Ένας μεταγλωττιστής είναι ένα κρίσιμο κομμάτι λογισμικού που λειτουργεί ως μεταφραστής μεταξύ ανθρώπινου αναγνώσιμου γλωσσών προγραμματισμού υψηλού επιπέδου (όπως η Python, η Java, η C ++ κ.λπ.) και ο μηχανισμός-εκτελέσιμος κώδικας μηχανής χαμηλού επιπέδου (δυαδικός κώδικας) ότι ο επεξεργαστής ενός υπολογιστή μπορεί να κατανοήσει άμεσα και να εκτελέσει.
Στην ουσία, ο ρόλος του μεταγλωττιστή είναι:
1. Μεταφράστε τον πηγαίο κώδικα υψηλού επιπέδου στον κωδικό μηχανής: Αυτή είναι η κύρια λειτουργία. Ο μεταγλωττιστής λαμβάνει τον πηγαίο κώδικα γραμμένο από έναν προγραμματιστή και τον μετατρέπει σε μια σειρά οδηγιών που μπορεί να εκτελέσει η CPU του υπολογιστή.
2. Εκτελέστε την ανίχνευση σφαλμάτων: Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συλλογής, ο μεταγλωττιστής αναλύει τον πηγαίο κώδικα για σφάλματα σύνταξης, σημασιολογικά σφάλματα και άλλες παραβιάσεις των κανόνων της γλώσσας προγραμματισμού. Σηματοδοτεί αυτά τα σφάλματα και παρέχει ενημερωτικά μηνύματα στον προγραμματιστή, επιτρέποντάς τους να διορθώσουν τον κώδικα πριν από την εκτέλεση.
3. Βελτιστοποιήστε τον κωδικό (προαιρετικό αλλά κοινό): Πολλοί μεταγλωττιστές περιλαμβάνουν χαρακτηριστικά βελτιστοποίησης για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας του παραγόμενου κώδικα μηχανής. Αυτή η βελτιστοποίηση μπορεί να περιλαμβάνει:
* Μείωση του μεγέθους του κώδικα: Κάνοντας το εκτελέσιμο αρχείο μικρότερο.
* Βελτίωση της ταχύτητας εκτέλεσης: Κάνοντας το πρόγραμμα να τρέχει γρηγορότερα χρησιμοποιώντας πιο αποτελεσματικούς αλγόριθμους ή ακολουθίες οδηγιών.
* Βελτιστοποίηση της χρήσης μνήμης: Μείωση του ποσού της μνήμης που χρειάζεται το πρόγραμμα.
4. Σύνδεση εξωτερικών βιβλιοθηκών: Οι γλώσσες υψηλού επιπέδου συχνά βασίζονται σε εξωτερικές βιβλιοθήκες (προ-γραμμένες συλλογές λειτουργιών) για να παρέχουν λειτουργικότητα. Ο μεταγλωττιστής συνήθως λειτουργεί με έναν σύνδεσμο για να επιλύσει τις αναφορές σε αυτές τις βιβλιοθήκες και να συμπεριλάβει τον απαραίτητο κώδικα στο τελικό εκτελέσιμο.
Γιατί οι μεταγλωττιστές είναι απαραίτητοι;
* Ο κωδικός μηχανής είναι δυσανάγνωστος και δύσκολο να γράψει: Η γραφή απευθείας στον κώδικα του μηχανήματος είναι εξαιρετικά περίπλοκη και κουραστική. Οι γλώσσες υψηλού επιπέδου προσφέρουν αφαίρεση, επιτρέποντας στους προγραμματιστές να εκφράζουν τη λογική με πιο φυσικό και κατανοητό τρόπο.
* Φορητότητα: Οι γλώσσες υψηλού επιπέδου σχεδιάζονται συχνά για να είναι σχετικά ανεξάρτητες από την πλατφόρμα. Οι μεταγλωττιστές επιτρέπουν τον ίδιο πηγαίο κώδικα να καταρτιστεί για διαφορετικά λειτουργικά συστήματα (Windows, MacOS, Linux) και αρχιτεκτονικές CPU (X86, ARM), αν και μερικές φορές απαιτούνται τροποποιήσεις.
Η διαδικασία συλλογής διαιρείται τυπικά σε διάφορες ξεχωριστές φάσεις, καθένα από τα οποία εκτελεί μια συγκεκριμένη εργασία:
1. λεξική ανάλυση (σάρωση):
- Ο πηγαίος κώδικας είναι ο χαρακτήρας ανάγνωσης ανά χαρακτήρα.
- Ο κώδικας χωρίζεται σε ένα ρεύμα tokens , τα οποία είναι βασικά δομικά στοιχεία όπως λέξεις -κλειδιά, αναγνωριστικά (ονόματα μεταβλητών), χειριστές και σταθερές.
- Τα κενά και τα σχόλια απομακρύνονται συχνά.
Παράδειγμα (Python):
`` `Python
x =5 + y
`` `
Μήκες που παράγονται:
* `Αναγνωριστικό` (x)
* `Assignment_Operator` (=)
* `Integer_Literal` (5)
* `Plus_operator` (+)
* `Αναγνωριστικό` (y)
2. Ανάλυση σύνταξης (ανάλυση):
- Τα μάρκες είναι οργανωμένα σε μια ιεραρχική δομή που ονομάζεται δέντρο (ή αφηρημένο δέντρο σύνταξης, AST) με βάση τη γραμματική της γλώσσας προγραμματισμού.
- Το δέντρο αναλύσεων αντιπροσωπεύει τη συντακτική δομή του προγράμματος.
- Ελέγχει εάν τα μάρκες είναι διατεταγμένα σύμφωνα με τους κανόνες γραμματικής της γλώσσας. Τα σφάλματα σύνταξης ανιχνεύονται εδώ (π.χ., που λείπουν ημικόλια σε C ++).
Παράδειγμα (δέντρο ανάλυσης): Το δέντρο αναλύσεων για το `x =5 + y` θα αντιπροσωπεύει αυτή την ανάθεση είναι η λειτουργία ανώτατου επιπέδου, με τη μεταβλητή` x` στα αριστερά και την έκφραση `5 + y` στα δεξιά.
3. Σημασιολογική ανάλυση:
- Ο μεταγλωττιστής αναλύει το νόημα (σημασιολογία) του κώδικα.
- Ο έλεγχος του τύπου εκτελείται για να διασφαλιστεί ότι οι λειτουργίες εκτελούνται σε συμβατούς τύπους δεδομένων (π.χ. προσθέτοντας μια συμβολοσειρά σε ακέραιο θα ήταν ένα σημασιολογικό σφάλμα).
- Οι μεταβλητές δηλώσεις ελέγχονται για να διασφαλιστεί ότι οι μεταβλητές καθορίζονται σωστά πριν χρησιμοποιηθούν.
- Οι κανόνες του πεδίου επιβολής επιβάλλονται στον προσδιορισμό της ορατότητας και της διάρκειας των μεταβλητών.
- Ανιχνεύονται σημασιολογικά σφάλματα (π.χ., χρησιμοποιώντας μια μη δηλωμένη μεταβλητή).
4.
- Ο μεταγλωττιστής μπορεί να δημιουργήσει μια ενδιάμεση αναπαράσταση (IR) του κώδικα.
- Το IR είναι μια ανεξάρτητη από τη γλώσσα αναπαράσταση που απλοποιεί τις μεταγενέστερες φάσεις δημιουργίας και δημιουργίας κώδικα.
- Τα κοινά IRS περιλαμβάνουν τον κωδικό τριών διευθύνσεων και τη στατική μορφή ενιαίας ανάθεσης (SSA).
Παράδειγμα (κωδικός τριών διευθύνσεων):
`` `
t1 =5 + y
x =T1
`` `
5. Βελτιστοποίηση κώδικα:
- Ο μεταγλωττιστής επιχειρεί να βελτιώσει τον ενδιάμεσο κώδικα (ή το αρχικό δέντρο ανατροπής) για να παράγει πιο αποτελεσματικό κώδικα μηχανής.
- Οι τεχνικές βελτιστοποίησης περιλαμβάνουν:
* σταθερή αναδίπλωση: Αξιολόγηση σταθερών εκφράσεων κατά τη διάρκεια της σύνταξης.
* Εξάλειψη νεκρού κώδικα: Αφαίρεση κώδικα που δεν έχει καμία επίδραση στην έξοδο του προγράμματος.
* ξετυλίγματα βρόχου: Επέκταση βρόχων για να μειώσετε το βρόχο πάνω από το κεφάλι.
* Κατανομή εγγραφής: Ανάθεση μεταβλητών σε καταχωρητές CPU για τη βελτίωση της ταχύτητας πρόσβασης.
6. Δημιουργία κώδικα:
- Ο μεταγλωττιστής μεταφράζει τον βελτιστοποιημένο ενδιάμεσο κώδικα (ή το δέντρο ανάλυσης) σε κώδικα μηχανής ειδικά για την αρχιτεκτονική -στόχο.
- Αυτό περιλαμβάνει την επιλογή κατάλληλων οδηγιών CPU για την εκτέλεση των λειτουργιών που εκπροσωπούνται στο IR.
- Οι διευθύνσεις μνήμης εκχωρούνται σε μεταβλητές.
- Ο δημιουργημένος κώδικας μηχανής είναι συνήθως με τη μορφή γλώσσας συναρμολόγησης, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε δυαδικό κώδικα από έναν συναρμολογητή.
7. σύνδεση (σύνδεσμος):
- Ο σύνδεσμος συνδυάζει τον κώδικα μηχανής που δημιουργείται με τις απαραίτητες βιβλιοθήκες (προ-συμπιεσμένες λειτουργίες και δεδομένα) για τη δημιουργία του τελικού εκτελέσιμου αρχείου.
- Επιλύει τις αναφορές μεταξύ διαφορετικών αρχείων αντικειμένων (αρχεία πηγαίου κώδικα).
Απλοποιημένο παράδειγμα (C ++ έως συναρμολόγηση):
Ας πούμε ότι έχετε τον ακόλουθο κωδικό C ++:
`` c ++
int main () {
int x =5;
int y =10;
int z =x + y;
επιστροφή 0;
}
`` `
Μια απλοποιημένη διαδικασία συλλογής μπορεί να δημιουργήσει τον ακόλουθο (πολύ βασικό) κωδικό συναρμολόγησης (για την αρχιτεκτονική X86):
`` `Συνέλευση
Τμήμα .Data
; Δεν υπάρχει ενότητα δεδομένων σε αυτό το παράδειγμα
Τμήμα.
παγκόσμιο _start
_αρχή:
; x =5
Mov Eax, 5; Μετακινήστε την τιμή 5 στο μητρώο EAX (χρησιμοποιείται για το x)
; y =10
MOV EBX, 10; Μετακινήστε την τιμή 10 στον καταχωρητή EBX (χρησιμοποιείται για το y)
; z =x + y
Προσθέστε EAX, EBX. Προσθέστε την τιμή στο EBX σε EAX (το EAX περιέχει τώρα x + y)
; επιστροφή 0
mov eax, 0; Ρυθμίστε την τιμή επιστροφής στο 0
mov ebx, 0; Κωδικός κατάστασης εξόδου
MOV ECX, EAX. Βάλτε το EAX στο ECX
MOV EDX, EBX; Βάλτε το EBX στο EDX
MOV ESI, ECX; Βάλτε το ECX στο ESI
MOV EDI, EDX; Βάλτε το EDX στο EDI
MOV ESP, ESI; Βάλτε το ESI στο ESP
MOV EBP, EDI. Βάλτε το EDI σε EBP
mov al, 60
συκώ
`` `
Key Takeaways:
* Οι μεταγλωττιστές είναι απαραίτητοι για τη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ των γλωσσών προγραμματισμού φιλικών προς τον άνθρωπο και του κώδικα μηχανής χαμηλού επιπέδου που καταλαβαίνουν οι υπολογιστές.
* Η διαδικασία σύνταξης περιλαμβάνει αρκετές φάσεις, κάθε μία υπεύθυνη για μια συγκεκριμένη εργασία:λεξική ανάλυση, ανάλυση σύνταξης, σημασιολογική ανάλυση, ενδιάμεση παραγωγή κώδικα (προαιρετική), βελτιστοποίηση κώδικα, δημιουργία κώδικα και σύνδεση.
* Χρησιμοποιώντας μεταγλωττιστές, οι προγραμματιστές μπορούν να γράψουν κώδικα με πιο παραγωγικό και διατηρήσιμο τρόπο, ενώ παράλληλα επιτυγχάνουν αποτελεσματική εκτέλεση σε μια ποικιλία πλατφορμών υλικού.
Πνευματικά δικαιώματα © Γνώση Υπολογιστών Όλα τα δικαιώματα κατοχυρωμένα