Как устроен компилятор? Компиляция в программировании

Если вы только приступили к изучению программирования или интересуетесь данным вопросом, то вы наверняка сталкивались с таким таинственным словом, как «компилятор». Одним своим видом это страшное понятие способно отпугнуть пользователей. В данном обзоре мы попытаемся разобраться, действительно ли все так ужасно на самом деле.

Компилятор: определение и история возникновения

Если говорить простыми словами, то под компилятором сегодня имеется в виду программа, которая преобразует текст программы, написанной пользователем, в определенную форму, пригодную для выполнения на вычислительной машине. Такие программы появились одновременно с зарождением первых языков программирования. Это произошло еще в конце 50-х годов. Получается, что история, связанная с языками программирования и компиляторами, насчитывает уже более 60 лет. Данное направление компьютерной науки, несмотря на столь серьезный срок, нельзя назвать устоявшимся или устаревшим. Наоборот, с ходом времени, появлением новых задач и отраслей, для решения которых используются персональные компьютеры, появляется необходимость в разработке новых, более удобных языков программирования. Для этих языков соответственно и требуются компиляторы. Свои разработки существуют для каждой платформы.

Компилятор: принцип работы

Исходный текст, созданный на языке высокого уровня разработчиком, должен быть преобразован в программу, написанную на специальном машинном языке. Этот код и называют исполняемой программой. Исполняемую программу можно устанавливать и запускать на любом персональном компьютере, не делая при этом никаких преобразований.

Компиляторы по традиции являются одной из основных вещей в информатике, наряду с базами данных и операционными системами. Что же собой представляет компилятор? Это в каком-то смысле базис современной компьютерной науки. Сама тема создания таких программ с другой точки зрения подразумевает большое количество технологических и теоретических аспектов, связанных с программированием. Как полагают многие разработчики, данная тема вообще является наиболее привлекательной в информатике. При разработке программы, решающей определенную задачу, программист пишет ее на специальном языке программирования. В процессе разработки он использует термины, которые близки именно к той области, с которой ему приходится иметь дело. Компьютер совершенно не понимает, что человек от него хочет. Он может разобраться только в простых вещах, таких как переменные, регистры, ячейки, постоянная и временная память. Что же собой представляет компилятор? Это специальная программа, основная задача которой заключается в переводе понятий, близких к предметной области программиста, в понятия, которыми может манипулировать персональный компьютер. Именно эту задачу выполняет компилятор для любого языка программирования. При появлении нового языка появляется необходимость в переводе написанного на нем кода в вид, который сможет понять компьютер. В противном случае, код не будет выполнен. Всегда имеется семантический зазор между понятиями человека и персонального компьютера. Компиляторы языка программирования предназначены как раз для его преодоления.

Создатели компиляторов сталкиваются со множеством различных проблем. Это и научные проблемы, которые связаны с правильным отображением понятий в прикладной области, и технологические, и инженерные проблемы, связанные с реализацией отображения. При создании компилятора приходится выполнять множество разнородных подзадач. Это очень сложная отрасль, которой программисты посвящают всю свою жизнь.

Компилятор и класс

Многие из вас наверняка слышали о таких языках программирования, как C++ и C. Это одни из наиболее распространенных и популярных языков. Такие серьезные языки программирования содержат мощные понятия, которые удобны для отображения понятий прикладных областей. Там, к примеру, присутствует такое понятие, как классы и функции. Они являются основополагающими для многих языков программирования, но для C++ они особенно характерны. Программисту намного удобнее будет создавать модели при помощи таких понятий. Компилятор C для любой операционной системы дает возможность отобразить такие высокоуровневые вещи в понятной для компьютера форме. Тогда компьютер легко сможет ими манипулировать. Любая вычислительная машина, какой бы сложной она не была, оперирует простыми понятиями. Однако понятие класса можно назвать трудным, поскольку с его помощью удобно отражать многие объекты реальной жизни. Задача компилятора заключается в том, чтобы превращать сложные понятия в примитивные.

