236360 תורת הקומפילציה *

236360*תורת הקומפילציה

הידור, למהדרין.*שקפי הקורס מבוססים על שקפים מאת פרופ' מיכאל

רודה.

תורת הקומפילציהמרצה•

מר טל כהן–•[email protected]לכלול את מספר הקורס בכותרת ההודעה•

אחרת אין לכם סיכוי לעבור את מסנני הזבל שלי.–507שעת קבלה – מיד בתום ההרצאה, בחדר •

מתרגלים•, מתרגלת אחראיתרותם אושמן–דני גז–

חג שמח!

Photograph by Toby Ord

לוגיסטיקה

- תרגילי בית30%• תרגילים "יבשים", רשות )מגן(10%– תרגילים "רטובים", חובה20%–

-- מבחן סוף הקורס70%•ציון נכשל בתרגילים הרטובים גורר כשלון •

בקורס, ללא קשר לציון המבחן.ציון נכשל במבחן גורר כשלון בקורס, ללא קשר •

לציון התרגילים.

ספרותספר עיקרי•

A.V. Aho, R. Sethi, and J.D. Ullman – “Compilers – Principles, Techniques, and Tools”, Addison-Wesley, 1985

ספר משני•R. Wilhelm, and D. Maurer – “Compiler Design”, Addison-Wesley, 1995

הידור – נושא מורכב

קומפילציה

תכנות שפות

תכנה הנדסת

מחשבים מבנה

הפעלה מערכותפורמליות שפות

אלגוריתמים

מבני נתונים

הידור – מושגי יסוד

זמן קומפילציה•

זמן ריצה•

compilersource program target program

target program outputinput

שיטות הידור – שימושיםיעד

,SPARC, P690קוד מכונה: •IA32

שפת אסמבלי• Javaקוד עבור אינטרפרטר: •

Virtual Machine, P-Code… , ,PostScriptשפות עבוד טקסט: •

TeX, html, RTF … ,תוכנה למכשור•

קלט ,C, Pascalשפות תכנות:•

Assembler ..., ,PostScriptשפות לעיבוד טקסט:•

TeX, html, RTF …, ,scripting: C-shell, emacsשפות •

perl, Hypercard…,שפות שאילתה לעבוד נתונים •

(SQL)(VHDLשפות לתאור חומרה )•שפות בקרה•

ההקשר הרחב – דוגמאSkeletal source program

Preprocessor

Source program

Target assembly program

Assembler

Relocateable machine code

Loader/Link-editor

Absolute machine code

compiler

Library, releasable, object files

אינטרפרטציה = פרשנות

interpreter

source program

input

output

הידור / אינטרפרטציה – הכללות

•Just In Time ,תוך כדי פרשנות התכנית -- מבצע קומפילציה של חלקי תוכנית על interpreterה-

Java מנת שהמשך הביצוע יהיה מהיר יותר. דוגמא: •Source to Source

•Virtual Machine

•Pre-processors

Eiffel program C programtranslator

Java bytecodeJava program compiler

“pure” programprogram with embeddedpre-pocessing statements(e.g., C’s #include, macros)

preprocessor

קומפילציה – חשיבות התחוםלפיתוח שמושים מתקדמים•

ניצול של כלים לפיתוח קומפיילרים להקלת מאמץ הפיתוח–כל מה שצריך לקרוא קובץ קלט )קבצי קונפיגורציה ואילך(–

למפתחי תוכנה•הבנה מעמיקה של האבחנה בין זמן קומפילציה לזמן ריצה–שימוש נכון במבנים שונים של שפות התכנות–ניצול נכון של ארכיטקטורת המחשב–

לאנשי ארכיטקטורה של מחשבים•הבנה טובה של האיזון העדין שבין חומרה לתכנה–

לסטודנטים בפקולטה למדעי המחשב•חובה להשלמת התואר–

תורת הקומפילציה – תכנים עיקריים

עקרונות•מבנה הקומפיילר•(lexical analysisניתוח מילוני )•(parsingניתוח תחבירי )•ניתוח סמנטי•יצירת קוד•נושאים מתקדמים:•

אופטימיזציה–ניתוח סטטי––Data-flow analysisVirtual Machines ו-Just-In-Timeקומפיילרים –

קומפיילר של...

סקירה זריזה של שפות תכנות עיקריות

למימוש שפה בבחירת שיקוליםהשימוש • תחום

המתאימה – למשימה הנכון הכלי–" טובה " הכי השפה אין

התוכנה • יעילותהפיתוח • משך

כתיבת התכנית–הידור, בדיקה, וניפוי טעויות–)לימוד, אימון(–

תחזוקה•קריאות התכנית–

קודמים • מימושים זמינות•)? עצלות ) אינרציה

FORTRAN, 1954-58, John Backus )IBM(

תחום: חישוב מדעי•אפיונים•

ביטויים אריתמטיים–מערכים חסומים–פרוצדורות––common blocks – call by referenceקלט / פלט –

מודל מימוש•דרישות שטח קבועות מראש–דגש על אופטימיזציה של חישובים נומריים–

עדיין בשימוש•

ALGOL 60, 57-60 Committee )Backus, McCathy, Naur, …(

תחום: חישוב נומרי•אפיונים•

BNFהוגדר בקפידה – התחביר הוגדר ע"י –מבנה בלוקים–פרוצדורות רקורסיביות–הגדרה מפורשת של טיפוסים–scopingחוקי – by name ו- &by valueהעברת פרמטרים ––dynamic array bounds

שימושים•מעט, בעיקר באירופה–

השפעה רבה על התחום )על שפות מאוחרות יותר(•

Pascal etc., 1971 )Niklaus Wirth(

תחום: חישובים כללים, חינוך•אפיונים•

פשטות במימוש ובשפה–הגדרות של טיפוסים רבים–מתודולוגיה של תכנות מובנה–מתאים להוכחת נכונות של תכניות–

דיאלקטים שונים•–Modula-2 1970-81–Oberon, Oberon-2 1988-90, 1992–Modula-3 1988-89

COBOL 1959-61 DOD-led committee

תחום: עבוד נתונים•אפיונים•

תיאור ניפרד לנתונים–recordsמבנה נתונים של –תיאור קבצים ופעולות עליהם–תחביר דמוי אנגלית–

עדיין בשימוש נרחב•

C, 1972-1974, Dennis Ritchie )Bell Labs(

Unix kernelתחום: תכנות מערכות )תכנות ה- •והשירותים הנלווים(

אפיונים•כר נרחב של פעולות–תחביר תמציתי–תמיכה בגישה למשאבי המכונה–

בשימוש נרחב בכל תחום כמעט•שפה פופולרית מאוד•

C++, 1980-, Bjarne Stroustrupתחום: תכנות מערכות אבל גם פיתוח שימושים•אפיונים•

Cהרחבה של – abstractתמיכה עבור טיפוסים אבסטרקטיים )–

data types)מונחת עצמים–שפה עשירה ומסובכת–

בשימוש נרחב•יותר נזק מתועלת?•

Java, 1995-, Arnold & Gosling )Sun(

תחום: מגוון רחב של שימושים, עם דגש על •ניצול תשתיות תקשורת

אפיונים• garbageניהול אוטומטי של הזכרון )–

collection)(JVMאי-תלות בחומרה )–

בשימוש נרחב•

LISP, 1959-60, John McCarthy )MIT(

תחום: בינה מלאכותית וחישובים סימבוליים•אפיונים•

(list processingעיבוד רשימות )–תחביר פשוט–תכניות יכולות בקלות לנתח תכניות אחרות–טיפוסים דינאמיים–

( Common Lisp, Schemeוריאציות רבות )•

Prolog, 1972, Colmerauer and Kowalski

שפת תכנות "לוגית"•היוותה בסיס למחקר נרחב•

ביפן פרוייקט "הדור החמישי"–SQLמסדי נתונים רלציוניים, –

בשימוש מועט•Datalogהובילה לשפות לוגיות אחרות – כגון •

מבנה הקומפיילר – תמונה כללית

Wilhelm and Maurer – Chapter 6Aho, Sethi, and Ullman – Chapter 1

קומפילר – מבנה סכמתיתוכנית מקור

תוכנית מטרה

analysis

code optimization

code generation

האמיתי בעולם הקשה החלק

טבלת סמלים ייצוג ביניים +

ביניים ייצוג

" " בקורס לסטודנטים קשה ה החלק

ייצוג בינייםהניתוח מייצר קוד בשפה נמוכה מאוד•

מכילה בד"כ רק השמה, אריתמטיקה )פעולה אחת –( וקפיצה מותניתgotoבשורה!(, קפיצה )

משמשת כבסיס לייצור קוד מכונה•כל שורה מכילה פקודה אחת•אין ביטויים מורכבים•

טבלת הסמלים בתוכניתסמלכוללת שורה עבור כל •

שמות משתנים, מחלקות, פונקציות, פרוצדורות, מתודות, –וכו' – תלוי בשפת התכנות

מידע רלוונטי לכל סמל•טיפוס )עבור משתנים, פונקציות(–ערך )עבור קבועים(–פרמטרים וטיפוסיהם )עבור פונקציות, פרוצדורות, מתודות(–וכו'–

קיים בעיקר בזמן הקומפילצייה•, אוde-buggingקיים בזמן ריצה רק למטרות –( יש Java, C#, Eiffel )כגון Reflectionבשפות עם מנגנוני –

מהמידע גם בזמן ריצה "רגילה"חלק

למשל...

a = 2temp1 = a*2b = temp1 + 1

int a, b;a = 2;b = a*2 + 1;

ainttemp1intbint

שימוש חוזר במרכיבי הקומפיילר

א ב שפה ...שפה

analysis 1 analysis n analysis 2

machine independent optimization

machine dependent optimization

code generation

machine dependent optimization

code generation

mמכונה 1מכונה …

שימוש חוזר ברכיבים של מישהו אחר

כיום, שפות רבות "חוסכות" את הצורך לכתוב •optimizers טובים במיוחד לפלטפורמות

שונות., ומניחים שלכל Cפשוט מתרגמים את הקוד ל-•

ראוי לשמו.Cפלטפורמה יש קומפיילר –"cross-platform assembly"

הוא תהליך קומפילציה...Cגם תרגום לשפת •גם כאן יש מקום לאופטימיזציות.•

קומפילר – מבנה סכמתי

תוכנית מקור

תוכנית מטרה

analysis

machine independent optimization

machine dependent optimization

code generation

front end

back end

front endשלב הניתוח –

תוכנית מקור

תוכנית מטרה

lexical analysis

syntax analysis

semantic analysis

token stream

syntax tree

decorated syntax tree

scanner

parser

אנליזה של ביטוי

Abstract Syntax Tree – AST

Decorated/Annotated AST

כפל משמעות

של הביטוי:ASTאיך נראה ה-•

9-5+2?

כפל משמעות

+

- 2

9 5

-

9 +

25

דקדוקים ומשמעויותהמשמעות ה"נכונה" נבחרת בהתאם לדקדוק•פעמים רבות ניתן לכתוב את אותם הכללים •

בעזרת דקדוקים חד-משמעיים או דו-משמעייםנחשו מה עדיף.–

מציאותיות( לשפות מורכבות מאוד )קרי:•בדרך-כלל אין דקדוק חד-משמעי

או שהוא מורכב להחריד.–יש פתרונות אחרים לדו-משמעויות...–

שלב האופטימיזציהDecorated Syntax

Tree

Decorated Syntax Tree

machine independent optimization

דוגמאות•–constant propogation–common subexpressions–dead code elimination

איזון בין זמן קומפילצייה לזמן ריצה•

back-end)שלב הסינתזה )

decorated syntax tree

decorated syntax tree

target program

target program

address assignment

code generation

machine dependent optimizationpeephole optimizer

, דוגמאback-endה- a = 2temp1 = a*2b = temp1 + 1

addressassignment

machine indep.optimization

machine-dependent

optimization

a0temp1 1

b2a = 2temp1 = a << 1b = temp1 + 1

SET R1,2STORE #0,R1LOAD R1,#0SHIFT R1,1STORE #1,R1LOAD R1,#1ADD R1,1STORE #2,R1

int a, b;a = 2;b = a*2 + 1;

SET R1,2STORE #0,R1SHIFT R1,1STORE #1,R1ADD R1,1STORE #2,R1

)front end(

codegeneration