构建编译器是计算机科学的核心技能之一，传统教程往往从零开始编写完整前端和后端，导致学习曲线陡峭。一种高效方法是采用“五项目渐进式”结构：每个项目聚焦单一阶段，独立可测试，最终组合成完整编译器。该方法强调增量开发，便于调试和理解，支持简单函数式语言（如支持let、if、while的基本表达式）。
项目1: Lexer/Tokenizer（词法分析器）
观点：词法分析是编译起点，将源代码字符串拆解为token流，是性能瓶颈之一。高效lexer需支持正则匹配与状态机。
证据：使用有限状态自动机（FSM）实现，缓冲区预读减少IO。参数建议：缓冲区大小4KB，回退栈深度32，避免无限循环。
落地清单：
- 定义Token类型：enum {Number, Ident, Op, Keyword, EOF}。
- 实现next_token()：while循环扫描char，switch处理状态（如数字积累）。
- 测试参数：输入1000行代码，目标<1ms/token；监控：token计数、错误率<0.1%。
- 回滚策略：遇非法char抛LexError，位置记录行/列。
示例伪代码（Rust风格）：
fn next_token(&mut self) -> Token {
self.skip_whitespace();
match self.ch {
'0'..='9' => self.read_number(),
'a'..='z' => self.read_ident(),
_ => self.read_op(),
}
}
优化：预分配Vec，容量1024。
项目2: Recursive Descent Parser（递归下降解析器）
观点：RD解析适合LL(1)文法，手写易懂，支持左递归消除。构建抽象语法树（AST）为后续优化奠基。
证据：预测表驱动，错误恢复用同步集。参数：递归深度限256，防栈溢出。
落地清单：
- 文法定义：Expr -> Term ((+|-) Term)；Term -> Factor ((|/) Factor)* 等。
- 实现parse_expr()等函数，peek_token()预览。
- 测试：覆盖率>90%，panic率0；参数：节点池复用，初始容量512。
- 监控：解析时间<5ms/100节点，AST验证遍历检查类型一致。
示例：
fn parse_expr(&mut self) -> Expr {
let mut left = self.parse_term();
while self.peek().kind == Plus {
let op = self.next();
let right = self.parse_term();
left = BinOp::new(left, op, right);
}
left
}
风险限：不支持二义文法，用优先级表解决。
项目3: Optimizer Passes（优化器多遍）
观点：优化分IR阶段，多遍pass：常量折叠、死代码消除、公共子表达式消除（CSE）。目标减小20-50%代码大小。
证据：数据流分析为基础，前向/后向pass。“优化器通过多遍遍历IR，消除冗余计算。”
落地清单：
- IR表示：SSA形式，便于分析。
- Pass顺序：1.常量折叠；2.死码消除；3.内联（限深度5）。
- 参数：迭代上限10遍，收敛阈值变化<1%；内存限1MB/pass。
- 测试：基准套件（如fib(30)），速度提升>2x；回滚：保存优化前IR。
示例常量折叠：
if let (Const(a), Const(b), Add) = (&left.kind, &right.kind, &op.kind) {
BinOp::Const(a + b)
}
项目4: IR to Bytecode Codegen（中间表示到字节码生成）
观点：字节码平台无关，紧凑高效。Codegen线性扫描IR，生成opcodes。
证据：栈机模型，opcodes如LOAD, ADD, JMP。参数：栈深度限64，指令缓冲8KB。
落地清单：
- 定义Bytecode：Vec，enum Instr {Load(u32), Add, Jump(usize)}。
- emit()函数：遍历AST/IR，递归生成。
- 测试：反汇编验证，执行匹配优化前；大小<源代码50%。
- 优化：跳转表压缩，常量池。
示例：
fn codegen_expr(&mut self, expr: &Expr) {
match expr {
Number(n) => self.emit(Instr::Load(*n)),
BinOp(left, Add, right) => {
self.codegen_expr(left);
self.codegen_expr(right);
self.emit(Instr::Add);
}
}
}
项目5: VM Interpreter（虚拟机解释器）
观点：栈式VM简单可靠，支持GC。解释字节码，运行程序。
证据：大循环fetch-decode-execute。参数：帧栈深度32，GC阈值堆80%满。
落地清单：
- VM状态：pc, stack: Vec, frames。
- run()：while pc < len { match fetch() { Add => pop2 add push } }
- GC：标记-清除，根从栈/全局。
- 测试：fib(35)<1s，内存<10MB；监控：指令计数，分支预测命中率>90%。
示例：
loop {
let instr = self.fetch();
match instr {
Instr::Add => {
let b = self.pop();
let a = self.pop();
self.push(a + b);
}
Instr::Halt => break,
}
}
工程化参数与监控
全链路：pipeline串联，错误传播用Result。构建工具：Cargo workspaces，一项目一crate。测试框架： criterion基准，proptest属性。部署：wasm目标浏览器demo。
风险：栈溢出（限递归），浮点精度（用f64）。回滚：每个项目snapshot git tag。
资料来源
- Kmicinski系列：“Build a Compiler in Five Projects”。
- HN讨论：https://news.ycombinator.com/（近期热门）。
此结构已在实践中验证，适合自学或教学。通过参数调优，可落地生产级toy compiler。（约1250字）