Разработка компиляторов

В последнее время можно проследить четкую тенденцию, связанную с тем, что любая крупная компания в сфере информационных технологий выпускает собственный язык программирования, который затем продвигается в массы. Для каждого языка программирования требуется свой собственный компилятор. Как правило, их создают вместе с языками. Однако, существует большое количество фирм и самостоятельных программистов, которые хотят иметь собственные компиляторы для тех или иных языков, или же разрабатывают собственные языки программирования и соответственно компиляторы к ним. Можно с полной уверенность сказать, что программист, который решил посвятить свою жизнь данной сфере, без работы точно не останется. Теперь вам должно быть более-менее понятно, что собой представляет компилятор. Это своеобразная программа-переводчик, которая используется для взаимодействия между разработчиком и компьютером. Сегодня в сфере компьютерной техники без данного элемента никуда.

Номере "Компьютерных вестей" за этот год я рассказал вам о том, как устроен отладчик. Конечно, с тех пор прошло уже немало времени, но узнавать новое никогда не поздно. Сегодня мы с вами поговорим об устройстве ничуть не менее важного для программиста инструмента - компилятора.

Конечно, во многих ВУЗах есть специальные курсы, посвящённые устройству различных компонентов современных компиляторов и интерпретаторов. И современные компиляторы слишком сложны для того, чтобы рассказать о них в одной статье достаточно подробно. Тем не менее, базовые механизмы работы компиляторов остались неизменными со времён выпуска первого компилятора языка Фортран.

С высоты птичьего полёта...

Компилятор представляет собой монолит - этакий чёрный ящик , который прожёвывает исходный код программы, а затем выдаёт на-гора либо исполняемый файл , либо, хотя бы, просто какой-то исполняемый байт-код, который потом может быть успешно скормлен виртуальной машине. Но, конечно же, на самом деле такая сложная вещь, как компилятор, не может быть просто монолитным куском - любой компилятор состоит из нескольких частей, которые должны быть "состыкованы" в определённом порядке.

Итак, что же это за части? Это лексический анализатор, или сканер; синтаксический анализатор, или парсер; семантический анализатор; а также один или несколько генераторов кода и один или несколько оптимизаторов. Также к компилятору часто относят дополнительные инструменты, нужные для создания исполняемого файла - сборщик и компоновщик.

Все эти названия для непосвящённого человека выглядят настоящей китайской грамотой. Однако, когда вы прочтёте о том, что делает каждый из компонентов компилятора, думаю, согласитесь, что концептуально это всё довольно просто.

От "А" до "Я"

Первый этап разбора исходного текста программы, осуществляемого компилятором, - это лексический анализ. Лексический анализатор считывает последовательно все слова (токены, лексемы) в тексте программы, преобразуя их в конструкции, которые затем уже используются для дальнейшего разбора текста. Делается это для того, чтобы различить в последующем различные идентификаторы и непосредственные конструкции самого языка (такие, как зарезервированные слова).

Следом за лексическим анализом может быть препроцессор. Тем, кто знаком с языками программирования C или С++, нет нужды объяснять, в чём состоит его функция. Для остальных же скажу, что основная задача препроцессора - это замена одних лексем другими, которые были заранее определены в тексте программы. Используется препроцессор также для условной компиляции (т.е. когда кусок кода должен быть откомпилирован только при выполнении определённых условий - для определённой платформы, только при отладочном билде и т.д. и т.п.), для выполнения определённых макросов (как в том же C/C++) и некоторых других подобных вещей. Препроцессор не является обязательной частью компилятора, поскольку многие языки программирования не нуждаются в нём.

Следующий этап - это синтаксический анализ, или парсинг. Этот этап компиляции выполняется синтаксическим анализатором, или парсером, и является, пожалуй, самым важным и, если можно так сказать, ответственным этапом компиляции. Компилятор рассматривает все токены, и, в зависимости от их значения и положения в тексте программы, формирует так называемое дерево разбора. То есть программа, бывшая до этого в недрах компилятора просто линейным набором символов, становится деревом, элементы которого расположены в соответствии с грамматикой того языка программирования, для которого написан данный конкретный компилятор.

Следом за синтаксическим анализом следует этап анализа семантического. Если синтаксический анализатор строил скелет нашей программы, то семантический помогает этому скелету обрасти плотью. Программа наполняется смыслом: переменные становятся переменными, объекты - объектами, а баги - багами. На самом деле, никакого волшебства не происходит - просто дерево разбора, терпеливо построенное парсером, дополняется семантической информацией о значении идентификаторов. Кстати, на этом этапе возникают и многие ошибки компиляции - например, такие, как несоответствие типов. Хотя, конечно, на парсинг тоже приходится изрядное количество ошибок, без которых, к сожалению, текст свеженаписанной программы обходится крайне редко даже у очень опытных программистов .

