Cymbol.g4语法文件
运行 mvn generate-sources -pl ep20 重新生成解析器
更新AST构建器处理新语法结构
运行解析器测试: mvn test -pl ep20 -Dtest="*ParserTest"

调试技巧: bash

使用ANTLR4 TestRig调试语法

java -cp "antlr-4.13.2-complete.jar:target/classes"
org.antlr.v4.gui.TestRig Cymbol file -tokens program.cymbol

查看语法树

java -cp "antlr-4.13.2-complete.jar:target/classes"
org.antlr.v4.gui.TestRig Cymbol file -gui program.cymbol

2. AST和访问者模式实现

当需要添加新的AST节点时：

实现位置: ep20/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep20/ast/

标准流程:

创建继承自ASTNode的节点类
实现访问者模式accept方法
更新CymbolASTBuilder.java处理新节点
添加对应的测试用例

示例: 添加新语句节点 java public class PrintStmtNode extends StmtNode { private final ExprNode expression;

public PrintStmtNode(ExprNode expression) {
    this.expression = expression;
}

@Override
public <T> T accept(ASTVisitor<T> visitor) {
    return visitor.visitPrintStmt(this);
}

}

3. 符号表和类型系统开发

当需要扩展类型系统或修改符号表时：

符号表结构: ep20/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep20/symtab/

类型系统层级:

Type (抽象基类) ├── BuiltInType (基本类型: int, float, bool, string) ├── StructType (结构体类型) ├── ArrayType (数组类型) └── FunctionType (函数类型)

开发步骤:

在type/目录下创建新类型类
扩展Type基类并实现必要方法
更新TypeChecker添加类型检查规则
添加类型转换和提升逻辑
创建类型系统测试

4. 语义分析实现

当需要添加语义检查时：

语义分析位置: ep20/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep20/pass/sematic/

关键组件:

SymbolTableBuilder - 符号表构建
TypeChecker - 类型检查
DeclarationChecker - 声明检查
MethodResolver - 方法解析

测试命令: bash

运行语义分析测试

mvn test -pl ep17 -Dtest="*SemanticTest"

运行类型检查测试

mvn test -pl ep17 -Dtest="*TypeCheckTest"

5. IR生成和控制流分析

当需要实现中间代码生成时：

IR结构: ep20/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep20/ir/

ir/ ├── expr/ # 表达式IR节点 ├── stmt/ # 语句IR节点 ├── CymbolIRBuilder.java # IR生成器 └── temp/ # 临时变量管理

控制流图: ep20/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep20/pass/cfg/

开发流程:

设计IR节点结构
实现AST到IR的转换
构建控制流图
添加基本块划分
生成目标代码

测试命令: bash

测试IR生成

mvn test -pl ep20 -Dtest="*IRTest"

运行完整编译器

mvn compile exec:java -pl ep20 -Dexec.args="program.cymbol"

6. 虚拟机实现

当需要实现字节码解释器时：

虚拟机位置: ep18/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep18/stackvm/

核心组件:

CymbolStackVM.java - 虚拟机实现
BytecodeDefinition.java - 字节码指令定义
StackFrame.java - 栈帧管理
RuntimeContext.java - 运行时上下文

运行虚拟机: bash mvn compile exec:java -pl ep18
-Dexec.mainClass="org.teachfx.antlr4.ep18.stackvm.CymbolStackVM"
-Dexec.args="program.cymbol"

7. 高级优化技术

当需要实现编译器优化时：

优化实现: ep21/src/main/java/org/teachfx/antlr4/ep21/analysis/

优化类型:

dataflow/ - 数据流分析
ssa/ - SSA形式转换
optimize/ - 优化pass实现

测试优化: bash mvn test -pl ep21

Cymbol语言特性参考

支持的数据类型

基本类型: int, float, bool, string, void
数组类型: int[], float[10], string[]
结构体: struct Point { int x; int y; }
类型别名: typedef int MyInt;

控制结构

条件语句: if (condition) { ... } else { ... }
循环语句: while (condition) { ... }, break, continue
函数定义: int add(int a, int b) { return a + b; }

操作符支持

算术: +, -, *, /, %
比较: ==, !=, >, >=, <, <=
逻辑: &&, ||, !
数组访问: array[index]
结构体访问: struct.field
类型转换: (int)float_value

测试和质量保证

测试策略

单元测试覆盖率: ≥85%
核心模块覆盖率: ≥90%
新功能覆盖率: 100%

测试命令

bash

运行所有测试

mvn test

运行特定模块测试

mvn test -pl ep20

运行特定测试类

mvn test -pl ep20 -Dtest="ArraysTest"

生成覆盖率报告

mvn jacoco:report

跨平台脚本

bash

Linux/macOS

./scripts/run.sh compile ep20 ./scripts/run.sh test ep20 ./scripts/run.sh run ep20 "program.cymbol"

Windows PowerShell

.\scripts\run.ps1 compile ep20

Python (跨平台)

python scripts/run.py compile ep20

调试和故障排除

常见问题解决

语法冲突

症状: ANTLR4报告歧义或移进/归约冲突 解决步骤:

使用 -diagnostics 选项分析冲突
重构语法规则，避免左递归
使用语义谓词消除歧义
检查优先级和结合性声明

类型检查失败

症状: 类型不匹配或未定义类型错误 解决步骤:

检查符号表是否正确填充作用域信息
验证类型转换规则的实现
检查隐式类型提升逻辑
确认类型等价性判断方法

IR生成错误

症状: 生成的中间代码不正确或导致VM崩溃 解决步骤:

验证AST到IR的转换规则
检查临时变量命名和作用域
验证基本块边界划分
确认phi节点的插入位置

虚拟机执行错误

症状: 虚拟机崩溃、栈溢出或错误输出 解决步骤:

启用VM调试模式检查字节码执行
验证栈帧管理逻辑
检查内存分配和垃圾回收
确认操作数栈操作正确性

扩展指南

添加新语言特性

语法设计: 在Cymbol.g4中添加新规则
AST实现: 创建对应节点类
语义分析: 更新类型检查器
IR生成: 实现中间代码生成
代码生成: 添加目标代码生成
测试验证: 创建完整测试用例

性能优化

分析瓶颈: 使用性能分析工具识别热点
优化算法: 实现更高效的数据结构
内存优化: 减少内存分配和复制
并行化: 识别可并行的计算任务
缓存优化: 实现智能缓存机制

新目标平台

设计IR: 定义独立于目标平台的中间表示
后端接口: 实现代码生成器接口
指令选择: 为目标平台选择最优指令
寄存器分配: 实现目标平台的寄存器分配
指令调度: 优化指令执行顺序

技能版本: 2.0.0 | 最后更新: 2025-12-16 项目: How to implement PL in ANTLR4 技能ID: antlr4-compiler-development

Install Skill

SKILL.md