Введение в компиляцию. Структура компилятора. Процесс компиляции.
Язык программирования – это искуственный язык, созданный для взаимодействия с машиной, в частности, с компьютером. ЯП используются для написания программ, которые управляют машиной и/или выражают алгоритмы.
Первые ЯП были созданы задолго до появления компьютеров и управляли поведением, скажем, самоиграющих пианино или автоматических ткацких станков.
Многие ЯП имеют императивную форму, т.е. описывают последовательность операций. Другие могут иметь декларативную форму, т.е. описывают результат, а не то, как его получить.
Некоторые языки определяются стандартом (C,C++,Haskell, и др.). Другие не имеют формального описания, и наиболее широко распространенная реализация используется в качестве эталона.
Описание ЯП обычно делится на две части: синтаксис, т.е. форма, и семантика, т.е. значение.
Синтаксис в свою очередь подразделяется на лексику и грамматику.
Лексика определяет какие “слова” могут быть в языке. Это включает названия переменных, функций, числовые константы, строки, и т.п., а так же управляющие символы языка. Грамматика определяет каким образом эти “слова” комбинируются в более сложные выражения.
Не все синтаксически корректные программы являются семантически корректными. Например:
Семантика же подразделяется на статическую, динамическую, и систему типов.
определяет статические свойства языка, выходящие за рамки синтаксиса. Например, статическая семантика может определять, что все идентификаторы должны быть определены перед использованием, или что вызов функции должен принимать столько же аргументов, сколько указано в её определении (ни то ни другое не является, вообще говоря, обязательным)
определяет стратегию выполнения программы. Она определяет, каким образом исполняются инструкции, порядок их исполнения, значение управляющих структур и т.д.
определяет каким образом ЯП классифицирует значения и выражения, как эти типы взаимодействуют и каким образом ЯП может манипулировать ими. Система типов является практическим приложением теории категорий. Цель системы типов – проверка программы на корректность (до какой-то степени). Любая система типов, отвергая некорректные программы, будет так же отвергать некоторый процент корректных (хотя вероятно необычных) программ. Чтобы обойти это ограничение, ЯП обычно имеют некие механизмы для выхода из ограничений системы типов. В большинстве случаев, указание корректных типов ложится на совесть программиста. Однако некоторые ЯП (обычно функциональные) умеют выводить типы исходя из семантики, и таким образом освобождают программиста от необходимости явно указывать типы.
Динамическая семантика может определяться различными способами. Наиболее распространёнными являются операционная семантика и денотационная семантика.
Операционная семантика способ описания семантики, при котором для описания поведения используется набор аксиоматических определений синтаксических конструкций языка и логических правил вывода (вида “если, то”). Выделяют операционную семантику с малым шагом, когда подробно определяется каждый шаг вычисления для выражений, и операционную семантику с большим шагом, когда определяется конечный результат выражений. Денотационная семантика способ описания семантики, при котором выражениям языка ставятся в соответствие какие-то математические объекты с априори известной семантикой, т.е. смысл языковых конструкций ставится в соответствие конструкциям математическим.
Введение в компиляцию
Компиляция – это трансляция (преобразование) текста программы, написанного на одном языке (исходном), в эквивалентный (сохраняющий семантику) текст на другом языке (целевом).
Компилятор – это программа, читающая текст программы на исходном языке и компилирующая его.
Альтернативным подходом является интерпретация, т.е. непосредственное выполнение операций, указанных в исходном тексте программы.
Интерпретатор – программа, читающая исходный текст, и интерпретирующая его.
Кроме того, компилятор может производить статический анализ исходного кода программы и сообщать об ошибках и выводить предупреждения о потенциальных проблемах.
Целевой язык может быть машинным языком, в таком случае результат работы компилятора может быть выполнен исполнительным устройством непосредственно. Целевой язык может быть также другим языком программирования (транс-компиляция) или машинным языком для некой виртуальной машины (такой язык обычно называется байт-кодом). Байт-код в свою очередь выполняется программой-интерпретатором байт-кода.
Условная схема компиляции
Условная схема интерпретации
Условная схема компиляции в байт-код
Вообще говоря, для создания исполняемой программы на целевом языке могут потребоваться другие программы и компоненты.
Структура компилятора. Процесс компиляции
Процесс компиляции обычно разделяется на две фазы: анализ и синтез.