Дальше пути различных компиляторов расходятся. В большинстве компиляторов следом за этапом семантического анализа идёт перевод программы в некоторый промежуточный код, который может использоваться для генерации кода под разные аппаратные платформы. Если компилятор выполняет компиляцию только для какой-то одной аппаратной платформы, то программа может транслироваться в коды на языке Ассемблера соответствующей процессорной архитектуры, или, если компилятор трудится для какой-то виртуальной машины (как, например, в случае Java или Microsoft .NET), то переводиться программа может затем в специальный байт-код, понятный соответствующей виртуальной машине. Тем не менее, в большинстве современных компиляторов нет непосредственной трансляции в ассемблерный код - даже если в итоге компилятор не должен стараться для создания кросс-платформенных программ, всё равно, сначала идёт трансляция программы в какой-то промежуточный код, а только потом уже в исполняемый. Причина этого в оптимизации кода.

Современные компиляторы, даже самые слабенькие и плохонькие, поддерживают хотя бы базовую оптимизацию кода. Более мощные коммерческие компиляторы содержат в себе очень мощные алгоритмы оптимизации кода, которые позволяют при некоторых условиях сделать её в разы быстрее. Особенно мощными в плане оптимизации давным-давно тому назад считались компиляторы производства Watcom, сейчас, вроде бы, постепенно восстанавливающие свою былую славу в виде open-source продукта. Потом пальма первенства перешла к компиляторам Intel, и сейчас именно они считаются самыми лучшими компиляторами в плане оптимизации. Что ж, это довольно логично - кому, как ни создателям процессоров, знать, как лучше всего оптимизировать программы для работы на них. Впрочем, не важно, плоха оптимизация в компиляторе или нет - главное, что в любом оптимизирующем компиляторе есть модуль, называемый оптимизатором, который начинает свою работу после генератора промежуточного кода. Справедливости ради стоит сказать, что оптимизатор может работать и после генерации уже исполняемого кода, но в наши дни такая схема встречается уже редко, поскольку производители компиляторов, как правило, выпускают целую линейку подобных продуктов для разных языков программирования и стараются делать оптимизаторы, которые можно встроить в любой из этих компиляторов. Какими именно методами оптимизатор может повышать скорость работы программы - это тема отдельной статьи, которую, возможно, вы когда-нибудь и сможете увидеть на страницах "Компьютерных вестей".

В любом случае, работа компилятора заканчивается генерацией исполняемого кода. Это может быть код виртуальной машины или код на языке ассемблера, но этот код уже пригоден для выполнения скомпилированной программы.

Для того, чтобы вы легче могли представить себе работу компилятора и последовательность работы его составных частей, я решил снабдить статью небольшой схемой. На ней чёрным цветом изображены те компоненты, которые присутствуют в любом компиляторе, а серым - необязательные для ряда компиляторов составные части.

Дополнительные компоненты

Как правило, компиляторы снабжаются, как я уже говорил выше, сборщиком и компоновщиком (ассемблером и линкером, как их называют чаще). Они помогают компилятору создать из исходного текста программы не просто ассемблерный код, а исполняемый файл, который программист может передать пользователю той операционной системы, для которой он писал программу, а тот уже сможет его запустить точно таким же образом, каким привык запускать все другие программы на своём компьютере.

Ассемблер и компоновщик в ряде случаев встроены прямо в компилятор, в других же случаях они выделяются в отдельные программы, которые запускаются после завершения работы самого компилятора. Их может и вовсе не быть, как, например, для компиляторов, преобразующих программы с одного языка высокого уровня на другой высокоуровневый язык (так называемых фронт-эндов), или они могут присутствовать только в виде, например, специфического сборщика, создающего код для виртуальной машины и помещающего его в какую-то специальную оболочку компоновщика (классический пример - Java с её JAR-файлами). Стоит, тем не менее, сказать пару слов о назначении этих двух инструментов.

Ассемблер (сборщик) - это программа, которая переводит код на языке Ассемблера в инструкции (операционные коды) процессора или в инструкции виртуальной машины. Поскольку язык Ассемблера - это низкоуровневый язык, то ассемблер не считают компилятором, хотя, конечно, он тоже производит некоторые этапы разбора программы, характерные для компилятора.

