Компиляторы. Трансляторы. Интерпретаторы и Ассемблеры

Принципы функционирования систем программирования. Современные системы.

См. вопрос 107.

Система программирования и трансляции — очень наукоемкая область программного обеспечения. Организация трансляторов — это было первое применение теоретических достижений науки, которые заключались в следующем. За счет возможности использования тех или иных грамматик (наборов формальных правил построения лексических конструкций и синтаксических правил), можно разделить программную реализацию лексических и синтаксических анализаторов на два компонента. Первый компонент — это программа, которая в общем случае ничего не знает о том языке, который она будет анализировать. Второй компонент — это набор данных, представляющий из себя формальное описание свойств языка, который мы анализируем. Совмещение этих двух компонентов, позволяет автоматизировать процесс построения лексических и синтаксических анализаторов, а также генераторов кода, для различных языков программирования. Современные системы программирования в своем составе имеют средства автоматизации построения компиляторов. Для ОС UNIX есть пакет LEX — пакет генерации лексических анализаторов, и есть пакет YACC — для генерации синтаксических анализаторов. Это все достигается за счет возможности формализации свойств языка, и использования этого формального описания, как параметров для тех или иных инструментальных средств.

Транслятор — это программа, которая переводит программу в нотации одного языка, в нотацию другого языка.

Компилятор — это транслятор, переводящий текст программы в машинный код.

Интерпретатор — это транслятор, который обычно совмещает процесс перевода и выполнения программы (компилятор сначала переводит программу, а только затем ее можно выполнить). Он, грубо говоря, выполняет каждую строчку, при этом машинный код не генерируется, а происходит обращение к некоторой стандартной библиотеке программ интерпретатора. Если результат работы компилятора — код программы на машинном языке, то результат работы транслятора — последовательность обращений к функциям интерпретации. При этом, также как и при компиляции, когда создается оттранслированная программа, у нас тоже может быть создана программа, но в этом интепретируемом коде (последовательности обращений к функциям интерпретации).

Понятна разница — компиляторы более эффективны, так как в интерпретаторах невозможна оптимизация и постоянные вызовы функций также не эффективны. Но интерпретаторы более удобны за счет того, что при интерпретации возможно включать в функции интерпретации множество сервисных средств: отладки, возможность интеграции интерпретатора и языкового редактора (компиляция это делать не позволяет).

Интерпретатор, в отличие от транслятора, может выбирать одну за одной инструкции и сразу их выполнять. При интерпретации (в отличие от трансляции или компиляции), может быть начато выполнение программы которая имеет синтаксические ошибки.

Кросс-трансляторы.

Если рассматривать системы трансляции, то есть еще один вид трансляторов — кросс-трансляторы (и кросс-компиляторы). Кросс транслятор работает на некотором типе вычислительной системы, которая называется инструментальная ЭВМ. Инструментальная ЭВМ может характеризоваться своей архитектурой и/или операционным окружением, которое функционирует на ней. Кросс-транслятор обеспечивает перевод программы, записанной в нотации некоторого языка, в код вычислительной системы, отличной от инструментальной ЭВМ. Та вычислительная система,для которой генерируется код, называется объектной ЭВМ, и соответственно, тот код, который мы получаем, называется объектным кодом (это не тоже, что объектный модуль). На самом деле, бывают ситуации, когда тип объектной машины совпадает с типом инструментальной машины, но отличаются операционные среды, которые функционируют на данных машинах. В этом случае также нужна система кросс-программирования.

Кросс-трансляторы также нужны разработчикам новых машин, которые хотят параллельно с ее появлением создать программное обеспечение, которое будет работать на этой машине.

Обработка модульной программы.

Пусть есть некоторая группа модулей и есть соответствующие этим модулям тексты программ, на языках, используемых для программирования. Языковыми средствами определены связи между модулями.

Первый этап, который происходит — это этап трансляции (либо компиляции) каждого из модулей. После трансляции модуля в виде исходного текста мы получаем объектный модуль — это есть машинно-ориентированное представление программы, в котором присутствуют фрагменты программы в машинном коде, а также информация о необходимых внешних связях (ссылки на объекты в других модулях). Информация о необходимых внешних связях (помимо информации о местонахождении внешних объектов) также включает в себя ссылки на те места машинного кода, которые пытаются использовать адреса внешних объектов, т.е. на те недообработанные команды, которые нельзя обработать из-за того, что при трансляции модуля еще не известно где какие объекты находятся. Т.е. объектный модуль — это машинное представление программного кода, в котором еще не разрешены внешние связи. Объектный модуль может содержать дополнительную информацию (например, информацию, необходимую для отладки — таблицы имен и т.д.).

