Übersetzung von Programmiersprachen

Übersetzung
von
Programmiersprachen
Arnd Poetzsch-Heffter
AG Softwaretechnik
TU Kaiserslautern
Wintersemester 2005/06
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
1
1.Kapitel: Einführung
Aufbauend auf den Techniken zur syntaktischen
Analyse formaler Beschreibungssprachen
konzentriert sich diese Vorlesung auf
- Techniken und Algorithmen zur
- semantikerhaltenden und
- optimierenden
- Übersetzung von
- Quellsprachprogrammen in
- Zielsprachprogramme.
Aufbau von Kapitel 1:
• Überblick und Umfeld
• Allgemeine Aspekt des Übersetzerbaus
• Inhalt und Lernziele
Literatur:
R. Wilhelm, D. Maurer: Übersetzerbau.
Springer-Verlag. 1992.
A. Appel: Modern Compiler Implementation in Java.
Cambridge University Press. 1999.
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
2
1.1 Überblick und Umfeld
Begriffsklärung:
• Übersetzungsaufgabe:
Quellcode
Übersetzer
Fehlermeldung | Zielcode
• Übersetzer (im weiteren Sinne) realisiert:
Analyse & Optimierung & Übersetzung
• Quellcode: Eingabe(-Zeichenreihe) für Übersetzer;
sollte der Syntax der Quellsprache (QS) genügen.
• Zielcode: Ausgabe(-Zeichenreihe) des Übersetzer;
muss der Syntax der Zielsprache (ZS) genügen.
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
3
• typische Quellsprachen:
- Programmiersprachen:
C, C++, C#, Java, ML, Cobol, Smalltalk, Prolog, ...
Skriptsprachen (JavaScript), Kommandosprachen
- Sprachen für Konfigurationsmanagement (make,..)
- Anwendungs- & werkzeugspezifische Sprachen
(Excel, Lex, Max, ...)
- Spezifikationssprachen (Z, Isabelle/HOL, CASL)
- Formatierungs- und Datenbeschreibungssprachen
(LaTeX, HTML, XML,...)
- Entwurfs- & Architekturbeschreibungssprachen
(UML, SDL, VHDL, Darwin,...)
• typische Zielsprachen:
- Assembler- und Maschinensprachen
- Programmiersprachen (z.B. C)
- Daten- und Layoutbeschreibungssprachen
- Sprachen zur Drucksteuerung
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
4
Zur Übersetzungszeit: während der Übersetzer läuft.
Alle Informationen und Aspekte, die schon zur
Übersetzungszeit bekannt sind, nennt man statisch.
Z.B. Typprüfung der Programms,
Konstante Ausdrücke auswerten,
Relativadressen festlegen, ...
Zur Laufzeit: während das übersetze Programm
ausgeführt wird.
Alle Informationen und Aspekte, die statisch noch
unbekannt sind, nennt man dynamisch.
Z.B. Allokation von Feldern variabler Größe,
Bereichsprüfung von Feldern,
dynamische Bindung von Methoden,
Speicherverwaltung für rekursive Prozeduren.
Da der Übersetzer dynamische Aspekte nicht zur
Übersetzungszeit behandeln kann, erzeugt er dafür
Code. Der Code erledigt die Aspekte dann zur
Laufzeit.
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
5
Anwendungsbereiche der Techniken:
(exemplarisch)
• Realisierung von Programmierumgebungen:
- kontextsensitive Editoren, Klassenbrowser, ...
- graphische Programmierwerkzeuge
- Präprozessoren
- Übersetzer
- Interpreter
- Debugger
- Laufzeitumgebung
(Laden, Linken, Ausführen, Speicherverwalten)
• Generierung von Programmen aus
Entwurfsdokumenten (UML, ... )
• Programmverstehen, Reengineering
• Entwurf und Implementierung anwendungsspezifischer Sprachen:
- Robotersteuerung
- Simulationswerkzeuge
- Tabellenkalkulatoren, aktive Dokumente
• Web-Technologie:
- Analyse von Web-Sites
- aktive Webseiten (mit integrierter Funktionalität)
- abstrakte Plattformen: JVM, .Net
- Optimieren von Caching
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
6
Angrenzende Gebiete:
• Formale Sprachen, Sprachspezifikation, -entwurf
• Programmier- und Spezifikationssprachen
• Programmierung, Softwareentwicklung,
SW-Generierung, SW-Architektur
• Systemsoftware, Rechnerarchitektur
gegenseitige Wechselwirkung
Implementierungsaufgaben:
Analyse:
Übersetzung:
Interpretation:
Quellcode
Quellcode
Quellcode Eingabedaten
Analysator
Übersetzer
Analyseinformation
Zielcode
Interpreter
Ausgabedaten
häufig Kombination der Aufgaben
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
7
Beispiele: (Übersetzung)
1. Übersetzung eines C-Programms:
int main() {
printf("Willkommen zur Vorlesung!");
return 0;
}
gcc
.file
"hello_world.c"
.version
"01.01"
gcc2_compiled.:
.section
.rodata
.LC0:
.string
"Willkommen zur Vorlesung!"
