Programmiersprachen und Übersetzer

Transkript

1 Programmiersprachen und Übersetzer Sommersemester April 2009

2 Vorteile bei der Verwendung höherer Programmiersprachen

3 Vorteile bei der Verwendung höherer Programmiersprachen 1. Einfache Notation für komplizierte Ausdrücke.

4 Vorteile bei der Verwendung höherer Programmiersprachen 1. Einfache Notation für komplizierte Ausdrücke. 2. Viele primitive Datentypen, Möglichkeiten, komplexere Datentypen selbst zu definieren.

5 Vorteile bei der Verwendung höherer Programmiersprachen 1. Einfache Notation für komplizierte Ausdrücke. 2. Viele primitive Datentypen, Möglichkeiten, komplexere Datentypen selbst zu definieren. 3. Viele dazu passende, teilweise selbst definierbare Operationen auf den verschiedenen Datentypen.

6 Vorteile bei der Verwendung höherer Programmiersprachen 1. Einfache Notation für komplizierte Ausdrücke. 2. Viele primitive Datentypen, Möglichkeiten, komplexere Datentypen selbst zu definieren. 3. Viele dazu passende, teilweise selbst definierbare Operationen auf den verschiedenen Datentypen. 4. Einfach Steuerstrukturen, genormte Parameterübergabe.

7 Vorteile bei der Verwendung höherer Programmiersprachen

8 Vorteile bei der Verwendung höherer Programmiersprachen 5. Blockstruktur, rekursive Aufrufe sowie ein Klassen-, Moduloder Paket-Konzept, um Implementationsdetails dem Benutzer zu verbergen (Information Hiding)

9 Vorteile bei der Verwendung höherer Programmiersprachen 5. Blockstruktur, rekursive Aufrufe sowie ein Klassen-, Moduloder Paket-Konzept, um Implementationsdetails dem Benutzer zu verbergen (Information Hiding) 6. Portabilität und Modularisierbarkeit um Programmieren im Team zu ermöglichen.

10 Vorteile bei der Verwendung höherer Programmiersprachen 5. Blockstruktur, rekursive Aufrufe sowie ein Klassen-, Moduloder Paket-Konzept, um Implementationsdetails dem Benutzer zu verbergen (Information Hiding) 6. Portabilität und Modularisierbarkeit um Programmieren im Team zu ermöglichen. 7. Wiederverwendbarkeit und Erweiterbarkeit einzelner Softwarekomponenten.

11 Nachteile bei Verwendung höherer Programmiersprachen

12 Nachteile bei Verwendung höherer Programmiersprachen 1. Man benötigt einen Compiler oder Interpreter für die verwendete höhere Programmiersprache.

13 Nachteile bei Verwendung höherer Programmiersprachen 1. Man benötigt einen Compiler oder Interpreter für die verwendete höhere Programmiersprache. 2. Das von einem Compiler gelieferte Programm ist i. a. größer (ca %) und langsamer (2 4facher Zeitbedarf) als ein von Hand geschriebenes äquivalentes Assemblerprogramm bzw. Maschinenprogramm.

14 Nachteile bei Verwendung höherer Programmiersprachen 1. Man benötigt einen Compiler oder Interpreter für die verwendete höhere Programmiersprache. 2. Das von einem Compiler gelieferte Programm ist i. a. größer (ca %) und langsamer (2 4facher Zeitbedarf) als ein von Hand geschriebenes äquivalentes Assemblerprogramm bzw. Maschinenprogramm. 3. Gewisse maschinennahe Programme sind nur schwer oder gar nicht zu erstellen.

15 Compiler und Interpreter Programm in einer Programmiersprache P Compiler für P äquivalentes Maschinenprogramm

16 Compiler und Interpreter Programm in einer Programmiersprache P Compiler für P äquivalentes Maschinenprogramm Daten Programm in einer Programmiersprache P Interpreter für P Ergebnisse

17 Im allgemeinen gilt:

18 Im allgemeinen gilt: - Compiler liefern nach der Übersetzung Programme, deren Ausführung schneller abläuft als die Abarbeitung des Ausgangsprogramms durch einen Interpreter.

19 Im allgemeinen gilt: - Compiler liefern nach der Übersetzung Programme, deren Ausführung schneller abläuft als die Abarbeitung des Ausgangsprogramms durch einen Interpreter. - Eine Änderung des Ausgangsprogramms führt bei der Verwendung eines Compilers zu größerem Aufwand (neues Übersetzen, Binden usw.) als bei Verwendung eines Interpreters.

20 Prinzipieller Aufbau eines Compilers Quellenprogramm Symboltabellen- Management lexikale Analyse syntaktische Analyse semantische Analyse Zwischencode- Erzeugung Codeoptimierung Maschinencode- Erzeugung Objektprogramm Fehlerbehandlung

21 Aufgabe der lexikalen Analyse zeichenweises Lesen der Eingabe Zusammenfassen der Zeichen zu größeren Einheiten (Lexeme). Im Compiler wird eine derartige Einheit durch ein Token dargestellt. Überlesen von Leerzeichen und Kommentaren

22 Aufgabe der lexikalen Analyse zeichenweises Lesen der Eingabe Zusammenfassen der Zeichen zu größeren Einheiten (Lexeme). Im Compiler wird eine derartige Einheit durch ein Token dargestellt. Überlesen von Leerzeichen und Kommentaren Token repräsentieren eine Folge von Eingabezeichen, die als logische Einheit zu betrachten sind. Ein Token besteht aus zwei Komponenten, nämlich der Tokenklasse und dem Tokenwert.