В фазе анализа происходит чтение исходного текста программы, затем этот текст разбивается на элементарные блоки, на них накладывается грамматическая структура, и создаётся промежуточное представление исходного текста и собирается другая информация об исходном тексте. На этой фазе так же возможен статический анализ исходного текста.
В фазе синтеза, на основе промежуточного представления и прочей информации, строится представление исходной программы в целевом коде. На этой фазе так же возможны преобразования целевого кода, называемые оптимизациями.
Кроме того, между анализом и синтезом может находиться фаза преобразований промежуточного кода, называемая машинно-независимой оптимизацией.
Лексический анализ
Первая фаза компиляции называется лексическим анализом или сканированием.
Лексический анализатор соответственно так же называется лексером или сканером.
Лексический анализатор сканирует входной поток символов (исходного текста программы) и выделяет значащие последовательности символов, называемые лексемами.
Для каждой лексемы анализатор выводит токен, представляющий из себя комбинацию абстрактного символа (названия типа токена) и произвольного набора атрибутов. Часто в качестве “набора атрибутов” выступает ссылка в глобальную таблицу, называемую таблицей символов.
Синтаксический анализ
Вторая фаза – синтаксический анализ или разбор, парсинг (от англ. parsing).
Синтаксический анализатор соответственно называется так же парсером.
Парсер строит из токенов, полученных от лексера, древовидное промежуточное представление (часто неявно), отражающее грамматическую структуру исходного кода. Примером такого представления является синтаксическое дерево, где узлы представляют операцию, дочерние узлы – аргументы этой операции.
Например, синтаксическое дерево арифметического выражения \(1+2*3\) может иметь вид:
Семантический анализ
Семантический анализатор использует синтаксическое дерево для проверки исходной программы на корректность.
На этом же этапе происходит проверка типов, и информация о типах переменных записывается в атрибуты соответствующих узлов синтаксического дерева.
Если спецификация языка разрешает неявное приведение типов, на этом этапе синтаксическое дерево может быть переписано с добавлением явных операций приведения типов.
Генерация промежуточного кода
В процессе компиляции, могут создаваться несколько промежуточных представлений, в частности, синтаксическое дерево.
Как правило, после завершения синтаксического и семантического анализа, значительная часть высокоуровневой информации (типы, названия переменных, многие управляющие конструкции и т.п.) далее не требуется, в связи с чем многие компиляторы по достижении этой фазы генерируют более низкоуровневое представление, называемое обычно промежуточным кодом.
Основными требованиями к промежуточному коду являются, с одной стороны, простота его получения из синтаксического дерева, и с другой стороны, простота генерации на его основе машинного кода.
Как следствие, часто в качестве промежуточного кода используется последовательность инструкций для некой абстрактной вычислительной машины.
На этом этапе обычно принимаются решения о распределении памяти для хранения значений переменных.
Машинно-независимая оптимизация
На фазе машинно-независимой оптимизации, промежуточный код преобразуется с целью “улучшения” без изменений наблюдаемого поведения (в соответствии со спецификацией языка 1 ). Под “улучшением” обычно понимается “ускорение”, но иногда возможны другие критерии, например “код меньшего размера” или “меньшее потребление памяти”.
Часто, алгоритм первичной генерации промежуточного кода достаточно простой, поэтому без фазы оптимизации, код оказывается достаточно неэффективным.
Объём работы, проделываемый различными компиляторами на этом этапе может сильно отличаться. Большинство распространённых на рынке компиляторов являются “оптимизирующими” и значительная часть времени компиляции уходит именно на оптимизацию (обычно есть способ отключить оптимизацию при необходимости).
Генерация целевого кода
Генератор целевого кода, получая на вход промежуточный код, отображает каждую команду промежуточного кода в одну или несколько команд целевого.
Кроме того, генератор целевого кода занимается задачей распределения регистров исполнительного устройства.
Машинно-зависимая оптимизация
Шаг машинно-зависимой оптимизации преобразует, как правило, уже целевой код. Основными способами оптимизации на данном этапе могут быть различные эквивалентные замены последовательностей машинных команд на более быстрые аналоги, не меняющие поведения перестановки команд или блоков команд, приводящие к ускорению и т.п.
Большинство решений машинно-зависимой оптимизации принимаются на основе модели исполнительного устройства, встроенной в компилятор. Например, в компилятор может быть включена информация об относительном времени выполнения различных инструкций определённого процессора (или семейства процессоров).