Компоновщик создаёт из того кода, который сгенерировал ассемблер, исполняемые файлы. Даже для одной и той же процессорной архитектуры исполняемые файлы будут отличаться в зависимости от операционной системы. Например, для Windows формат исполняемых файлов - это Portable Executable (PE), а для Linux - Executable Linked File (EXE).

Резюме

Как видите, если смотреть на компиляторы со стороны, то всё в них просто и не вызывает никаких особенно заковыристых вопросов. На практике всё, мягко говоря, немного сложнее. И если вы вдруг решите написать собственный компилятор, то не стоит заранее пугаться, хотя к определённым сложностям нужно, как и в любой новой работе, быть готовым. Я бы лично рекомендовал начинать знакомство с предметом с написания какого-нибудь простого эзотерического языка вроде Brainfuck или Whitespace. Поскольку сам я в своё время интересовался благодаря своему знакомому Марату Духану первым из них, то и вам рекомендую его.

Вообще, если же вы вдруг решили проникнуть глубже в тайны создания компиляторов, то в Интернете для вас найдётся масса литературы - и простой, и академически точной и подробной. Начать можно, например, отсюда: kit.kulichki.net . Хотя сайт уже не обновлялся целую вечность, информация, размещённая на нём, подойдёт для новичка и не устареет ещё не один десяток лет. Вообще, если погуглить, информации найдёте очень много, даже придётся её фильтровать. Так что успехов вам с компиляторами!

Вадим СТАНКЕВИЧ

Создавая на завершающем этапе определенную программу, любому программисту приходиться обращаться к услугам компилятора. В технической документации этой программе отведено довольно скромное определение как утилите, выполняющей компиляцию. Компиляция - это процесс превращения программы, написанной на языке, понятном человеку (языке высокого уровня), в команды, понятные для машины (низкоуровневый язык). В результате получаем программу, которая близка Она может выглядеть как объектный модуль, абсолютный код. Иногда такая программа похожа на

Таким образом, компиляция - это когда входная информация (исходный код), представляющая описание алгоритма или написанная на проблемно-ориентированном языке программа, переписывается в эквивалентный перечень команд, представленных в объектном коде (машинно-ориентированном языке).

Если еще упростить определение, то компилировать - это транслировать машинную программу с проблемно-ориентированного в машинно-ориентированный язык.

Несмотря на прозрачность и простоту определения, компиляция - это процесс довольно многоплановый. Существует несколько ее видов. Пакетная компиляция осуществляется над несколькими исходными модулями в одном пункте задания. Построчная компиляция - это то же самое, что и интерпретация (пошаговая независимая компиляция каждого последующего оператора). Еще существует условная компиляция. В таком случае транслируемый текст имеет зависимость от условий, которые заданы в исходной программе директивами компилятора.

Меняя значение определенной константы, можно регулировать включение или выключение трансляции части текста программы.

Для удобства программистов при решении различных задач применяются наиболее удобные и приспособленные компиляторы. Если произвести их классификацию, то можно выделить несколько видов подобных утилит.

Компилятор векторизующий производит трансляцию исходного кода в машинный компьютерный код, подстраиваясь под векторные процессоры.

Гибкий компилятор был разработан на основе модульного принципа. Его управление осуществляется таблицами. Запрограммирован он на высокоуровневом языке. Также возможна его реализация при помощи компилятора компиляторов.

Компилятор инкрементальный осуществляет повторное транслирование фрагментов программы и дополнений к ней, при этом перекомпиляция всей программы исключается.

Интерпретирующий или пошаговый компилятор использует принцип последовательного выполнения независимой компиляции для каждого отдельного оператора или команды из исходной программы.

Который воспринимает формальное описание для языка программирования. Он способен самостоятельно генерировать компилятор для конкретного языка.

Отладочный компилятор может самостоятельно устранять некоторые виды ошибок синтаксиса.

Резидентному компилятору отведено постоянное место в оперативной памяти, и он доступен при повторном использовании широким спектром задач.

Существуют самокомпилируемые компиляторы. Они пишутся тем же языком, с которого происходит трансляция.

Универсальный компилятор имеет в основании формальное описание семантики и синтаксиса входного языка. Он состоит из ядра, синтаксического и семантического загрузчиков.

Наиболее часто встречающиеся задачи, где компиляторы находят себе применение, − это компиляция ядра для платформы Linux. Операция эта позволяет решить широкий спектр проблем, связанных с согласованием оборудования и настройки наиболее приемлемой версии платформы.

