Что такое компилятор – описание. Что такое компилятор - описание

1) Препроцессинг

Самая первая стадия компиляции программы.

Препроцессор - это макро процессор , который преобразовывает вашу программу для дальнейшего компилирования. На данной стадии происходит происходит работа с препроцессорными директивами. Например, препроцессор добавляет хэдеры в код (#include ), убирает комментирования, заменяет макросы (#define ) их значениями, выбирает нужные куски кода в соответствии с условиями #if , #ifdef и #ifndef .
Хэдеры, включенные в программу с помощью директивы #include , рекурсивно проходят стадию препроцессинга и включаются в выпускаемый файл. Однако, каждый хэдер может быть открыт во время препроцессинга несколько раз, поэтому, обычно, используются специальные препроцессорные директивы, предохраняющие от циклической зависимости.

Получим препроцессированный код в выходной файл driver.ii (прошедшие через стадию препроцессинга C++ файлы имеют расширение .ii ), используя флаг -E , который сообщает компилятору, что компилировать (об этом далее) файл не нужно, а только провести его препроцессинг:

Взглянув на тело функции main в новом сгенерированном файле, можно заметить, что макрос RETURN был заменен:

В новом сгенерированном файле также можно увидеть огромное количество новых строк, это различные библиотеки и хэдер iostream.

2) Компиляция

На данном шаге g++ выполняет свою главную задачу - компилирует, то есть преобразует полученный на прошлом шаге код без директив в ассемблерный код . Это промежуточный шаг между высокоуровневым языком и машинным (бинарным) кодом.

Ассемблерный код - это доступное для понимания человеком представление машинного кода.

Используя флаг -S , который сообщает компилятору остановиться после стадии компиляции, получим ассемблерный код в выходном файле driver.s :

driver.s

File "driver.cpp" .local _ZStL8__ioinit .comm _ZStL8__ioinit,1,1 .section .rodata .LC0: .string "Hello, world!" .text .globl main .type main, @function main: .LFB1021: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 movl $.LC0, %esi movl $_ZSt4cout, %edi call _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc movl $_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, %esi movq %rax, %rdi call _ZNSolsEPFRSoS_E movl $0, %eax popq %rbp .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE1021: .size main, .-main .type _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii: .LFB1030: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 subq $16, %rsp movl %edi, -4(%rbp) movl %esi, -8(%rbp) cmpl $1, -4(%rbp) jne .L5 cmpl $65535, -8(%rbp) jne .L5 movl $_ZStL8__ioinit, %edi call _ZNSt8ios_base4InitC1Ev movl $__dso_handle, %edx movl $_ZStL8__ioinit, %esi movl $_ZNSt8ios_base4InitD1Ev, %edi call __cxa_atexit .L5: nop leave .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE1030: .size _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, .-_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii .type _GLOBAL__sub_I_main, @function _GLOBAL__sub_I_main: .LFB1031: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 movl $65535, %esi movl $1, %edi call _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii popq %rbp .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE1031: .size _GLOBAL__sub_I_main, .-_GLOBAL__sub_I_main .section .init_array,"aw" .align 8 .quad _GLOBAL__sub_I_main .hidden __dso_handle .ident "GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609" .section .note.GNU-stack,"",@progbits

Мы можем все также посмотреть и прочесть полученный результат. Но для того, чтобы машина поняла наш код, требуется преобразовать его в машинный код, который мы и получим на следующем шаге.

3) Ассемблирование

Так как x86 процессоры исполняют команды на бинарном коде, необходимо перевести ассемблерный код в машинный с помощью ассемблера .
Ассемблер преобразовывает ассемблерный код в машинный код, сохраняя его в объектном файле .

Объектный файл - это созданный ассемблером промежуточный файл, хранящий кусок машинного кода. Этот кусок машинного кода, который еще не был связан вместе с другими кусками машинного кода в конечную выполняемую программу, называется объектным кодом .
Далее возможно сохранение данного объектного кода в статические библиотеки для того, чтобы не компилировать данный код снова.