Для каждого из исходных модулей мы получим объектный модуль. После этого все объектные модули, которые составляют нашу программу, а также модули требуемых библиотек функций, поступают на вход редактору внешних связей. Редактор внешних связей моделирует размещение объектных модулей в оперативной памяти и разрешает все связи между ними. В итоге мы получаем исполняемый модуль, который может быть запущен как процесс. Иногда трансляторы в качестве результата трансляции выдают модуль на ассемблере соответствующей машины.

В эту же схему также часто добавляется этап оптимизации программы, причем оптимизация может происходить до этапа трансляции (т.е. в терминах исходного языка) или/и после трансляции (в терминах машинного кода). Например до трансляции можно вычислить все константные подвыражения и т.д. Для машин типа PC этап оптимизации может быть не столь важен, потому что этот вопрос обычно разрешается покупкой какого-нибудь более быстрого компонента, но есть класс машин (mainframe), для которых этот этап необходим.

Давайте посмотрим на проблему кодирования с другой стороны. Мы посмотрим как устроен этап трансляции.

Каждый транслятор при обработке программы выполняет следующие действия.

Лексический анализ.

Синтаксический анализ.

Семантический анализ и генерация кода.

Лексический анализ.

Лексический анализатор производит анализ исходного текста на предмет правильности записи лексических единиц входного языка. Затем он переводит программу из нотации исходного текста в нотацию лексем.

Лексические единицы — это минимальные конструкции, которые могут быть продекларированы языком. К лексическим единицам относятся:

идентификаторы

ключевые слова

код операции

разделители

константы

Вещественные константы в некоторых трансляторах могут представляться в виде группы лексических единиц, каждая из которых является целочисленной константой.

После этого исходная программа переводится в вид лексем. Лексема — это некоторая конструкция, содержащая два значения — тип лексемы и номер лексемы.

Тип лексемы

№ лексемы

Тип лексемы — это код, который говорит о том, что данная лексема принадлежит одной из обозначенных нами групп. к примеру лексема может быть ключевым словом, тогда в поле типа будет стоять соответствующий номер. Номер лексемы уточняет конкретное значение этой лексемы. Если, к примеру, было ключевое слово begin, то номер лексемы будет содержать число, соответствующее ключевому слову begin. Если тип лексемы — идентификатор, то номер лексемы будет номером идентификатора в таблице имен которую создаст лексический анализатор. Если тип лексемы — константа, то номер лексемы тоже будет ссылкой на таблицу с константами.

После лексического анализатора мы получаем компактную программу, в которой нет уже ничего лишнего (пробелов, комментариев, и т.д.). Вся программа составлена в виде таких лексем, и поэтому она более компактна и проста.

Синтаксический анализ.

Программа в виде лексем поступает на вход синтаксическому анализатору, который осуществляет проверку программы на предмет правильности с точки зрения синтаксических правил. Результатом работы синтаксического анализатора является либо информация о том, что в программе имеются синтаксические ошибки и указание координат этих ошибок и их диагностика, либо представление программы в некотором промежуточном виде. Этим промежуточным видом может быть, предположим, бесскобочная запись, либо запись в виде деревьев (хотя одно однозначно сводится кдругому). Это промежуточное представление, которое является синтаксически и лексически правильной программой, поступает на вход семантическому анализатору.

Семантический анализ.

Семантика — это все то, что не описывается синтаксисом и лексикой языка. К примеру, лексикой и синтаксисом языка сложно описать то, что нехорошо передавать управление в тело цикла не через начало цикла. Выявление таких ошибок — одна из функций семантического анализа. при этом семантический анализатор ставит в соответствие синтаксически и семантически правильным конструкциям объектный код, т.е. происходит генерация кода.

Проходы трансляторов.

Мы с вами посмотрели на транслятор с точки зрения функциональных этапов. Но очень часто мы слышим об однопроходных трансляторах, двухпроходных, трехпроходных, и т.д. С проблемой трансляции связано понятие "проход". Проход — это полный просмотр некоторого представления исходного текста программы.

Есть трансляторы однопроходные. Это означает, что транслятор просматривает исходный текст от начала и до конца, и к концу просмотра (в случае правильности программы) он получает объектный модуль.

Если мы посмотрим Си-компилятор, с которым вы работаете, то скорее всего он двухпроходный. Первый проход — это работа препроцессора. После первого прохода появляется чистая Си-программа без всяких препроцессорных команд. На Втором проходе происходит лексический, синтаксический и семантический анализ, и в итоге вы получаете объектную программу в виде ассемблера.

Количество проходов в некоторых трансляторах связано с количеством этапов, т.е. бывают реализации, для которых удобно сделать отдельный проход для лексического анализа, отдельный проход для синтаксического анализа и отдельный проход для семантического анализа. Если транслятор многопроходный, то возникает проблема сохранения промежуточной нотации программы между проходами.

