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++

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.

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.

Общие замечания к интерпретаторам

Разработка интерпретаторов для интерпретации программ на заданном исходном языке является одной из основных задач информатики. Сте­пень трудности проблемы реализации интерпретатора зависит от сложно­сти исходного языка и степени его отличия от базисного языка, на кото­ром должен быть записан сам интерпретатор.

Чтобы обеспечить корректность интерпретатора, при его проектиро­вании мы должны исходить из семантического определения интерпрети­руемого языка или по меньшей мере верифицировать его на соответствие этому. Обратим внимание на то, что математическое определение семан­тики ЯП аналогично интерпретирующим программам.

Особое положение занимают интерактивные, инкрементальные (поша­говые) интерпретаторы. Для них не обязательно требуется сначала подго­товить всю программу целиком, включая вводимые данные, и только по­том ее интерпретировать. При интерактивной интерпретации можно программу и входные данные приготовить отдельными частями и полу­ченную часть - насколько это возможно - тут же проинтерпретировать (ЯП ВASIC специально ориентирован на инкрементальную интерпретацию).

Сейчас все ближе подходят к созданию интерпретаторов для таких языков, которые выглядят не так, как классические ЯП, ориентирован­ные на вычисления. В частности, в результате длительных исследований стала возможной интерпретация определенных языков, ориентированных скорее на спецификации, а не на вычисления (например, язык ПРОЛОГ, который служит для составления программ в машинно-интерпретируемой логике). Впрочем, для таких языков имеются определенные непре­одолимые преграды из-за границ вычислимости и сложности, которые для многих постановок задач делают практически невозможным исполь­зование этих языков.

Компилятор берет программу на исходномязыке в качестве своих входных данных и вырабатывает программу на объектном языке, понятном машине.

Если программу, написанную на ЯП высокого уровня, мы хотим выпол­нять многократно, со все новыми исходными данными, то часто бывает эффективнее программу не интерпретировать, а сначала перевести на уже реализованный язык, возможно более близкий к машинному языку, а затем уже выполнять порожденную таким образом программу. Такой способ позволяет лучше приспособить программу к структуре фактиче­ски используемой машины и тем самым добиться далеко идущей ее оп­тимизации. В принципе такой перевод можно осуществить вручную, од­нако это требует больших затрат времени и при этом могут быть допуще­ны ошибки. Поэтому для этой цели используются специальные переводящие программы, называемые переводчиками или компиляторами (англ. соmputer).

Компилятор и интерпретатор обычно являются довольно сложными программами, которые воспринимают программу на исходном языке в форме текста, устанавливают внутреннюю структуру так заданной про­граммы, проверяя при этом ее синтаксическую корректность (синтак­сический анализ), и переводят программу на другой (объектный) язык или выполняют эту программу путем соответствующих действий.

ЯП определяется его синтаксисом и семантикой. В процессе компи­ляции или интерпретации программа, понимаемая как синтаксический объект, берется в качестве входных данных и в соответствии с ее семан­тикой превращается в программу на другом языке или в последователь­ность действий (процесс выполнения).

Языки программирования бывают высокого и низкого уровней.

Языки, ориентированные на конкретный тип процессора и учитывающие его осо­бенности называются языками низкого уровня. Каждая команды языка низкого уровня не­посредственно реализует одну команду микропроцессора, и они всегда ориентированны на систему команд конкретного микропроцессора. Языком самого низкого уровня является язык ассемблера, который просто представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью символьных условных обозначений, называемых мнемониками.

Языки высокого уровня позволяют задавать желаемые действия в программе с по­мощью определенного набора операторов. Они значительно ближе и понятнее человеку, чем компьютеру. Каждая команда такого языка может состоять из десятка и более команд микропроцессо­ра. Писать программы на ЯП ВУ легче.

1 – машинно-зависимые (Ассемблер). Языки низкого уровня.

2 – машинно-ориентированные (Си)

3 – универсальные (Фортран, Паскаль, Basic)

4 - проблемно-ориентированные (GPSS, Лого, объектно-ориентированные (форт, Смолток))

5,6,7 – (Пролог, Лисп, СНОБОЛ).

Си, Си++ - вся машинно-зависимая часть программы достаточно легко локализуется и модифицируется при переносе программы на другую архитектуру.

Фортран – первый язык высокого уровня (1958г., фирма IBM), используется и до сих пор, поддерживает модульное программирование, особенно предпочитается математиками.

Паскаль – один из наиболее популярных в учебных целях (Н.Вирт), реализует большинство идей структурного программирования.

Бейсик – для начинающих программистов, приближен к разговорному английскому языку, поддерживает модульное и структурное программирование.

Лого , среди проблемно-ориентированных языков – используется в основном для целей обучения. Это диалоговый процедурный язык (простой синтаксис).

GPSS – ориентирован на моделирование систем с помощью событий. Применяется там, где результаты исследований выражаются в терминах времени ожидания, длины очереди, использование ресурсов.

Смолток – один из ранних ОО ЯП, основная конструкция – это объект и действия с ним, предназначен для нечисловых задач (при построении систем искусственного интеллекта).

Форт – используется при решении задач имитационного моделирования в графических системах.

Языки функциональной группы используются в основном в системах искусственного интеллекта. У них мощная инструментальная поддержка, быстрый компилятор, встроенные средства организации многооконного режима, графика высокого разрешения, развитый набор математических функций.

Пролог – язык ИИ, даются термины и связи, а с его помощью создаются новые.

Лисп – имеет мощные графические конструкции, позволяет создавать программы проектирования (деталей, например). Он ориентирован на конструкторскую деятельность. Имеет библиотеку примитивов.

СНОБОЛ – язык ИИ.

Поколения языков программирования

Все языки программирования принято делить на 5 поколений.

1. Начало 50-х годов. Появились первые компьютеры и первые языки ассемблера, в которых программирование велось по принципу «Одна инструкция - одна строка».

2. Конец 50-х начало 60-х годов. Разработан символический Ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Возросла скорость разработки и надежность программ.

3. 60-е года. Рождение языков высокого уровня. Простота программирования, не­зависимость от конкретного компьютера, новые мощные языковые конструк­ции.

4. Начало 70-х и по настоящее время. Проблемно-ориентированные языки, опери­рующие конкретными понятиями узкой предметной области. Мощные операто­ры, для которых на языках младшего поколения потребовались тысячи строк исходного кода.

5. Середина 90-х. Системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки, без знания программирования. Инст­рукции вводятся в компьютер в наглядном виде с помощью методов, наиболее удобных для человека незнакомого с программированием.

В нашем институте на различных курсах вы научитесь программировать на различных языках программирования.