эта немаловажная оговорка доставляет много боли начинающим, а иногда и опытным, разработчикам C и C++↩︎
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Компилятор
Содержание
Виды компиляторов
Виды компиляции
Структура компилятора
Процесс компиляции состоит из следующих этапов:
В конкретных реализациях компиляторов эти этапы могут быть разделены или, наоборот, совмещены в том или ином виде.
Генерация кода
Генерация машинного кода
Большинство компиляторов переводит программу с некоторого высокоуровневого языка программирования в машинный код, который может быть непосредственно выполнен процессором. Как правило, этот код также ориентирован на исполнение в среде конкретной операционной системы, поскольку использует предоставляемые ею возможности (системные вызовы, библиотеки функций). Архитектура (набор программно-аппаратных средств), для которой производится компиляция, называется целевой машиной.
Результат компиляции — исполнимый модуль — обладает максимальной возможной производительностью, однако привязан к определённой операционной системе и процессору (и не будет работать на других).
Для каждой целевой машины (IBM, Apple, Sun и т. д.) и каждой операционной системы или семейства операционных систем, работающих на целевой машине, требуется написание своего компилятора. Существуют также так называемые кросс-компиляторы, позволяющие на одной машине и в среде одной ОС генерировать код, предназначенный для выполнения на другой целевой машине и/или в среде другой ОС. Кроме того, компиляторы могут оптимизировать код под разные модели из одного семейства процессоров (путём поддержки специфичных для этих моделей особенностей или расширений наборов инструкций). Например, код, скомпилированный под процессоры семейства Pentium, может учитывать особенности распараллеливания инструкций и использовать их специфичные расширения — MMX, SSE и т. п.
Некоторые компиляторы переводят программу с языка высокого уровня не прямо в машинный код, а на язык ассемблера (примером может служить PureBasic, транслирующий бейсик-код в ассемблер FASM). Это делается для упрощения части компилятора, отвечающей за кодогенерацию, и повышения его переносимости (задача окончательной генерации кода и привязки его к требуемой целевой платформе перекладывается на ассемблер), либо для возможности контроля и исправления результата компиляции программистом.
Генерация байт-кода
Некоторые реализации интерпретируемых языков высокого уровня (например, Perl) используют байт-код для оптимизации исполнения: затратные этапы синтаксического анализа и преобразование текста программы в байт-код выполняются один раз при загрузке, затем соответствующий код может многократно использоваться без промежуточных этапов.
Динамическая компиляция
Из-за необходимости интерпретации байт-код выполняется значительно медленнее машинного кода сравнимой функциональности, однако он более переносим (не зависит от операционной системы и модели процессора). Чтобы ускорить выполнение байт-кода, используется динамическая компиляция, когда виртуальная машина транслирует псевдокод в машинный код непосредственно перед его первым исполнением (и при повторных обращениях к коду исполняется уже скомпилированный вариант).
Декомпиляция
Существуют программы, которые решают обратную задачу — перевод программы с низкоуровневого языка на высокоуровневый. Этот процесс называют декомпиляцией, а такие программы — декомпиляторами. Но поскольку компиляция — это процесс с потерями, точно восстановить исходный код, скажем, на C++, в общем случае невозможно. Более эффективно декомпилируются программы в байт-кодах — например, существует довольно надёжный декомпилятор для Adobe Flash. Разновидностью декомпилирования является дизассемблирование машинного кода в код на языке ассемблера, который почти всегда выполняется успешно (при этом сложность может представлять самомодифицирующийся код или код, в котором собственно код и данные не разделены). Связано это с тем, что между кодами машинных команд и командами ассемблера имеется практически взаимно-однозначное соответствие.
Раздельная компиляция
Раздельная компиляция (англ. separate compilation ) — трансляция частей программы по отдельности с последующим объединением их компоновщиком в единый загрузочный модуль.
Исторически особенностью компилятора, отражённой в его названии (англ. compile — собирать вместе, составлять), являлось то, что он производил как трансляцию, так и компоновку, при этом компилятор мог порождать сразу машинный код. Однако позже, с ростом сложности и размера программ (и увеличением времени, затрачиваемого на перекомпиляцию), возникла необходимость разделять программы на части и выделять библиотеки, которые можно компилировать независимо друг от друга. При трансляции каждой части программы компилятор порождает объектный модуль, содержащий дополнительную информацию, которая потом, при компоновке частей в исполнимый модуль, используется для связывания и разрешения ссылок между частями.
Появление раздельной компиляции и выделение компоновки как отдельной стадии произошло значительно позже создания компиляторов. В связи с этим вместо термина «компилятор» иногда используют термин «транслятор» как его синоним: либо в старой литературе, либо когда хотят подчеркнуть его способность переводить программу в машинный код (и наоборот, используют термин «компилятор» для подчёркивания способности собирать из многих файлов один).
Интересные факты
На заре развития компьютеров первые компиляторы (трансляторы) называли «программирующими программами» [6] (так как в тот момент программой считался только машинный код, а «программирующая программа» была способна из человеческого текста сделать машинный код, то есть запрограммировать ЭВМ).
Компиляция (программирование)
Компилировать — проводить трансляцию машинной программы с проблемно-ориентированного языка на машинно-ориентированный язык. [3]
Содержание
Виды компиляторов [2]
Виды компиляции [2]
Основы
Большинство компиляторов переводит программу с некоторого высокоуровневого языка программирования в машинный код, который может быть непосредственно выполнен центральным процессором. Как правило, этот код также ориентирован на исполнение в среде конкретной операционной системы, поскольку использует предоставляемые ею возможности (системные вызовы, библиотеки функций). Архитектура (набор программно-аппаратных средств), для которой производится компиляция, называется целевой машиной.
Для каждой целевой машины (Apple и т. д.) и каждой операционной системы или семейства операционных систем, работающих на целевой машине, требуется написание своего компилятора. Существуют также так называемые кросс-компиляторы, позволяющие на одной машине и в среде одной ОС получать код, предназначенный для выполнения на другой целевой машине и/или в среде другой ОС. Кроме того, компиляторы могут быть оптимизированы под разные типы процессоров из одного семейства (путём использования специфичных для этих процессоров инструкций). Например, код, скомпилированный под процессоры семейства MMX, SSE2.
Также существуют компиляторы, переводящие программу с языка высокого уровня на язык ассемблера.
Существуют программы, которые решают обратную задачу — перевод программы с низкоуровневого языка на высокоуровневый. Этот процесс называют декомпиляцией, а программы — декомпиляторами. Но поскольку компиляция — это процесс с потерями, точно восстановить исходный код, скажем, на C++, в общем случае невозможно. Более эффективно декомпилируются программы в байт-кодах — например, существует довольно надёжный декомпилятор для Flash. Сходным процессом является дизассемблирование машинного кода в код на языке ассемблера, который всегда выполняется успешно. Связано это с тем, что между кодами машинных команд и командами ассемблера имеется практически однозначное соответствие.
Структура компилятора
Процесс компиляции состоит из следующих этапов:
В конкретных реализациях компиляторов эти этапы могут быть раздельны или совмещены в том или ином виде.
Трансляция и компоновка
Важной исторической особенностью компилятора, отражённой в его названии (англ. compile — собирать вместе, составлять), являлось то, что он мог производить и компоновку (то есть содержал две части — транслятор и компоновщик). Это связано с тем, что раздельная компиляция и компоновка как отдельная стадия сборки выделились значительно позже появления компиляторов, и многие популярные компиляторы (например, GCC) до сих пор физически объединены со своими компоновщиками. В связи с этим, вместо термина «компилятор» иногда используют термин «транслятор» как его синоним: либо в старой литературе, либо когда хотят подчеркнуть его способность переводить программу в машинный код (и наоборот, используют термин «компилятор» для подчёркивания способности собирать из многих файлов один).
