代码生成

🏭 从”通用”到”专用”——IR 翻译成机器码

前面几节生成了平台无关的 IR（三地址码）。但 IR 不能在 CPU 上运行——需要翻译成目标 CPU 的机器指令。

代码生成（Code Generation） 就是做这个：

IR（三地址码）          → 代码生成 → 目标机器码（x86/ARM/RISC-V）
t1 = 42 + 1             → mov eax, 43        （x86）
a = t1                  → mov [rbp-4], eax   （x86）

🏪 类比：舞台剧本 → 各地演出

IR = 舞台剧本（用标准的语言写的，可以给任何剧团用） 代码生成 = 导演把剧本改编成具体演出方式：

• 在北京演 → 用普通话（x86）
• 在上海演 → 用上海话（ARM）
• 在广东演 → 用粤语（RISC-V）

故事（逻辑）一样——但具体的”表达方式”不同。

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🔄 指令选择——找”最匹配”的指令

同一个 IR 操作，不同 CPU 有不同的指令来实现：

// IR: a = b + c
// 在不同架构上的指令选择

x86-64：  mov eax, [rbp-8]     ; 加载 b
          add eax, [rbp-12]    ; 加 c
          mov [rbp-4], eax     ; 存 a

ARM64：   ldr w0, [x29, -8]   ; 加载 b
          ldr w1, [x29, -12]  ; 加载 c
          add w0, w0, w1      ; a = b + c
          str w0, [x29, -4]   ; 存 a

RISC-V：  lw   a0, -8(s0)     ; 加载 b
          lw   a1, -12(s0)    ; 加载 c
          add  a0, a0, a1     ; a = b + c
          sw   a0, -4(s0)     ; 存 a

核心思路：IR 指令 → 匹配 CPU 的指令模板 → 生成具体的二进制机器码。这个过程叫”tile-based code generation”（基于模板的代码生成）。

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📊 不同操作的指令选择示例

IR 操作	x86-64 选择	ARM64 选择
a = 42（赋值常量）	mov [rbp-4], 42	mov w0, #42; str w0, [x29,-4]
t = a + 1（加常数）	add eax, 1	add w0, w0, #1
t = a * 2（乘 2^k）	shl eax, 1（移位优化）	lsl w0, w0, #1（移位优化）
if t < 0 goto L	cmp eax, 0; jl L	cmp w0, #0; b.lt L

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🔧 代码生成的挑战——以 a[i] = b + c * d 为例

// 源码
a[i] = b + c * d;

// 可能的 IR
t1 = c * d
t2 = b + t1
t3 = i * 4          // 地址偏移（int 占 4 字节）
t4 = &a + t3
*t4 = t2

编译器需要：

1. 决定每个临时变量 t1-t4 放在寄存器还是栈上
2. 选择最合适的 x86/ARM 指令来实现每个操作
3. 安排指令顺序以最大化 CPU 流水线效率
4. 处理寻址模式——a[i] 的地址计算

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📝 小结

概念	一句话
代码生成	把 IR 翻译成目标 CPU 的机器码——“剧本→演出”
指令选择	为每个 IR 操作找到 CPU 对应的指令
寄存器分配	决定哪些数据放寄存器、哪些放栈——后续专题
寻址模式	利用 CPU 的地址计算能力简化指令（如 a[i]）
多目标支持	同一个 IR 可以生成 x86、ARM、RISC-V 的不同代码

为什么先学这个？ 代码生成依赖寄存器分配——寄存器不够用时怎么办？