Основные задачи компиляторов

Компьютеры сами по себе способны выполнять только очень ограниченный набор операций, называемых машинными кодами. В старые времена, когда появились первые компьютеры, программы писались в машинных кодах, представляющих собой последовательности двоичных чисел, однозначно воспринимаемых компьютером. В конце 50-х кодов прошлого века появились первые языки программирования, такие как язык ассемблера и Фортран. Для того, чтобы компьютер мог понять программу, написанную на каком-то языке программирования, необходим переводчик (транслятор) такой программы в машинные коды. Отметим, что, если оператор языка ассемблера отображается при трансляции чаще всего[1] в одну машинную инструкцию, предложения языков более высокого уровня отображаются, вообще говоря, в несколько машинных инструкций.

Трансляторы бывают двух типов: компиляторы (compiler) и интерпретаторы (interpreter). Процесс компиляции состоит из двух частей: анализа (analysis) и синтеза (synthesis). Анализирующая часть компилятора разбивает исходную программу на составляющие ее элементы (конструкции языка) и создает промежуточное представление исходной программы. Синтезирующая часть из промежуточного представления создает новую программу, которую компьютер в состоянии понять. Такая программа называется объектной программой. Объектная программа может в дальнейшем выполняться без перетрансляции. В качестве промежуточного представления обычно используются деревья, в частности, так называемые деревья разбора. Под деревом разбора понимается дерево, каждый узел которого соответствует некоторой операции, а сыновья этого узла – операндам.

Интерпретатор

В отличие от компилятора, интерпретатор не создает никакой новой программы, а просто выполняет каждое предложение языка программирования. Можно сказать, что результатом работы интерпретатора является «число».

Вообще говоря, интерпретатор, так же, как и компилятор, анализирует программу на входном языке, создает промежуточное представление, а затем выполняет операции, содержащиеся в тексте этой программы. Например, интерпретатор может построить дерево разбора, а затем выполнить операции, которыми помечены узлы этого дерева.

В том случае, если исходный язык достаточно прост (например, если это язык ассемблера или Basic), то никакое промежуточное представление не нужно, и тогда интерпретатор – это простой цикл. Он выбирает очередную инструкцию языка из входного потока, анализирует и выполняет ее. Затем выбирается следующая инструкция. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут выполнены все инструкции, либо пока не встретится инструкция, означающая окончание процесса интерпретации.

Компилятор

Компилятор переводит программы с одного языка на другой. Входом компилятора служит цепочка символов, составляющая исходную программу на языке программирования L₁. Выход компилятора (объектная программа) также представляет собой цепочку символов, но принадлежащую другому языку L₂, например, языку некоторого компьютера. При этом сам компилятор написан на языке L₃, возможно, отличающемся от первых двух. Будем называть язык L₁ исходным языком, язык L₂ – целевым языком, а язык L₃ – языком реализации. Таким образом, можно говорить о компиляторе как об отображении множества L₁ в множество L₂, т.е. K_L3: L₁→L₂.

Отметим, что далеко не всегда исходные программы корректны с точки зрения исходного языка. Более того, некорректные программы подаются на вход компилятору значительно чаще, чем корректные – таков уж современный процесс разработки программ. Поэтому крайне важной частью процесса трансляции является точная диагностика ошибок, допущенных во входной программе.

Существует огромное количество различных языков программирования, начиная с таких традиционных языков программирования как Fortran и Pascal и кончая современными объектно-ориентированными языками такими, как C# и Java. Практически каждый язык программирования имеет какие-то особенности с точки зрения создателя транслятора. Однако мы начнем с рассмотрения разнообразных целевых языков компиляторов.

Объектная программа

Объектная программа может быть

· последовательностью абсолютных машинных команд

· последовательностью перемещаемых машинных команд

· программой на языке ассемблера

· программой на некотором другом языке

Наиболее эффективным методом с точки зрения скорости компиляции является отображение исходной программы в абсолютную программу на машинном языке, пригодную для непосредственного исполнения. Такой тип компиляции больше всего подходит для небольших программ, не использующих независимо компилируемых подпрограмм.

Однако для более сложных программ необходимо создавать объектные программы в форме последовательности перемещаемых машинных команд. Перемещаемая машинная команда представляет собой команду, в которой адресация ячеек памяти производится относительно некоторого подвижного начала. Объектную программу называют также перемещаемым объектным сегментом. Этот сегмент может быть связан с другими сегментами, такими, как независимо компилируемые подпрограммы пользователя, подпрограммы ввода-вывода и библиотечные функции.

Такое связывание (создание единого перемещаемого объектного сегмента из набора различных сегментов) осуществляется программой, которая называется редактором связей. Далее единый перемещаемый объектный сегмент или модуль загрузки размещается в памяти программой, называемой загрузчиком, которая превращает перемещаемые адреса в абсолютные. После этого программа готова к выполнению.