Интересные факты
Примечания
См. также
Литература
Полезное
Смотреть что такое «Компиляция (программирование)» в других словарях:
Компиляция — Компиляция: В Викисловаре есть статья «компиляция» Компиляция (литература) (лат. … Википедия
Условная компиляция — В информатике, препроцессор это компьютерная программа, принимающая данные на входе, и выдающая данные, предназначенные для входа другой программы, например, такой как компилятор. О данных на выходе препроцессора говорят, что они находятся в… … Википедия
Объектно-ориентированное программирование — Эта статья во многом или полностью опирается на неавторитетные источники. Информация из таких источников не соответствует требованию проверяемости представленной информации, и такие ссылки не показывают значимость темы статьи. Статью можно… … Википедия
JIT-компиляция — Just in time compilation (JIT, компиляция «на лету»), dynamic translation (динамическая компиляция) технология увеличения производительности программных систем, использующих байт код, путём компиляции байт кода в машинный код… … Википедия
Сравнение языков программирования — Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Условные обозначения … Википедия
Пайтон — Python Класс языка: функциональный, объектно ориентированный, императивный, аспектно ориентированный Тип исполнения: интерпретация байт кода, компиляция в MSIL, компиляция в байт код Java Появился в: 1990 г … Википедия
ГОСТ 19781-90: Обеспечение систем обработки информации программное. Термины и определения — Терминология ГОСТ 19781 90: Обеспечение систем обработки информации программное. Термины и определения оригинал документа: 9. Абсолютная программа Non relocatable program Программа на машинном языке, выполнение которой зависит от ее… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Паскаль (язык) — Pascal Семантика: процедурный Тип исполнения: компилятор Появился в: 1970 г. Автор(ы): Никлаус Вирт Паскаль (англ. Pascal) высокоуровневый язык программирования общего назначения. Один из наиболее известных языков программирования, широко… … Википедия
Паскаль (язык программирования) — Эта статья или раздел нуждается в переработке. В Паскале нет модулей, ООП и прочих новомодных веяний. Описание расширений должно присутствовать только в статьях о соответ … Википедия
D (язык программирования) — У этого термина существуют и другие значения, см. D. D Семантика: мультипарадигменный: императивное, объектно ориентированное, обобщённое программирование Тип исполнения: компилятор Появился в: 1999 Автор(ы) … Википедия
Понятие компиляции в информатике
Вы будете перенаправлены на Автор24
Компиляция в информатике — это формирование программы, которое включает транслирование всех программных модулей.
Введение
Под компиляцией понимаются процессы, которые облегчают диалог специалиста по написанию программ и компьютера. Формируя на этапе завершения свою программу, каждый программист вынужден использовать программу компиляции. В техническом описании эта программа занимает очень скромное место и определяется как утилита, которая осуществляет компиляцию. Компиляцией является операция преобразования программного приложения, которое выполнено на известном людям языке (определяется как язык высокого уровня), в команды языка низкого уровня, которые понимает компьютер. В итоге получается программа, приближённая к машинным кодам. Программа имеет вид объектного модуля или абсолютного кода. В отдельных случаях эта программа может походить на команды ассемблера. То есть, компиляцией является преобразование входных данных (исходного кода), описывающих некий алгоритм, выполненный на проблемном языке, в выбранный набор команд объектного кода (машинный язык).
Если сформулировать более коротко, то процесс компиляции — это трансляция программы из проблемно-ориентированного языка в машинно-ориентированный. Это простая и прозрачная формулировка, но на самом деле процесс компиляции представляется очень многоплановым.
Компиляция в информатике
Есть различные виды компиляции:
Чтобы программистам было удобно решать разнообразные задачи, можно выбрать наиболее подходящий для данного случая компилятор. Если же выполнить подробную классификацию компиляторов, то возможно определить некоторое количество аналогичных утилит:
Готовые работы на аналогичную тему
Наиболее часто встречаются задачи компиляции ядра для операционной системы Linux. Эта процедура способна разрешить обширный круг задач, которые связаны с привязкой аппаратного обеспечения и адаптации оптимальной версии операционной системы. При компиляции Java возможно применение компиляторов, которые работают под самыми разными платформами. Это даёт возможность перекомпиляции исходных кодов под нужды различных операционных систем разных брендов.
Структурное построение компилятора
В процессе выполнения компиляции, реализуются следующие этапы:
Для разных типов компиляторов возможно подразделение или совмещение данных этапов в различных вариациях.
Трансляция и компоновка
Следует отметить один важный исторический момент. На ранних стадиях своего развития, компилятор имел возможность выполнять не только трансляцию, но также и компоновку программы. Он состоял из двух составляющих, собственно транслятора и компоновщика. Это можно объяснить тем обстоятельством, что отделение компиляции от компоновки, как отдельного этапа, произошло гораздо позднее разработки компиляции. Но и сегодня во многих известных компиляторах есть физическое объединение с компоновщиками. По этой причине, терминология «компилятор» иногда заменяется словом «транслятор», которое является фактически синонимом.