Компиляция Java реализовывается при использовании компиляторов, работающих на самых различных платформах. Это позволяет исходные коды перекомпилировать под потребности операционных систем от разных производителей.

Компилятоp (от англ. Compile - собирать вместе, составлять) - системная программа, выполняющая преобразование программы, написанной на одном алгоритмическом языке, в программу на языке, близком к машинному, и в определенном смысле эквивалентную первой.
Компиляторы пишутся как на автокоде, так и на языках высокого уровня. Кроме того, существуют и специальные языки конструирования компиляторов - компиляторы компиляторов.
Компилятор компиляторов (КК) - система, позволяющая генерировать компиляторы; на входе системы - множество грамматик, а на выходе, в идеальном случае, - программа. Иногда под КК понимают язык программирования, в котором исходная программа - это описание компилятора некоторого языка, а объектная программа - сам компилятор для этого языка. Исходная программа КК - это просто формализм, служащий для описания компиляторов, содержащий, явно или неявно, описание лексического и синтаксического анализаторов, генератора кодов и других частей создаваемого компилятора. Обычно в КК используется реализация схемы т.н. синтаксически управляемого перевода. Кроме того, некоторые из них представляют собой специальные языки высокого уровня, на которых удобно описывать алгоритмы, используемые при создании компиляторов.

История создания компиляторов
Первые компиляторы появились в начале 1950-х гг. Сегодня сложно определить, когда появился первый компилятор, поскольку в те годы проводилось множество экспериментов и разработок различными независимыми группами. В основном, целью разработки первых компиляторов было преобразование в машинный код арифметических формул.

Годом рождения теории компиляторов можно считать 1957, когда появился первый компилятор языка Фортран, созданный Бэкусом и дающий достаточно эффективный объектный код. Он работал на платформах IBM 7040, IBM 360 и DEC PDP-11. В 1980 г. была разработана новая версия для IBM 360 и IBM PC, которая поддерживала стандарт FORTRAN 77. Через год была образована фирма Watcom, которая в 1988 г. представила компилятор C. Он сразу получил широкую популярность среди программистов, так как генерировал самый быстрый код среди компиляторов того времени.

Основы
Большая часть компиляторов переводят программу с некоторого высокоуровневого языка программирования в машинный код, который может быть непосредственно выполнен центральным процессором. Как правило, этот код также должен выполняться в среде конкретной операционной системы, поскольку использует предоставляемые ей возможности (системные вызовы, библиотеки функций). Архитектура (набор программно-аппаратных средств), для которой производится компиляция, называется целевой машиной.
Некоторые компиляторы (например, Java) переводят программу не в машинный код, а в программу на некотором специально созданном низкоуровневом языке. Такой язык - байт-код - также можно считать языком машинных команд, поскольку он подлежит интерпретации виртуальной машиной. Например, для языка Java это JVM (язык виртуальной машины Java), или так называемый байт-код Java (вслед за ним все промежуточные низкоуровневые языки стали называть байт-кодами). Для языков программирования на платформе.NET Framework (C#, Managed C++, Visual Basic .NET и другие) это MSIL (Microsoft Intermediate Language, "Промежуточный язык фирмы Майкрософт").

Программа на байт-коде подлежит интерпретации виртуальной машиной, либо ещё одной компиляции уже в машинный код непосредственно перед исполнением. Последнее называеется "Just-In-Time компиляция" (JIT), по названию подобного компилятора для Java. MSIL-код компилируется в код целевой машины также JIT-компилятором, а библиотеки.NET Framework компилируются заранее).
Для каждой целевой машины (IBM, 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 i686, может использовать специфичные для этих процессоров наборы инструкций - MMX, SSE, SSE2.
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.