Make-файл. К этой же проблеме кодирования относится средство поддержки разработки программных проектов. Одним из популярных средств, ориентированных на работу одного или нескольких программистов, является т.н. make-средство. Название происходит от соответствующей команды ОС UNIX. C make-командой связан т.н. make-файл, в котором построчно указываются взаимосвязи всевозможных файлов, получаемых при трансляции, редактировании связей, и т.д., и те действия, которые надо выполнить, если эти взаимосвязи нарушаются. В частности можно сказать, что некоторый исполняемый файл зависит от группы объектных файлов, и если эта связь нарушена, то надо выполнить команду редактирования связей (link...). Что значит нарушение зависимости и что значит связь? Make-команда проверяет существование этих объектных файлов. Если они существуют, то времена их создания должны быть более ранние, чем время создания исполняемого файла. В том случае, если это правило будет нарушено (а это проверяет make-команда), то будет запущен редактор связей (link), который заново создаст исполняемый файл. Тем самым такое средство позволяет нам работать с программой, состоящей из большого количества модулей, и не заботитьсяо том, соответствует ли в данный момент времени исполняемый файл набору объектных файлов или не соответствует (можно просто запустить make-файл).

Make-файлы могут содержать большое количество такого рода строчек, которые таким образом свяжут не только объектные и исполняемые файлы, но и каждый из исходных файлов с соответствующим объектным файлом, и т.д. Т.е. суть такова, что после работы не надо каждый раз для каждого файла запускать компилятор, редактор связей, а можно просто запустить make-файл, а он уже сам определит и выберет те файлы, которые нужно корректировать, и выполнит необходимые действия. На самом деле такими средствами сейчас обладают почти все системы программирования.

Система контроля версий. Если make-файл — это система, предназначенная для одного программиста, в лучшем случае, для нескольких программистов, то если у нас существует большой коллектив, который делает большой программный проект, то используется т.н. система контроля версий, которая позволяет организовывать корректную работу больших коллективов людей над одним и тем же проектом, которая основана на возможности декларации версий и осуществлении контроля за этими версиями.

Ассемблеры.

Ассе́мблер (от англ. assemble — собирать) — компилятор с языка ассемблера в команды машинного языка.

Под каждую архитектуру процессора и под каждую ОС или семейство ОС существует свой Ассемблер. Существуют также так называемые «кросс-ассемблеры», позволяющие на машинах с одной архитектурой (или в среде одной ОС) ассемблировать программы для другой целевой архитектуры или другой ОС, и получать исполняемый код в формате, пригодн Наиболее известными ассемблерами для операционной системы DOS являлись Borland Turbo Assembler (TASM) и Macro Assembler (MASM). Также в своё время был популярен простой ассемблер A86.

Microsoft Windows

При появлении операционной системы Microsoft Windows появилось расширение TASM, именуемое TASM32, позволившее создавать программы для выполнения в среде Windows. Последняя известная версия Tasm — пятая, включая различные к ней дополнения. Но официально развитие программы полностью остановлено.

Совсем по-другому обстоит дело с программой MASM. Она продолжает развиваться и по сей день, последние версии включены в наборы DDK. Но версия программы, направленная на создание программ для DOS, не развивается.

Для более удобного создания программ на ассемблере для Windows появился пакет, названный MASM32, автором которого является Стивен Хатчессон (aka hutch--). Более подробная информация доступна на сайте пакета MASM32

Настоящие ценители языка используют ассемблер FASM, бескорыстно предоставленный в общее пользование и написанный Томазом Грижтаром (Tomasz Grysztar). Официальный сайт ассеблера FASM

Linux-based

Несколько иначе обстоит ситуация с ассемблерами для другой известной операционной системы GNU/Linux. В её состав входит компилятор gcc, включающий в себя ассемблер gas (GNU Assembler)… Но в нём используется AT&T синтаксис, в отличие от Intel-синтаксиса, используемого в большинстве остальных ассемблеров.

Переносимые ассемблеры

Также существует открытый проект ассемблера, версии которого доступны под различные операционные системы, и который позволяет получать объектные файлы для этих систем. Называется этот ассемблер NASM (Netwide Assembler).

YASM это переписанная с нуля версия NASM под лицензией BSD (с некоторыми исключенями).

FASM — молодой, но быстро развивающийся и завоёвывающий популярность ассемблер, распространяется с исходным кодом, есть версии для KolibriOS, GNU/Linux и Microsoft Windows, использует Intel-синтаксис. Также fasm поддерживает инструкции AMD64. Достоинством является очень сильный макроязык, разнообразие форматов выходных файлов и несколько изменённый (в лучшую сторону, но несколько непривычный для «старой школы») синтаксис.

Дата добавления: 2015-01-03