Инструментальное ПО

4.2. Основы компиляции

Программы, написанные на языках программирования высокого уровня, перед выполнением на ЭВМ должны транслироваться в эквивалентные программы, написанные на машинном коде. Транслятор – это программа, которая переводит программу на исходном (входном) языке в эквивалентную ей программу на результирующем (выходном) языке. Если исходный язык является языком высокого уровня, например, таким как Паскаль, С++, и если объектный язык – автокод, то такой транслятор называется компилятором.

Достоинство компилятора заключается в том, что программа компилируется один раз, и при каждом выполнении не требуется дополнительных преобразований. Соответственно, не требуется наличие компилятора на целевой машине, для которой компилируется программа. Недостаток: отдельный этап компиляции замедляет написание и отладку и затрудняет исполнение небольших, несложных или разовых программ. В том случае, если исходный язык является языком ассемблера (низкоуровневым языком, близким к машинному языку), компилятор такого языка называется ассемблером.

Другой метод реализации программ, написанных на языке высокого уровня, – интерпретация [21]. Интерпретатор программно моделирует машину, цикл выборки-исполнения которой работает с командами на языках высокого уровня, а не с машинными командами. Такое программное моделирование создает виртуальную машину, реализующую язык. Этот подход называется чистой интерпретацией. Чистая интерпретация применяется, как правило, для языков с простой структурой (например, АПЛ или Лисп). Интерпретаторы командной строки обрабатывают команды в скриптах в UNIX или в пакетных файлах (.bat) в MS-DOS, как правило, также в режиме чистой интерпретации.

Достоинство чистого интерпретатора: отсутствие промежуточных действий для трансляции упрощает реализацию интерпретатора и делает его удобнее в использовании, в том числе в диалоговом режиме. Недостаток – интерпретатор должен быть в наличии на целевой машине, где должна исполняться программа. А свойство чистого интерпретатора, что ошибки в интерпретируемой программе обнаруживаются только при попытке выполнения команды (или строки) с ошибкой, можно признать как недостатком, так и достоинством [20].

Существуют компромиссные между компиляцией и чистой интерпретацией варианты реализации языков программирования, когда интерпретатор перед исполнением программы транслирует ее на промежуточный язык (например, в байт-код или p-код), более удобный для интерпретации (т.е. речь идет об интерпретаторе со встроенным транслятором). Такой метод называется смешанной реализацией. Примером смешанной реализации языка может служить Perl. Этот подход сочетает как достоинства компилятора и интерпретатора (бомльшая скорость исполнения и удобство использования), так и недостатки (для трансляции и хранения программы на промежуточном языке требуются дополнительные ресурсы; для исполнения программы на целевой машине должен быть представлен интерпретатор). Так же, как и в случае компилятора, смешанная реализация требует, чтобы перед исполнением исходный код не содержал ошибок (лексических, синтаксических и семантических).

Для компиляции компилятор должен выполнить анализ исходной программы, а затем синтез объектной программы. Сначала исходная программа разлагается на ее составные части; затем из них строятся части эквивалентной объектной программы. Для этого на этапе анализа компилятор строит несколько таблиц (рис.4.2), которые используются затем как при анализе, так и при синтезе [12].

При анализе программы из описаний, заголовков процедур, заголовков циклов и т.д. извлекается информация и сохраняется для последующего применения. Эта информация обнаруживается в отдельных точках программы и организуется так, чтобы к ней можно было обратиться из любой части компилятора. Например, при каждом использовании идентификатора необходимо знать, как был описан этот идентификатор и как он работал в других местах программы. Что конкретно следует хранить, зависит, конечно, от исходного языка, объектного языка и сложности компилятора. Но в каждом компиляторе в той или иной форме используется таблица символов (иногда ее называют списком идентификаторов или таблицей имен). Это таблица идентификаторов, встречающихся в исходной программе, вместе с их атрибутами. К атрибутам относятся тип идентификатора, его адрес в объектной программе и любая другая информация о нем, которая может понадобиться при генерации объектной программы.

Лексический анализатор (сканер) – самая простая часть компилятора. Сканер просматривает литеры исходной программы слева направо и строит символы программы – целые числа, идентификаторы, служебные слова и т. д. (символы передаются затем на обработку фактическому анализатору). На этой стадии может быть исключен комментарий. Сканер также может заносить идентификаторы в таблицу символов и выполнять другую простую работу, которая фактически не требует анализа исходной программы. Он может выполнить большую часть работы по макрогенерации в тех случаях, когда требуется только текстовая подстановка.

Рис. 4.2. Структура процесса компиляции

Обычно сканер передает символы анализатору во внутренней форме. Каждый разделитель (служебное слово, знак операции или знак пунктуации) будет представлен целым числом. Идентификаторы или константы можно представить парой чисел. Первое число, отличное от любого целого числа, использующегося для представления разделителя, характеризует сам "идентификатор" или "константу"; второе число является адресом или индексом идентификатора или константы в некоторой таблице. Это позволяет в остальных частях компилятора работать эффективно, оперируя с символами фиксированной длины, а не с цепочками литер переменной длины.

Синтаксический и семантический анализаторы выполняют сложную работу по расчленению исходной программы на составные части, формированию ее внутреннего представления и занесению информации в таблицу символов и другие таблицы. При этом также выполняется полный синтаксический и семантический контроль программы. Синтаксис – способ соединения слов (и их форм) в словосочетания и предложения. Семантика – это значения единиц языка. Обычный анализатор представляет собой синтаксически управляемую программу.

В действительности стремятся отделить синтаксис от семантики настолько, насколько это возможно. Когда синтаксический анализатор (распознаватель) узнает конструкцию исходного языка, он вызывает соответствующую семантическую процедуру, или семантическую программу, которая контролирует данную конструкцию с точки зрения семантики и затем запоминает информацию о ней в таблице символов или во внутреннем представлении программы. Например, когда распознается описание переменных, семантическая программа проверяет идентификаторы, указанные в этом описании, чтобы убедиться в том, что они не были описаны дважды, и заносит их вместе с атрибутами в таблицу символов.

Внутреннее представление исходной программы в значительной степени зависит от его дальнейшего использования. Это может быть дерево, отражающее синтаксис исходной программы. Это может быть исходная программа, в так называемой польской записи, список тетрад и т.д.

Перед генерацией команд обычно необходимо некоторым образом обработать и изменить внутреннюю программу. Кроме того, должна быть распределена память под переменные готовой программы. Одним из важных моментов на этом этапе является оптимизация программы с целью уменьшения времени ее работы. По существу, на этом этапе происходит перевод внутреннего представления исходной программы на автокод или на машинный язык. Это наиболее хлопотная и кропотливая часть компилятора, хотя и наиболее понятная. В интерпретаторе эта часть компилятора заменяется программой, которая фактически выполняет (или интерпретирует) внутреннее представление исходной программы. Само внутреннее представление в этом случае мало чем отличается от того, которое получается при компиляции.

Естественно, возникает вопрос: в чем заключаются главные трудности реализации компилятора? Сканер весьма прост и хорошо изучен. Синтаксические анализаторы, если речь идет о простых формальных языках, также довольно хорошо изучены. В действительности эту часть можно в значительной степени автоматизировать. С тех пор, как синтаксис был формализован, большинство исследований по созданию компиляторов касалось именно синтаксиса, а не семантики. Наиболее трудными и запутанными частями компилятора являются семантический анализ, программы подготовки генерации и программы генерации команд. Эти три части взаимозависимы, должны в значительной степени разрабатываться совместно и могут коренным образом измениться при переходе с одного объектного языка на другой или с одной машины на другую.

Более детальное представление о процессе компиляции можно получить в специальной литературе [12, 20, 21].

4.3. Понятие системы программирования

Всякий компилятор является составной частью системного программного обеспечения. Основное назначение компиляторов – служить для разработки новых прикладных и системных программ с помощью языков высокого уровня. Любая программа, как системная, так и прикладная, проходит этапы жизненного цикла, начиная от проектирования и вплоть до внедрения и сопровождения. А компиляторы – это средства, служащие для создания программного обеспечения на этапах кодирования, тестирования и отладки. Однако сам по себе компилятор не решает полностью всех задач, связанных с разработкой новой программы. Средств только лишь компилятора недостаточно для того, чтобы обеспечить прохождение программой указанных этапов жизненного цикла. Поэтому компиляторы – это программное обеспечение, которое функционирует в тесном взаимодействии с другими техническими средствами, применяемыми на данных этапах.

Основные технические средства, используемые в комплексе с компиляторами, включают в себя следующие программные модули [20]:

• текстовые редакторы, служащие для создания текстов исходных программ;
• компоновщики, которые позволяют объединять несколько объектных модулей, порождаемых компилятором, в единое целое;
• библиотеки прикладных программ, содержащие в себе наиболее часто используемые функции и подпрограммы в виде готовых объектных модулей;
• загрузчики, обеспечивающие подготовку готовой программы к выполнению;
• отладчики, выполняющие программу в заданном режиме с целью поиска, обнаружения и локализации ошибок;
• другие программные средства, служащие для разработки программ и их компонентов.

Все эти средства разработки функционируют не отдельно, каждое само по себе, а в тесном взаимодействии друг с другом. Данные, полученные в одном модуле, поступают на вход другого, и наоборот. В современных средствах разработки интеграция модулей столь высока, что пользователь часто и не представляет, что он работает с несколькими программными средствами – для него вся система разработки представляет собой единое целое. Весь этот комплекс программно-технических средств составляет новое понятие, которое называется системой программирования.

Системы программирования в современном мире доминируют на рынке средств разработки. Практически все фирмы-разработчики компиляторов поставляют свои продукты в составе соответствующей системы программирования в комплексе всех прочих технических средств. Отдельные компиляторы являются редкостью и, как правило, служат только узкоспециализированным целям.

Тенденция такова, что все развитие систем программирования идет в направлении неуклонного повышения их дружественности и сервисных возможностей. Это связано с тем, что на рынке в первую очередь лидируют те системы программирования, которые позволяют существенно снизить трудозатраты, необходимые для создания программного обеспечения на этапах жизненного цикла, в области кодирования, тестирования и отладки программ. Показатель снижения трудозатрат в настоящее время считается более существенным, чем показатели, которые определяют эффективность результирующей программы, построенной с помощью системы программирования.

В качестве основных тенденций в развитии современных систем программирования следует указать внедрение в них средств разработки на основе так называемых языков четвертого поколения 4GL (four generation languages), а также поддержку систем быстрой разработки программного обеспечения RAD (rapid application development).

Языки четвертого поколения 4GL представляют собой широкий набор средств, ориентированных на проектирование и разработку программного обеспечения. Они строятся на основе оперирования не синтаксическими структурами языка и описаниями элементов, а представляющими их графическими образами. На таком уровне проектировать и разрабатывать прикладное программное обеспечение может пользователь, не являющийся квалифицированным программистом, зато имеющий представление о предметной области, на работу в которой ориентирована прикладная программа.

Описание программы, построенное на основе языков 4GL, транслируется затем в исходный текст и файл описания ресурсов интерфейса, представляющие собой обычные тексты на соответствующем входном языке высокого уровня. С этим текстом уже может работать профессиональный программист-разработчик, он может корректировать и дополнять его необходимыми функциями. Такой подход позволяет разделить работу проектировщика, ответственного за общую концепцию всего проекта создаваемой системы, дизайнера, отвечающего за внешний вид интерфейса пользователя, и профессионального программиста, отвечающего непосредственно за создание исходного кода создаваемого программного обеспечения.

В целом языки четвертого поколения решают уже более широкий класс задач, чем традиционные системы программирования. Они составляют часть средств автоматизированного проектирования и разработки программного обеспечения, поддерживающих все этапы жизненного цикла CASE-систем. Их рассмотрение выходит за рамки данного учебного пособия.