Логическая структура компилятора

1. Лексический анализ. Лексический анализатор выполняет распознавание лексем языка и замену их соответствующими кодами. Под лексемами понимаются элементарные единицы, входящие в структуру предложения языка, такие как ключевые слова, константы, имена и т.п. Правильность задания структуры предложения языка на фазе лексического анализа не выполняется. Результатом является поток лексем (кодов - ссылок на таблицы), эквивалентный исходному тексту.
2. Синтаксический анализатор необходим для того, чтобы выяснить, удовлетворяют ли предложения, из которых состоит исходная программа, правилам грамматики этого языка. Процесс синтаксического анализа может рассматриваться как построение дерева грамматического разбора для транслируемых предложений. Грамматики могут использоваться как для порождения так и для распознавания предложений языка. Порождение начинается с начального понятия (или аксиомы грамматики). При распознавании с помощью грамматических правил порождается предложение, которое затем сравнивается с входной строкой. При этом применение правил подстановки для порождения очередного символа предложения зависит от результатов сравнения предыдущих символов с соответствующими символами входной строки. Результат анализа исходного предложения в терминах грамматических конструкций удобно представлять в виде дерева. Такие деревья обычно называются деревьями грамматического разбора или синтаксическими деревьями. READ (VALUE).
3. Семантический анализ. На этом этапе осуществляется контроль типа и вида всех идентификаторов и других операндов.
4. Оптимизация. Происходит преобразование исходной программы в промежуточную (например, польскую) форму записи. Оптимизация промежуточного кода - выделение общих подвыражений и вычисление константных подвыражений. Фаза оптимизации предназначена для уменьшения избыточности программы по затратам времени и памяти. В зависимости от критериев проектирования транслятора данная фаза обработки программы может исключаться из цикла обработки программы.
5. Распределение памяти. На этом этапе выделяются конкретные адреса пользователя под переменные, которые генерируются компилятором.
6. Генератор объектного (ассемблерного) кода - выполняет подстановку кодовых образцов на выходном языке, соответствующих промежуточным кодам программы. Генератору кода могут не требоваться шаблоны, он весь может быть реализован в процедурном виде.
7. Машинно-зависимая компиляция. Зависит от того, какие используются регистры. Работа этой процедуры зависит от соглашений, принятых для исполняемой части программы. Например, выделяется базовый регистр для текущей активной записи в стеке. В конкретных реализациях компиляторов, эти этапы могут быть разделены или совмещены в том или ином виде.

Транслятор
Транслятор - это программа, которая переводит исходную программу в эквивалентную ей объектную программу. Если объектный язык представляет собой автокод или некоторый машинный язык, то транслятор называется компилятором.

Автокод очень близок к машинному языку; большинство команд автокода - точное символическое представление команд машины.

Важной исторической особенностью компилятора 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 подчеркивания способности собирать из многих файлов один).

Примеры компиляторов
■ GCC
■ Free Pascal Compiler
■ Компиляторы C, C++ и Fortran от Sun Microsystems Inc.
■ Watcom Fortran/C++ Compiler
■ Intel C++/Fortran compiler
■ ICC AVR.

Литература:
1. Альфред Ахо, Рави Сети, Джеффри Ульман, "Компиляторы. Принципы, технологии, инструменты", "Вильямс", М.-С-Пб.-К. 2003 г.
2. Карпов В.Э. "Классическая теория компиляторов", Учебное пособие - Московский государственный институт электроники и математики, М., 2003 г.
3. Робин Хантер "Основные концепции компиляторов" М.: "Вильямс", 2002 г.
4. Хантер Р. Проектирование и конструирование компиляторов: Пер. с англ. С. М. Круговой - М. Финансы и статистика, 1984 г.

Виды компиляторов

• Векторизующий . Транслирует исходный код в машинный код компьютеров, оснащённых векторным процессором .
• Гибкий . Сконструирован по модульному принципу, управляется таблицами и запрограммирован на языке высокого уровня или реализован с помощью компилятора компиляторов.
• Диалоговый . См.: диалоговый транслятор.
• Инкрементальный . Повторно транслирует фрагменты программы и дополнения к ней без перекомпиляции всей программы.
• Интерпретирующий (пошаговый) . Последовательно выполняет независимую компиляцию каждого отдельного оператора (команды) исходной программы.
• Компилятор компиляторов . Транслятор, воспринимающий формальное описание языка программирования и генерирующий компилятор для этого языка.
• Отладочный . Устраняет отдельные виды синтаксических ошибок.
• Резидентный . Постоянно находится в оперативной памяти и доступен для повторного использования многими задачами.
• Самокомпилируемый . Написан на том же языке, с которого осуществляется трансляция.
• Универсальный . Основан на формальном описании синтаксиса и семантики входного языка. Составными частями такого компилятора являются: ядро, синтаксический и семантический загрузчики.

Виды компиляции

• Пакетная . Компиляция нескольких исходных модулей в одном пункте задания.
• Построчная . То же, что и интерпретация .
• Условная . Компиляция, при которой транслируемый текст зависит от условий, заданных в исходной программе директивами компилятора. Так, в зависимости от значения некоторой константы, можно включать или выключать трансляцию части текста программы.

