Programmierung 2. Übersetzer: Code-Erzeugung. Sebastian Hack. Klaas Boesche. Sommersemester

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1 1 Programmierung 2 Übersetzer: Code-Erzeugung Sebastian Hack Klaas Boesche Sommersemester 2012

2 Bytecodes Der Java Übersetzer erzeugt keine Maschinensprache für einen konkreten Prozessor sondern Maschinensprache für eine virtuelle Maschine JVM = Java Virtual Machine Keine Festlegung auf eine konkrete Prozessorarchitektur portabel Die Maschinensprache solcher virtueller Maschinen heißen auch Bytecode Geht zurück auf Pascal P-Code und früher Auch viele andere Sprachen verwenden dieses Konzept:.NET Sprachen (C#,... ), Python, Perl, PDF (!),... Bytecode wird entweder interpretiert oder von einem Übersetzer in nativen Maschinencode übersetzt 2

3 3 Bytecodes Bytecodes sind virtuell existiert keine Hardware, die sie ausführen kann Sollen leicht interpretierbar sein Sollen leicht in konkrete Maschinensprachen übersetzbar sein Speicherhierarchie, Registerzahl, etc. sind maschinenabhängige Parameter Bytecode muss unabhängig von diesen Parametern sein Daher werden sehr häufig Stackmaschinen als virtuelle Maschinen verwendet

4 4 Stackmaschinen deutsch: Kellermaschinen Zwischenergebnisse des Maschinenprogramms werden auf einem Stack verwaltet Jeder Befehl holt sich seine Operanden von diesem Stack und legt sein(e) Resultat(e) darauf Beispiel: add = Operanden müssen nicht angegeben werden werden vom Stack geholt Größe des Stacks nur durch Speicher beschränkt

5 Stackmaschinen Beispiel gcd : cond : f: end : g = ne a, b jz end, g k = lt a, b jz f, k b = sub b, a jmp cond a = sub a, b jmp cond ret = a gcd : cond : f: end : ld 0 # Lade Arg 0 ld 1 # Lade Arg 1 ne jz end ld 0 ld 1 lt jz f ld 1 ld 0 sub st 1 # Speichere Arg jmp cond ld 0 ld 1 sub st 0 jmp cond ld 0 # Lade Resultat 5

6 6 Codeerzeugung für Stackmaschinen Umgekehrte polnische Notation (engl.: reverse polish notation (RPN)) UPN braucht keine Klammern Entspricht dem Stack-Prinzip Zum Beispiel: / * 4 # lege 4 auf den stack 4 6 # lege 6 auf den stack # lege 2 auf den stack 4 8 # addiere oberen beiden # lege 3 auf den stack # lege 1 auf den stack # subtrahiere oberen beiden 4 4 # dividiere 16 # multipliziere

7 7 Codeerzeugung für Stackmaschinen Wie kommt man von Ausdrücken zu UPN? Rekursion: Seien a und b Ausdrücke und τ ein Operator So ist upn(a τ b) = upn(a) upn(b) τ Im Ausdrucksbaum: class Tree { private String operator ; List <Tree > operands ;... void toupn () { for ( Tree t : operands ) t. toupn (); System. out. print (" " + operator ); } }

8 8 Codeerzeugung für Stackmaschinen Code für Stackmaschinen kann direkt aus dem Syntaxbaum erzeugt werden Zwei Aspekte: 1 Erzeugung von Code für Ausdrücke 2 Erzeugung von Sprüngen und Marken Ersteres analog zum Überführen eines Ausdrucks in umgekehrte polnische Notation (UPN) Bei UPN steht der Operator nach den Operanden, nicht dazwischen Beispiel: in UPN: 4 * ((6 + 2) / (3-1)) / *

9 9 Ablaufsteuerung Konstrukte der Ablaufsteuerung ersetzen Sprungmarken und Sprünge if (e) T else F codeaus(e, $t0) beqz $t0 falsch.n codeanw(t ) b end.n falsch.n : codeanw(f ) end.n : codeaus(x, r) erzeugt die Befehlssequenz für den Ausdruck x so, dass das Ergebnis des Ausdrucks in Register r liegt. codeanw(x) erzeugt die Befehlssequenz für die Anweisung x Die Marken falsch.n und end.n sind frisch N ist für jedes Auftreten eines if eindeutig

10 10 Ablaufsteuerung Konstrukte der Ablaufsteuerung ersetzen Sprungmarken und Sprünge while S (e) loop.n : r = codeaus(e, $t0) beqz $t0 exit.n codeanw(s) b loop.n exit.n :

11 11 Ablaufsteuerung Weitere Konstrukte Offene Schleife do S while (e ); S while S (e) for-schleife for (D ; e; i ) B { } D ; while (e) { B ; i ; }

12 12 Einfache Registerzuteilung MIPS-Befehle erwarten Operanden in Registern Kein Auswertekeller wie bei Bytecodes Einfache Art der Registerzuteilung für einen Ausdrucksbaum: Unterschied: Verwende Register wie einen Keller Keller unendlich groß Register beschränkt Wollen wir im Projekt ignorieren: Kein Testfall braucht mehr als 10 Register (t0 t9)

13 13 Einfache Registerzuteilung class Tree { private String operator ; List <Tree > operands ;... Reg toupn ( Stack <Reg > free ) { Stack <Reg > used = new Stack <Reg >(); for ( Tree t : operands ) { Reg r = t. toupn ( free ); used. push (r); } for ( Reg r : used ) free. push (r); if ( free. isempty ()) throw new OutOfRegistersException (); return free. pop (); } }

14 14 Registerbedarf eines Ausdrucksbaumes Unterschiedliche Serialisierungen eines Ausdrucksbaumes können einen unterschiedlichen Registerbedarf haben Analog zur Tiefe des Auswertekellers Betrachten wir zum Beispiel den Ausdruck ((a - b) + (c * d)) * (e + f) Zwei verschiedene UPNs: 1 e f + a b - c d * + * 4 Register 2 a b - c d * + e f + * 3 Register Wie müssen wir die Befehle anordnen, so dass der Registerbedarf minimal wird?

15 15 Algorithmus von Sethi-Ullman 1970 Annahme: Jeder Baumknoten benötigt ein Register zum Speichern des Resultats Baum ist ein Binärbaum Algorithmus: Bestimme für jeden Baumknoten den Registerbedarf t zur Auswertung seines kompletten Teilbaums (rekursiv): Sei l (r) der Registerbedarf für den linken (rechten) Teilbaum Ist l r, so ist t = max(l, r), andernfalls t = l + 1 Ordne Befehle an (rekursiv): Ordne Teilbaum mit größerem Registerbedarf zuerst an, dann den anderen Haben beide Teilbäume gleichen Registerbedarf, so spielt die Ordnung keine Rolle

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