Computergrundlagen Programmiersprachen, Interpreter, Compiler, Linker

Transkript

1 Computergrundlagen Programmiersprachen, Interpreter, Compiler, Linker Axel Arnold Institut für Computerphysik Universität Stuttgart Wintersemester 2010/11

2 Was sind Programme? In dieser Vorlesung: Python, C, L A T E X, bash Sind das alle Typen von Programmiersprachen? Wie kann man Programmiersprachen klassifizieren? Kein Prozessor versteht Python-, C- oder Shell-Befehle Was muss alles passieren, um ein Programm laufen zu lassen? Wie wird aus unserem Programm etwas, dass der Prozessor ausführen kann? A. Arnold Computergrundlagen 2/13

3 Programmiersprachen Imperative Sprachen Beispiele: Python, C, Shell, BASIC... Die meisten Sprachen sind imperativ Programme erklären, wie ein Problem gelöst werden soll Umsetzung des von Neumann-Rechners: Befehle und Schleifen prozedural heißen Sprachen, die Prozeduren kennen Beispiele: alle außer einfachem BASIC Deklarative Sprachen Keine von Neumann-artigen Befehle, kein innerer Zustand Rekursion anstatt Schleifen funktional, basierend auf Funktion im mathematischen Sinn Beispiele: Haskell, Erlang, Scheme... logisch, basierend auf Fakten, Axiomen und logischer Ableitung Beispiele: Prolog A. Arnold Computergrundlagen 3/13

4 Funktionale Sprachen: Haskell Beispiel: Berechnung der Fakultät fakultaet :: Integer -> Integer -- rekursive Definition fakultaet 0 = 1 fakultaet n = n * fakultaet(n - 1) -- oder als Produkt fakultaet n = product [1..n] Rekursive Definition der Fakultät, impliziter Abbruch durch Spezialisierung oder mit Hilfe eines endlichen Produkts Variablen im mathematischen Sinn x = x + 1 ist daher unzulässig bzw. falsch Beschreibt, was berechnet wird, nicht wie A. Arnold Computergrundlagen 4/13

5 Logische Sprachen: Prolog Beispiel: Ahnentafel ahn(x,z) :- elter(x,z). ahn(x,z) :- elter(x,y), ahn(y,z). elter(axel,alfred). elter(alfred,alexander).?- ahn(axel,alexander). yes. Eingabe sind Fakten p(x): X hat Eigenschaft p Regeln p(x) :- p1(v,...,x,...), p2(w,...,x,...): X hat Eigenschaft p, wenn es V,W,... gibt, so dass p1(v,...,x,...) und p2(w,...,x,...) gilt. Entwickelt für die Forschung an künstlicher Intelligenz A. Arnold Computergrundlagen 5/13

6 Objektorientierte Sprachen Person +name: String +getname(): String +gettitel(): String Dozent -vorlesungen: Liste von Vorlesungen +haltevorlesung(vorlesung:vorlesung) +halteprüfung(vorlesung:vorlesung): Note +gettitel(): String Student +kurs: Kurs +vorlesungen: Liste von Vorlesungen +hoertvorlesung(vorlesung:vorlesung) +macheprüfung(vorlesung:vorlesung) +gettitel(): String Objektorientierung (OO) ist ein sprachunabhängiges Programmiermodell Ziel ist die bessere Wartbarkeit und Austauschbarkeit von Software durch starke Isolation von Teilproblemen Speziell darauf ausgelegt sind z.b. C++, Java, Python,... UML (Unified Modelling Language) beschreibt OO-Modelle A. Arnold Computergrundlagen 6/13

7 Terminologie Klasse: beschreibt Eigenschaften und Methoden von Objekten Beispiel: Klassen sind z.b. Dozent, Student, Person Objekt: eine Instanz einer Klasse. Ein Objekt hat stets eine Klasse, aber es kann viele Instanzen geben Beispiel: Axel Arnold ist ein Dozent, Christian Holm auch Eigenschaften: Datenelemente von Objekten Beispiel: Dozent hat Name, Titel und zu haltende Vorlesungen Methoden: Funktionen einer Klasse Beispiel: Personen können ihren Namen sagen Datenkapselung: Eigenschaften werden nur durch Funktionen der Klasse verändert Beispiel: der Name einer Person kann nicht geändert werden Vererbung: Klassen können von anderen abgeleitet werden, erben dadurch deren Eigenschaften und Funktionen Beispiel: Jede Person hat einen Namen A. Arnold Computergrundlagen 7/13

8 Interpreter- und Compilersprachen Python-Skript Python-Interpreter Ausgabe interpretiert produziert C-Quellcode übersetzt C-Compiler+Linker erzeugt Binärprogramm Ausgabe Interpretersprachen Z.B. Python, Java, C#, Basic, PHP, Shellsprachen produziert Das Programm wird vom Interpreter gelesen und ausgeführt Es wird nie in Maschinencode für den Prozessor übersetzt Ausnahme: Just-in-Time (JIT) Compiler A. Arnold Computergrundlagen 8/13