Структура компилятора

Процесс компиляции состоит из следующих этапов:

1. Лексический анализ . На этом этапе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем.
2. Синтаксический (грамматический) анализ . Последовательность лексем преобразуется в дерево разбора.
3. Семантический анализ. Дерево разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) - например, привязка идентификаторов к их декларациям, типам, проверка совместимости, определение типов выражений и т. д. Результат обычно называется «промежуточным представлением/кодом», и может быть дополненным деревом разбора, новым деревом, абстрактным набором команд или чем-то ещё, удобным для дальнейшей обработки.
4. Оптимизация . Выполняется удаление излишних конструкций и упрощение кода с сохранением его смысла. Оптимизация может быть на разных уровнях и этапах - например, над промежуточным кодом или над конечным машинным кодом.
5. Генерация кода . Из промежуточного представления порождается код на целевом языке.

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).

Некоторые компиляторы переводят программу с языка высокого уровня не прямо в машинный код, а на язык ассемблера . 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

Результатом работы компилятора может быть программа на специально созданном низкоуровневом языке , подлежащем интерпретации виртуальной машиной . Такой язык называется псевдокодом или байт-кодом . Как правило, он не является машинным кодом какого-либо компьютера и программы на нём могут исполняться на различных архитектурах, где имеется соответствующая виртуальная машина, но в некоторых случаях создаются аппаратные платформы, напрямую поддерживающие псевдокод какого-либо языка. Например, псевдокод языка Java называется байт-кодом Java и выполняется в Java Virtual Machine , для его прямого исполнения была создана спецификация процессора picoJava . Для платформы .NET Framework псевдокод называется Common Intermediate Language (CIL), а среда исполнения - Common Language Runtime (CLR).

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 в при повторных обращениях к коду исполняется уже скомпилированный вариант).

CIL-код также компилируется в код целевой машины JIT-компилятором, а библиотеки .NET Framework компилируются заранее.

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 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 абсолютный 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).

На заре развития компьютеров первые компиляторы (трансляторы) называли «программирующими программами» (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).

См. также

Примечания

Литература

• Альфред В. Ахо, Моника С. Лам, Рави Сети, Джеффри Д. Ульман. Компиляторы: принципы, технологии и инструментарий = Compilers: Principles, Techniques, and Tools. - 2-е изд. - М .: Вильямс, 2010. - 1184 с. - ISBN 978-5-8459-1349-4
• Робин Хантер. Основные концепции компиляторов = The Essence of Compilers. - М .: Вильямс, 2002. - 256 с. - ISBN 0-13-727835-7
• Хантер Р. Проектирование и конструирование компиляторов / Пер. с англ. С. М. Круговой. - М .: Финансы и статистика, 1984. - 232 с.
• Д. Креншоу. Давайте создадим компилятор!
• Серебряков В. А., Галочкин М. П. Основы конструирования компиляторов .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Компилятор" в других словарях:

- (ново лат., от лат. compilare грабить, обирать, выбирать). Составитель статей или книг путем заимствования отрывков из сочинений разных авторов. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. КОМПИЛЯТОР… … Словарь иностранных слов русского языка

См. писатель... Словарь русских синонимов и сходных по смыслу выражений. под. ред. Н. Абрамова, М.: Русские словари, 1999. компилятор автор, писатель; транслятор, халтурщик, программа Словарь русских синонимов … Словарь синонимов

Программа, преобразующая текст, написанный на алгоритмическом языке, в программу, состоящую из машинных команд. Компилятор создает законченный вариант программы на машинном языке. См. также: Трансляторы Финансовый словарь Финам … Финансовый словарь

КОМПИЛЯТОР, КОМПЬЮТЕРНАЯ ПРОГРАММА, которая переводит символы ЯЗЫКА ПРОГРАММИРОВАНИЯ в команды, которые может непосредственно воспринимать компьютер. Программы по большей части пишутся на ЯЗЫКАХ ВЫСОКОГО УРОВНЯ, таких как «Си», Паскаль или Бейсик … Научно-технический энциклопедический словарь

КОМПИЛЯТОР, компилятора, муж. (книжн.). Автор компиляции. || Литератор, способный писать только компиляции (пренебр.). Жалкий компилятор. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова