目錄 `stage3` 完整探討與說明 - benchen2001/matiec GitHub Wiki

我現在會深入探討 matiec 編譯器中的 stage3 目錄，該目錄是負責語意分析與型別檢查的重要部分。

目錄 `stage3` 完整探討與說明

stage3 目錄是 matiec 編譯器的語意分析階段，在解析語法（stage1_2）之後執行，主要負責型別檢查、變數解析和語意驗證。這個階段確保 IEC 61131-3 程式在語意上正確，例如檢查變數是否使用前先宣告、運算式型別是否相容、功能塊呼叫參數是否正確等。

1. 主要功能與任務

stage3 階段負責以下核心任務：

型別檢查：確保所有運算式、賦值和函式呼叫中的型別都相容
變數解析：確保所有變數在使用前都已宣告
功能塊與函式驗證：檢查函式和功能塊的呼叫參數是否符合定義
陣列索引檢查：驗證陣列索引是否在有效範圍內
列舉值驗證：確保列舉值使用在正確的上下文

2. 主要檔案與功能

2.1 型別檢查相關

fill_candidate_datatypes.cc/hh：
- 為每個 AST 節點填充可能的型別列表
- 使用 Visitor 模式遍歷整個 AST
- 為變數宣告、運算式、函式呼叫等註解可能的型別
narrow_candidate_datatypes.cc/hh：
- 根據上下文約束，縮小每個節點的型別候選列表
- 解決型別歧義性，例如 + 運算符可以是整數加法或實數加法
- 確定每個節點的最終型別
print_datatypes_error.cc/hh：
- 當型別檢查失敗時，產生明確的錯誤訊息
- 報告不相容的型別、不允許的轉換等
- 指出問題所在的程式位置
datatype_functions.cc/hh：
- 提供型別相關的輔助函式
- 檢查型別是否相容
- 執行型別轉換和提升

2.2 陣列與初始化檢查

array_range_check.cc/hh：
- 檢查陣列範圍是否有效
- 計算陣列維度
- 驗證陣列索引是否在宣告的範圍內
constant_folding.cc/hh：
- 在編譯時計算常數表達式
- 減少運行時開銷
- 支援初始化中的常數運算

2.3 變數與作用域處理

lvalue_check.cc/hh：
- 檢查賦值語句左側是否為有效的 lvalue
- 防止賦值給常數或表達式
implicit_variable_decls.cc/hh：
- 處理隱式宣告的變數
- 在某些上下文中自動宣告變數（例如 FOR 迴圈）

3. 技術實現與設計模式

3.1 兩階段型別檢查機制

stage3 採用兩階段型別檢查：

候選型別填充：由 fill_candidate_datatypes 實現，為每個節點收集所有可能的型別
型別窄化：由 narrow_candidate_datatypes 實現，根據上下文限制消除不可能的型別

這種設計允許處理複雜的型別推導和多態性。

3.2 Visitor 模式

整個 stage3 階段大量使用 Visitor 設計模式：

各種型別檢查器實現了 visitor 介面
通過遍歷 AST 訪問每個節點
每個節點型別有對應的 visit 方法

3.3 錯誤處理

print_datatypes_error 提供詳細的錯誤報告：

指出錯誤的確切位置
解釋錯誤原因
提供型別不匹配的詳細資訊

4. 重要類別詳解

4.1 `fill_candidate_datatypes_c`

這個類別為 AST 節點填充可能的型別列表：

遍歷 AST 的每個節點
根據 IEC 61131-3 標準的型別規則，確定每個節點可能的型別
處理基本型別、陣列、結構、列舉等

例如，處理 simple_spec_init_c（類似 enable : BOOL := 10;）時：

void *fill_candidate_datatypes_c::visit(simple_spec_init_c *symbol) {
  return fill_spec_init(symbol, symbol->simple_specification, symbol->constant);
}

這個方法會檢查 BOOL 類型與 10 是否相容。

4.2 `narrow_candidate_datatypes_c`

這個類別根據上下文約束縮小型別範圍：

使用 "最佳匹配" 原則選擇最合適的型別
解決運算符重載（如 + 可用於多種型別）
傳播型別約束（如賦值語句中左側的型別約束右側的表達式）

4.3 `print_datatypes_error_c`

負責產生錯誤訊息，如遇到 enable : BOOL := 10; 這種型別不相容情況：

void *print_datatypes_error_c::visit(simple_spec_init_c *symbol) {
  if (!get_datatype_info_c::is_type_valid(symbol->simple_specification->datatype)) {
    STAGE3_ERROR(0, symbol->simple_specification, symbol->simple_specification, "Invalid data type.");
  } else if (NULL != symbol->constant) {
    if (!get_datatype_info_c::is_type_valid(symbol->constant->datatype))
      STAGE3_ERROR(0, symbol->constant, symbol->constant, "Initial value has incompatible data type.");
  }
  // ...
}

這就是當你有 enable : BOOL := 10; 這種型別不相容代碼時會產生錯誤的部分。

5. 執行流程

當程式經過 stage3 處理時，流程如下：

填充候選型別：
- fill_candidate_datatypes_c 遍歷 AST
- 為每個節點建立可能的型別列表
窄化型別：
- narrow_candidate_datatypes_c 根據上下文約束縮小型別範圍
- 選擇最終型別
錯誤檢查與報告：
- print_datatypes_error_c 檢查型別相容性
- 報告任何型別不匹配或其他語意錯誤
其他檢查：
- 執行陣列範圍檢查
- 常數折疊優化
- 變數作用域和初始化檢查

6. 小結

stage3 目錄實現了 matiec 編譯器的語意分析階段，負責確保 IEC 61131-3 程式在語意上正確。它採用兩階段型別檢查機制和 Visitor 設計模式，提供強大的型別檢查和錯誤報告功能。

對於 enable : BOOL := 10; 這種情況，正是 stage3 中的 print_datatypes_error_c::visit(simple_spec_init_c *symbol) 方法負責檢測到這種型別不相容錯誤並報告。這確保了 IEC 61131-3 程式的型別安全，防止在執行時出現意外行為。

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