Получим машинный код с помощью ассемблера (as ) в выходной объектный файл driver.o :

Но на данном шаге еще ничего не закончено, ведь объектных файлов может быть много и нужно их всех соединить в единый исполняемый файл с помощью компоновщика (линкера). Поэтому мы переходим к следующей стадии.

4) Компоновка

Компоновщик (линкер) связывает все объектные файлы и статические библиотеки в единый исполняемый файл, который мы и сможем запустить в дальнейшем. Для того, чтобы понять как происходит связка, следует рассказать о таблице символов .

Таблица символов - это структура данных, создаваемая самим компилятором и хранящаяся в самих объектных файлах. Таблица символов хранит имена переменных, функций, классов, объектов и т.д., где каждому идентификатору (символу) соотносится его тип, область видимости. Также таблица символов хранит адреса ссылок на данные и процедуры в других объектных файлах.
Именно с помощью таблицы символов и хранящихся в них ссылок линкер будет способен в дальнейшем построить связи между данными среди множества других объектных файлов и создать единый исполняемый файл из них.

Получим исполняемый файл driver :

5) Загрузка

Последний этап, который предстоит пройти нашей программе - вызвать загрузчик для загрузки нашей программы в память. На данной стадии также возможна подгрузка динамических библиотек .

Запустим нашу программу:

Заключение

В данной статье были рассмотрены основы процесса компиляции, понимание которых будет довольно полезно каждому начинающему программисту. В скором времени будет опубликована вторая статья про статические и динамические библиотеки.

Теги: c++, compiler, gcc, g++

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.

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.

Современные компьютерные технологии находятся в постоянной стадии совершенствования. С каждым днем выходят все новые и новые технологии, позволяющие воплотить в жизнь то, что еще недавно определялось как фантастика. Сильным изменениям поддаются и языки, как человеческие, так и компьютерные. В данной статье мы подробно расскажем, что это – компилятор, как с ним работать, для чего он создавался и где его сейчас можно встретить. Статья рекомендуется не только начинающим пользователям операционной системы Windows, но и программистам, желающим познать скрытые знания своей системы.

Язык для операционной системы

Для начала стоит абстрагироваться, ведь программирование – это не только вбивание определенных ключей-слов в машину, это еще и тщательно продуманные действия, связанные с компонентами системы. Изначально был двоичный код, потом программисты создали полумашинный язык программирования – ассемблер, но для чего?

Представьте себе, что вам надо считать на калькуляторе программиста каждый бит, потом правильно его связывать и многое другое. В ассемблере все стало чуточку проще, но все еще очень и очень непросто, если сравнивать с современными языками программирования, например, С++, который называют одним из сложнейших, но про него речь пойдет чуть позже.

В языке ассемблер все осуществляется благодаря регистрам процессора: деление, умножение, перемещение значения из точки А в точку Б и т. д. Основная его проблема, что он все еще является полумашинным, но все равно поддается прочтению человеку, в отличии от хаотично раскиданных битов. Еще одним минусом было ограниченное количество этих самых регистров.

В 80-х годах решили придумать язык программирования, благодаря которому можно будет легко и просто написать операционную систему. Так появился С и компилятор С GCC от компании GNU. Если вы пользуетесь Linux, то обязательно должны были видеть продукты данной компании. Кстати, ассемблер используется и поныне, ведь некоторые компиляторы создают объектные файлы с двоичным кодом, а другие исполнительные – с кодом на ассемблере. Все зависит от платформы разработчика.

Современный компилятор имеет следующие программы в себе:

Дебагер – программа, которая отправляет сообщения об ошибке от линковщика, препроцессора, интерпретатора. Препроцессор – это программа, главной задачей которой является поиск специальных меток, начинающихся со знака #, и выполнение определенного рода команд. Например, добавления сторонней библиотеки для компиляции проекта. Интерпретатор – программа, которая переводит наш более-менее понятный язык программирования в двоичный код или ассемблер. Линковщик – программа, благодаря которой недостающие файлы автоматически подключаются.