.text
.align 16
.globl main
.type
main,@function
main:
pushl %ebp
movl %esp,%ebp
subl $8,%esp
...
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
8
Das vollständige Zielprogramm:
.file
"hello_world.c"
.version
"01.01"
gcc2_compiled.:
.section
.rodata
.LC0:
.string
"Willkommen zur Vorlesung!"
.text
.align 16
.globl main
.type
main,@function
main:
pushl %ebp
movl %esp,%ebp
subl $8,%esp
addl $-12,%esp
pushl $.LC0
call printf
addl $16,%esp
xorl %eax,%eax
jmp .L2
.p2align 4,,7
.L2:
movl %ebp,%esp
popl %ebp
ret
.Lfe1:
.size main,.Lfe1-main
.ident "GCC: (GNU) 2.95.2 19991024 (release)"
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
9
2. Übersetzung eines LaTeX-Dokuments:
groovy.tex (104 bytes)
\documentclass{article}
\begin{document}
\vspace*{7cm}
\centerline{\Huge\bf It‘s groovy}
\end{document}
latex
groovy.dvi (207 bytes, binary)
...
dvips
groovy.ps (7136 bytes)
%!PS-Adobe-2.0
%%Creator: dvips(k) 5.86 ...
%%Title: groovy.dvi
...
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
10
1.2 Allgemeine Aspekt des
Übersetzerbaus
• Anforderungen
• Architektur
• Konstruktionstechniken
• Dimensionen des Übersetzerbaus
Anforderungen an Übersetzer
• Gute Fehlerbehandlung (statisch & dynamisch)
• Effizienter Zielcode
• Wahlmöglichkeit:
schnelle Übersetzung & weniger effizienter Code
versus
langsamere Übersetzung & hoch effizienter Code
• semantisch korrekte Übersetzung:
„Übersetztes Programm verhält sich gemäß
der Sprachdefinition der Quellsprache“
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
11
D.h. mit
semQS: QS-Programme x QS-Daten QS-Daten
semZS: ZS-Programme x ZS-Daten ZS-Daten
compile: QS-Programme ZS-Programme
QS-Daten ZS-Daten
decode: ZS-Daten QS-Daten
code:
sollte für alle QS-Programme P, QS-Daten D gelten:
semQS(P,D) = decode(semZS(compile(P),code(D)))
Architektur von Übersetzern
Bei Übersetzern unterstellt man normalerweise
eine Phasenzerlegung in Analyse- und
Synthesephasen.
Unterschiede gibt es bei:
- der Verwaltung von globaler Information
- der Repräsentation der Zwischenformen
- der Behandlung von Varianten
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
12
Übersetzerphasen:
Quellcode als Zeichenreihe
Scanner
Symbolfolge
Parser
Analyse
Syntaxbaum
Namensbinden
Typisieren
Attributieren
& Optimieren
Attributierter Baum
( QS-nahe Repr.)
Übersetzer im
engeren Sinn
Synthese
Attributieren
& Optimieren
Zwischensprache
( ZS-nahe Repr.)
Codegenerator
PeepholeOptimierer
15.11.2005
Zielcode als Zeichenreihe
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
13
Aspekte von Übersetzerarchitekturen:
• Phasen zunächst einmal konzeptionell gemeint
• Ausführung der Phasen kann verschränkt sein
• Unterschied: Phase versus Pass
(Pass: ein Durchgang durch das Programm)
• genaue Festlegung der Phasen ist von Quell-,
Zielsprache und Entwurfsentscheidungen abhängig
• Kombination mit anderen Architekturentscheidungen:
QS_1 QS_2 .... QS_m
gemeinsame
Zwischensprache
ZS_1 ZS_2 ... ZS_n
• getrennte Übersetzung:
Programmteile können unabhängig von einander
übersetzt werden; Schnittstelleninformation benutzter
Elemente anderer Programmteile muss verfügbar
sein.
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
14
Konstruktionstechniken
A. Schrittweise Konstruktion:
Programmierung basiert üblicherweise auf Existenz
eines Übersetzers für die Implementierungssprache.
Bei Übersetzerkonstruktion kann davon im Allg. nicht
ausgegangen werden; stehe
ZS
QS
PS
für einen Übersetzer der in Sprache PS geschrieben
ist und QS in ZS übersetzt.
1. Konstruktion mit Übersetzer für andere Sprache:
Gesucht: QS-Compiler, Ziel MS, läuft auf MS
Annahme: C-Compiler existiert auf Plattform mit
Maschinensprache MS
QS
zu entwickeln
MS
QS
C
MS
C
MS
MS
MS
durch
Übersetzung
existiert
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
15
2. Konstruktion mit Übersetzer für anderen Rechner:
Gesucht: C-Compiler auf MS 1 für
MS 1
Annahme: C-Compiler auf MS 2 für MS 2 existiert
Methode: realisiere zunächst Cross-Compiler
1.Schritt:
MS 1
C
C
C
MS 1
MS 2 MS 2
C
MS 2
Cross-Compiler
2.Schritt:
MS 1
C
C
C
MS 1
MS 1 MS 1
C
MS 2
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
16
3. Bootstrapping:
Gesucht: QS-Compiler auf MS für MS
Annahme: kein Compiler verfügbar
Methode:
1. Entwerfe Teilsprachen QS i von QS mit
QS 1
QS 2
U
U
U
QS 0
QS
2. Implementiere QS 0 -Compiler für MS in MS
3. Implementiere QS i+1-Compiler für MS in QS
i
4. Erzeuge QS i+1-Compiler für MS in MS
durch Erweiterung
QS
MS QS 2 QS 2
QS 2
MS QS 1 QS 1
QS 1
QS
MS
QS 0 QS 0
MS
MS
MS
MS
MS
MS
MS
MS
durch Übersetzung
von Hand
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
17
B. Mit Generierungswerkzeugen:
• Scanner-Generator / reguläre Ausdrücke
• Parser-Generator / kontextfreie Grammatik
• Attributauswertungsgenerator / Attributgrammatik
• Codegenerator-Generator / Maschinenbeschreibung
• weitere phasenspezifische Werkzeuge
• Interpretergeneratoren / Sprachsemantik
C. Spezielle Programmiermethodiken:
• allgmeine Technik: syntaxgesteuert
• speziell: rekursiver Abstieg
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
18
Dimensionen des Übersetzerbaus
• Programmiersprachen (-sprachklassen):
- sequentielle prozedurale, oo. Sprachen
- funktionale, logische Sprachen
- parallele Sprachen/Sprachkonzepte
• Zielsprachen/Maschine:
- Code für abstrakte Maschine
- Assembler
- Maschinensprache (CISC, RISC,Superskalar,...)
- Multiprozessorarchitekturen
- Speicherhierarchie
• Übersetzungsaufgaben:
Analyse, Optimierung, Synthese
• Konstruktionsmethoden und Werkzeuge
Bootstrapping, Generatoren, ...
• Portabilität, Spezifikation, Korrektheit
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
19
1.3 Inhalt und Lernziele
1. Einführung:
1.1 Überblick und Umfeld
1.2 Allgemeine Aspekt des Übersetzerbaus
1.3 Inhalt und Lernziele
2. Übersetzung in die Zielsprache
2.1 Übersetzung prozeduraler Programmiersprachen
2.2 Übersetzung objektorientierter Sprachkonstrukte
2.3 Einblick in die Übersetzung funktionaler Sprachen
2.4 Ein einfacher Übersetzer
3. Ausgewählte Aspekte der Übersetzung
3.1 Zwischensprachen in der Übersetzung
3.2 Optimierung
3.3 Registerzuteilung
3.4 Weitere Aspekte der Übersetzung
4. Speicherbereinigung
4.1 Reference Counting
4.2 Mark & Sweep
4.3. Copying Collection
5. Zusammenfassung und Ausblick
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
20
Allgemeine Lernziele:
• Grundlagen der Übersetzung von Programmiersprachen
• Vertiefung in Programmiersprachen
• Genauere Kenntnis über die Ausführung von
Programmen
• Erlernen ausgereifter, vielseitig einsetzbarer
Methoden und Werkzeuge
• Kennen lernen des Zusammenwirkens von
Theorie, Algorithmen, Ingenieurmethoden am
Beispiel eines gereiften Gebiets der Informatik
Übertragung in andere Gebiete
15.11.2005
© A. Poetzsch-Heffter, TU Kaiserslautern
21