編譯器核心技術：UCC 編譯器寄存器分配與匯編代碼生成深度剖析

背景：為什麼需要寄存器分配？

CPU 速度遠超記憶體，有效利用寄存器可大幅減少記憶體存取。UCC 編譯器在中間代碼階段用臨時變數 t 保存公共子運算式（如 t: a+b），生成匯編時盡量將這些值放入寄存器重用。

x86 寄存器資源與分配策略

• 32 位 x86 可用通用寄存器：eax, ebx, ecx, edx, esi, edi（6 個），esp/ebp 保留給堆疊幀。
• 臨時變數多於寄存器時，需將部分寄存器值回寫到記憶體（Spill），騰出寄存器。
• UCC 僅為編譯器產生的臨時變數分配寄存器，簡化資料流分析；程式設計師命名的變數不參與分配，避免別名分析複雜度。

實例演示：公共子運算式重用

原始碼：

s3 = a + b;
s4 = c + d;
s5 = (a + b) + (c + d);  // 重用 t0=a+b, t1=c+d
s6 = (a + b) * (c + d);  // 再次重用

中間代碼產生 3 個臨時變數（t0, t1, t2），對應 12 位元組堆疊空間。匯編代碼中：

• eax 分配給 t0 (a+b)，全程保持直到不再使用。
• edx 分配給 (a+b)+(c+d)。
• 函數 g 中因基本塊結束，eax 可重新分配給新運算式。

核心分配函數 GetRegInternal

1. 參數 width 指定寬度（1/2/4 位元組），對應不同寄存器集合。
2. 優先尋找空閒寄存器（FindEmptyReg），排除 esp/ebp 且未被當前指令佔用。
3. 無空閒時呼叫 SelectSpillReg 選擇犧牲寄存器：依據對應臨時變數剩餘引用次數總和，回寫引用最少者（類似 LRU）。
4. SpillReg 執行回寫：僅當寄存器值已修改（needwb）且後續仍需使用（ref > 0）才產生存儲指令。

浮點協處理器 x87 簡化處理

僅使用棧頂寄存器保存單一浮點臨時變數，指標 X87Top 追蹤。控制流離開基本塊或函數調用前呼叫 SaveX87Top 回寫。

基本塊代碼生成 EmitBlock

• 遍歷基本塊中間代碼，呼叫 EmitIRInst 透過查表分派具體生成函數（如 EmitJump、EmitCall）。
• 控制流轉移（跳轉、函數調用）前必須回寫寄存器：跳轉回寫全部 6 個寄存器（ClearRegs），函數調用依呼叫慣例僅回寫 eax, ecx, edx。
• 每條中間代碼生成後遞減操作數引用計數，影響後續溢出選擇。

條件運算式的跨基本塊臨時變數處理

d = (a > 0 ? b : c) + 1;
// 中間碼：
// if (a <= 0) goto BB4;
// BB3: t0 = b; goto BB5;
// BB4: t0 = c;
// BB5: t1 = t0 + 1; d = t1;

t0 在 BB3/BB4 分別賦值，離開塊時必須回寫，確保 BB5 讀到正確值。