Также существует 2 типа сборки проекта компилятором: динамическая и статическая. В первой добавляются лишь нужные проекту файлы, несмотря на среду разработки, а во втором случае - все в кучу (подключенные, конечно). Итак, из этого уже можно сказать, что компилятор – это целый список программ для сбора и обработки информации в понятный и логичный для компьютера вид. Дальше мы рассмотрим, с чего все начиналось.

Первые простейшие компиляторы

Может, вы удивитесь, но впервые объект нашей статьи (тогда его еще называли транслятор) появился в далеком 1954 году в Институте, специализирующемся на прикладной математике. Он включал в себя не настолько большой комплекс программ, как сейчас, но все равно был прорывом в науке на то время. Там не было дебагера, поэтому людям приходилось все делать буквально руками, причем используя при этом стандартную и дискретную математику, чтобы узнать, правильный ли результат получила электронно-вычислительная машина.

Возможна ли сборка без нового языка?

Если вы достаточно толковый программист, то вполне сможете выполнить эту задачу. Правда, для этого понадобится немало времени и сил. Кстати, раньше даже была профессия такая – программист-линковщик. Это только в новых языках программирования все автоматизировано, а раньше людям приходилось связывать куски кода Make файлами. Между прочим, некоторые проекты на Linux и сейчас можно собрать с помощью этих самых Make-файлов, нужно лишь указать их зависимости вручную.

После сбора кода линковщик отдавал работу уже компьютеру на обработку, где в итоге получал готовый бинарный код.

Как видите, компилятор – это не только программа, а еще и усилия множества людей. А они, как утверждал Генри Форд, пытаются автоматизировать каждый процесс.

Лучший компилятор Windows

Итак, многие из читателей знают, что существует множество мертвых языков, но еще больше живых, т. е. тех, которые хотя бы раз в год обновляют свою стандартную библиотеку. Как мы уже говорили, в 1980 году был создан С - это был прорыв. Многие наши отцы до сих пор обожают данный язык, но что с ним теперь?

Он живет и процветает в новом теле, если так можно сказать. Его наследником по праву является С++, хоть и его создателя воспрещают писать на нем код, похожий на С, многие программисты игнорирует это и делают, но почему допускается такое грубое нарушение правил?

Во-первых, он взял солидную долю стандартных библиотек от С, и новые компиляторы G++ способны компилировать код С, что уже само по себе указывает на их схожесть. Во-вторых, С++ был создан, чтоб заместить С, и итоги этого мы видим сейчас. К слову, программа компилятор G++ не "ругается" до тех пор, пока не будет использован хотя бы один класс – в этом и есть основное отличие двух языков. Можно назвать G++ лучшим компилятором, не зря ведь благодаря ему пишут мобильные приложения, операционную систему Windows и т. д.

Ваш путь будет тернист – это стоит знать прежде всего. Для начала работы с языком, например, если это С, вы обязательно должны будете ознакомиться с компилятором C. А если с ним не подружиться и не понять его логику, то ваши проекты один за одним будут лагать и вылетать.

Попытайтесь как можно больше читать книг не только про основы программирования, но и про историю создания языков, так вы обязательно начнете понимать саму суть процесса. Старайтесь совмещать практику и новые знания, так все куда быстрее запоминается. Кроме того, постарайтесь довести свой английский хотя бы до среднего уровня, иначе вам будет очень сложно в ориентировании по IDE.

В заключение

Надеемся, после прочтения данной статьи вы поняли, что это – компилятор, как он работает, зачем создавался и кому по сей день нужен. Стоит напомнить, что самое главное для программиста – это понимание ситуации, понимание основных принципов, поэтому очень надеемся, что статья вам в этом помогла.

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

Одной из ключевых характеристик PHP является то, что это интерпретируемый язык программирования. С другой стороны, языки программирования наподобие C , изначально разрабатывались для компиляции. Что это значит?

Компилируется ли язык программирования или интерпретируется, на самом деле это не зависит от природы языка программирования. Любой язык программирования может интерпретироваться так называемым интерпретатором или компилироваться с помощью так называемого компилятора.

Рабочий цикл программы

При использовании любого языка программирования существует определенный рабочий цикл создания кода. Вы пишете его, запускаете, находите ошибки и отлаживаете. Таким образом, вы переписываете и дописываете программу, проверяете ее. То, о чем пойдет речь в этой статье, это «запускаемая » часть программы.

Когда пишете программу, вы хотите, чтобы ее инструкции работали на компьютере. Компьютер обрабатывает информацию с помощью процессора, который поэтапно выполняет инструкции, закодированные в двоичном формате. Как из выражения «a = 3; » получить закодированные инструкции, которые процессор может понять?

Мы делаем это с помощью компиляции. Существует специальные приложения, известные как компиляторы. Они принимают программу, которую вы написали. Затем анализируют и разбирают каждую часть программы и строят машинный код для процессора. Часто его также называют объектным кодом.

На одном из этапов процесса обработки задействуется компоновщик, принимающий части программы, которые отдельно были преобразованы в объектный код, и связывает их в один исполняемый файл. Вот схема, описывающая данный процесс:

Конечным элементом этого процесса является исполняемый файл. Когда вы запускаете или сообщаете компьютеру, что это исполняемый файл, он берет первую же инструкцию из него, не фильтрует, не преобразует, а сразу запускает программу и выполняет ее без какого-либо дополнительного преобразования. Это ключевая характеристика процесса компиляции — его результат должен быть исполняемым файлом, не требующим дополнительного перевода, чтобы процессор мог начать выполнять первую инструкцию и все следующие за ней.

Первые компиляторы были написаны непосредственно через машинный код или с использованием ассемблеров. Но цель компилятора очевидна: перевести программу в исполняемый машинный код для конкретного процессора.

Некоторые языки программирования разрабатывались с учетом компиляции. C , например, предназначался для того, чтобы дать возможность программистам с легкостью реализовать разные вещи. Но в итоге он разрабатывался таким образом, чтобы его можно было легко перевести на машинный код. Компиляция в программировании это серьезно!

Не все языки программирования учитывают это в своей концепции. Например, Java предназначался для запуска в «интерпретирующей » среде, а Python всегда должен интерпретироваться.

Интерпретация программы

Альтернативой компиляции является интерпретация. Основная разница между компилятором и интерпретатором заключается в том, как они работают. Компилятор берет всю программу и преобразует ее в машинный код, который понимает процессор.

Интерпретатор — это исполняемый файл, который поэтапно читает программу, а затем обрабатывает, сразу выполняя ее инструкции.

Другими словами, интерпретатор выполняет программу поэтапно как часть собственного исполняемого файла. Объектный код не передается процессору, интерпретатор сам является объектным кодом, построенным таким образом, чтобы его можно было вызвать в определенное время.

Это ломает рабочий цикл, который был приведен на диаграмме выше. Теперь у нас есть новая диаграмма:

На ней мы видим, что в отличие от компилятора, интерпретатор всегда должен быть под рукой, чтобы мы могли вызвать его и запустить нашу программу. В некотором смысле интерпретатор становится процессором. Программы, написанные для интерпретации, называются «скриптами », потому что они являются сценариями действий для другой программы, а не прямым машинным кодом.

Например, так работают такие языки программирования, как Python . Вы пишете программу. Затем вводите код в интерпретатор Python , и он выполняет все описанные вами шаги. В командной строке вы можете ввести примерно следующее:

C:>python myprogram.py

В этой команде Python — это исполняемый файл. Вы вводите в него все, что находится в файле myprogram.py, и он выполняет эти инструкции. Компьютер не запустит myprogram.py без Python . Это не машинный код, который понимает процессор. Можно скомпилировать программы Python в объектный или машинный код и запустить его непосредственно в процессоре. Но эта процедура включает в себя компиляцию кода и добавление в качестве ее части всего интерпретатора Python .

Природа интерпретатора

Интерпретаторы могут создаваться по-разному. Существуют интерпретаторы, которые читают исходную программу и не выполняют дополнительной обработки. Они просто берут определенное количество строк кода за раз и выполняют его.