9 Interpreter- und Compilersprachen Python-Skript C-Quellcode übersetzt interpretiert C-Compiler+Linker Python-Interpreter erzeugt Binärprogramm produziert produziert Ausgabe Ausgabe Compilersprachen Z.B. C/C++, Fortran, Pascal/Delphi Compiler übersetzt in maschinenlesbaren Code Nicht portabel, erschwerte Fehlersuche, deutlich schneller Interpreter selbst müssen compiliert werden A. Arnold Computergrundlagen 8/13

10 Maschinensprache Aber was versteht nun der Prozessor? Zahlenkolonnen, z.b. AD A 8D AD d Maschinencode für den 6502-Mikroprozessor Addiert 42 zur 16-bit-Zahl an Speicherstellen 1234h und 1235h Wie hängt das mit x += 42 zusammen? Wie wird aus einem Programm Maschinencode? A. Arnold Computergrundlagen 9/13

11 Assembler X = $1234 AD LDA X 18 CLC 69 2A ADC #42 8D STA X AD LDA X ADC #00 8d STA X+1 Assembler ist die menschenlesbare Form der Maschinensprache Im Beispiel bezeichnet das Label X die Speicherzelle 1234h Assembler bezeichnet auch das Programm, das die Befehle in Zahlen übersetzt und Labels an Speicherzellen knüpft Zeitkritische Anwendungen werden auch heute noch manchmal in Assembler geschrieben A. Arnold Computergrundlagen 10/13

12 Vom Sourcecode zum Programm programm.c Präprozessor Assembler Compiler Parser Objekt-Datei Zwischencode-Generator Optimierer Linker Binärprogramm Code-Generator Ein (C-)Programm durchläuft viele Schritte bis zur fertigen ausführbaren Datei Präprozessor, Compiler, Assembler und Linker sind meist separate Programme meist mehrere Objektdateien aus verschiedenen Quelltextdateien A. Arnold Computergrundlagen 11/13

13 Vom Sourcecode zum Programm programm.c Präprozessor Assembler Compiler Parser Objekt-Datei Zwischencode-Generator Optimierer Linker Binärprogramm Code-Generator Präprozessor Im Prinzip sprachunabhängig, rein textbasiert Bindet weitere Quelltextdateien ein Erlaubt den Einsatz von Makros (Ersetzungen) Beispiel: TEST(...) wird überall durch if (...) ersetzt A. Arnold Computergrundlagen 11/13

14 Der Compiler Parser übersetzt den Quellcode in einen Syntaxbaum = a = 2 b + 3 c a + int 3 c int 2 b Zwischencode-Generator erzeugt daraus Pseudocode, etwa: r1 = b r2 = r1 2 r3 = c r4 = r3 3 r5 = r2 + r4 a = r5 Optimierer versucht, diesen zu verbessern, z.b. durch Prozessorregisterzuweisung Einfügen kurzer Funktionen, Entrollen von Schleifen Suche und Nutzen von gemeinsamen Termen,... Code-Generator erzeugt Assembler aus dem Zwischencode A. Arnold Computergrundlagen 12/13

15 Der Assembler programm.c Präprozessor Compiler Parser Zwischencode-Generator Assembler Objekt-Datei Linker obj1.o: 4567 call Defined: Undefined: blupp Optimierer Code-Generator Binärprogramm Der Assembler erzeugt eine Objektdatei mit Maschinencode obj2.o: 0123 push bx... Defined: blupp Undefined: den Speicherpositionen von globalen Variablen und Funktionen Stellen, an denen Stellen Information über solche Positionen aus andere Objektdateien benötigt wird A. Arnold Computergrundlagen 13/13

16 Der Linker programm.c Präprozessor Compiler Parser Zwischencode-Generator Assembler Objekt-Datei Linker obj1.o: 4567 call Defined: Undefined: blupp Optimierer Code-Generator Binärprogramm obj2.o: 0123 push bx... Defined: blupp Undefined: Verbindet mehrere solcher Objektdateien zu einer ausführbaren Datei (Binary) oder einer Bibliothek Bibliotheken sind Sammlungen von Objektdateien Der Linker verbindet Zugriffe zwischen Objektdateien Nur wenn alle Zugriffe aufgelöst wurden, entsteht ein Binary A. Arnold Computergrundlagen 13/13

17 Der Linker programm.c Präprozessor Compiler Parser Zwischencode-Generator Optimierer Code-Generator Assembler Objekt-Datei Linker Binärprogramm a.out: 4567 call push bx... Defined: blupp... Verbindet mehrere solcher Objektdateien zu einer ausführbaren Datei (Binary) oder einer Bibliothek Bibliotheken sind Sammlungen von Objektdateien Der Linker verbindet Zugriffe zwischen Objektdateien Nur wenn alle Zugriffe aufgelöst wurden, entsteht ein Binary A. Arnold Computergrundlagen 13/13

18 Dynamisches Linken programm.c Präprozessor Assembler Compiler Parser Objekt-Datei Zwischencode-Generator Linker a.out: 4321 call call Undefined: blupp Optimierer Code-Generator Binärprogramm libblupp.so: 0123 push bx... Defined: blupp Beim dynamischen Linken wird das Linken gegen die Bibliotheken erst beim Starten des Programms erledigt. Dadurch können Teile des Programms geupdated werden Und mehrfach benutzte Bibliotheken werden nur einmal geladen Spezielle Formate: dynamische Bibliotheken (.so,.dylib oder.dll) A. Arnold Computergrundlagen 13/13