Некоторые интерпретаторы выполняют собственную компиляцию, но обычно преобразуют программу байтовый код, который имеет смысл только для интерпретатора. Это своего рода псевдо машинный язык, который понимает только интерпретатор.

Такой код быстрее обрабатывается, и его проще написать для исполнителя (части интерпретатора, которая исполняет ), который считывает байтовый код, а не код источника.

Есть интерпретаторы, для которых этот вид байтового кода имеет более важное значение. Например, язык программирования Java «запускается » на так называемой виртуальной машине. Она является исполняемым кодом или частью программы, которая считывает конкретный байтовый код и эмулирует работу процессора. Обрабатывая байтовый код так, как если бы процессор компьютера был виртуальным процессором.

У меня есть эмулятор для игровой приставки NIntendo . Когда я загружаю ROM-файл Dragon Warrior , он форматируется в машинный код, который понимает только процессор NES . Но если я создаю виртуальный процессор, который интерпретирует байтовый код во время работы на другом процессоре, я могу запустить Dragon Warrior на любой машине с эмулятором.

Это использует концепция компиляции Java , а также все интерпретаторы. На любом процессоре, для которого я могу создать интерпретатор / эмулятор, можно запускать мои интерпретируемые программы / байтовый код. В этом заключается основное преимущество интерпретатора над компилятором.

За и против

Основным аргументом за использование процесса компиляции является скорость. Возможность компилировать любой программный код в машинный, который может понять процессор ПК, исключает использование промежуточного кода. Можно запускать программы без дополнительных шагов, тем самым увеличивая скорость обработки кода.

Но наибольшим недостатком компиляции является специфичность. Когда компилируете программу для работы на конкретном процессоре, вы создаете объектный код, который будет работать только на этом процессоре. Если хотите, чтобы программа запускалась на другой машине, вам придется перекомпилировать программу под этот процессор. А перекомпиляция может быть довольно сложной, если процессор имеет ограничения или особенности, не присущие первому. А также может вызывать ошибки компиляции.

Основное преимущество интерпретации — гибкость. Можно не только запускать интерпретируемую программу на любом процессоре или платформе, для которых интерпретатор был скомпилирован. Написанный интерпретатор может предложить дополнительную гибкость. В определенном смысле интерпретаторы проще понять и написать, чем компиляторы.

С помощью интерпретатора проще добавить дополнительные функции, реализовать такие элементы, как сборщики мусора, а не расширять язык.

Другим преимуществом интерпретаторов является то, что их проще переписать или перекомпилировать для новых платформ.

Написание компилятора для процессора требует добавления множества функций, или полной переработки. Но как только компилятор написан, можно скомпилировать кучу интерпретаторов и на выходе мы имеем перспективный язык. Не нужно повторно внедрять интерпретатор на базовом уровне для другого процессора.

Самым большим недостатком интерпретаторов является скорость. Для каждой программы выполняется так много переводов, фильтраций, что это приводит к замедлению работы и мешает выполнению программного кода.

Это проблема для конкретных real-time приложений, таких как игры с высоким разрешением и симуляцией. Некоторые интерпретаторы содержат компоненты, которые называются just-in-time компиляторами (JIT ). Они компилируют программу непосредственно перед ее исполнением. Это специальные программы, вынесенные за рамки интерпретатора. Но поскольку процессоры становятся все более мощными, данная проблема становится менее актуальной.

Заключение

Имейте всегда в виду, что некоторые языки программирования специально предназначены для компиляции кода, например, C . В то время как другие языки всегда должны интерпретироваться, например Java .

Для меня не имеет значения, скомпилировано что-то или интерпретировано, если оно может выполнить задачу эффективно.

Некоторые системы не предлагают технические условия для эффективного использования интерпретаторов. Поэтому вы должны запрограммировать их с помощью чего-то, что может быть непосредственно скомпилировано, например C . Иногда нужно выполнить вычисления настолько интенсивно, насколько это возможно. Например, при точном распознавании голоса роботом. В других случаях скорость или вычислительная мощность могут быть не столь критичными, и написать эмулятор на оригинальном языке может быть проще.