23 Aufgabe der lexikalen Analyse zeichenweises Lesen der Eingabe Zusammenfassen der Zeichen zu größeren Einheiten (Lexeme). Im Compiler wird eine derartige Einheit durch ein Token dargestellt. Überlesen von Leerzeichen und Kommentaren Token repräsentieren eine Folge von Eingabezeichen, die als logische Einheit zu betrachten sind. Ein Token besteht aus zwei Komponenten, nämlich der Tokenklasse und dem Tokenwert. Diese Komponente des Compilers, wird auch Lexical Scanner oder einfach Scanner genannt.

24 Beispiel: Die Eingabezeile position := initial + rate * 60 könnte die folgende Tokenfolge liefern: Tokenklasse: Tokenwert: Identifier position Wertzuweisungszeichen - Identifier initial Pluszeichen - Identifier rate Multiplikationszeichen - Zahl 60

25 Aufgabe der syntaktischen Analyse Prüfung, ob die von der lexikalen Analyse gelieferten Token in einer Reihenfolge auftreten, die der (syntaktischen) Beschreibung der Programmiersprache entspricht. Gruppieren der Token zu größeren syntaktischen Strukturen, etwa in Form eines Ableitungsbaumes oder eines Syntaxbaumes.

26 Aufgabe der syntaktischen Analyse Prüfung, ob die von der lexikalen Analyse gelieferten Token in einer Reihenfolge auftreten, die der (syntaktischen) Beschreibung der Programmiersprache entspricht. Gruppieren der Token zu größeren syntaktischen Strukturen, etwa in Form eines Ableitungsbaumes oder eines Syntaxbaumes. Diese Komponente des Compilers wird auch als Parser bezeichnet.

27 Beispiel: Die Token könnten z. B. in der folgenden Form zu einem Syntaxbaum einer Wertzuweisung zusammengefaßt werden: := position + initial * rate 60

28 Aufgabe der semantischen Analyse Überprüfung der Typen von Konstanten und Variablen bzgl. der auf sie angewendeten Operationen und eine eventuelle automatische Typanpassung. Weiterhin muß in der semantischen Analyse überprüft werden, ob verwendete Identifier auch im Deklarationsteil des Programms definiert worden sind.

29 Beispiel: Unter der Annahme, daß alle Identifier vom Typ real sind, ergibt sich die Änderung: := position + initial * rate inttoreal 60

30 Aufgabe der Zwischencode-Erzeugung Übersetzung in einen Zwischencode, d. h. in die Maschinensprache einer abstrakten Maschine, die möglichst einfache Struktur hat.

31 Aufgabe der Zwischencode-Erzeugung Übersetzung in einen Zwischencode, d. h. in die Maschinensprache einer abstrakten Maschine, die möglichst einfache Struktur hat. Eine Möglichkeit eines Zwischencodes sind 3-Adreß-Befehle der Form A := B op C, wobei A, B und C Operanden sind und op ein Operator ist.

32 Aufgabe der Zwischencode-Erzeugung Übersetzung in einen Zwischencode, d. h. in die Maschinensprache einer abstrakten Maschine, die möglichst einfache Struktur hat. Eine Möglichkeit eines Zwischencodes sind 3-Adreß-Befehle der Form A := B op C, wobei A, B und C Operanden sind und op ein Operator ist. Eine andere Möglichkeit sind erweiterte Syntaxbäume oder Graphen.

33 Beispiel: Das Beispiel könnte etwa folgende Übersetzung in 3-Adreß-Befehle liefern: t1 := inttoreal 60 t2 := rate * t1 t3 := initial + t2 position := t3 Dabei sind t1, t2 und t3 neue, vom Zwischencode-Erzeuger generierte Namen.

34 Aufgabe der Codeoptimierung Verbesserung des Zwischencodes in Hinblick auf Speicherplatzbedarf und Laufzeitverhalten. Dazu benötigt man Algorithmen zum Entfernen überflüssiger Berechnungen,

35 Aufgabe der Codeoptimierung Verbesserung des Zwischencodes in Hinblick auf Speicherplatzbedarf und Laufzeitverhalten. Dazu benötigt man Algorithmen zum Entfernen überflüssiger Berechnungen, Ersetzung von Berechnungen zur Laufzeit durch Berechnungen zur Übersetzungszeit

36 Aufgabe der Codeoptimierung Verbesserung des Zwischencodes in Hinblick auf Speicherplatzbedarf und Laufzeitverhalten. Dazu benötigt man Algorithmen zum Entfernen überflüssiger Berechnungen, Ersetzung von Berechnungen zur Laufzeit durch Berechnungen zur Übersetzungszeit Erkennen von schleifeninvarianten Berechnungen und Verschieben dieser Teile vor den Schleifenbeginn

37 Aufgabe der Codeoptimierung Verbesserung des Zwischencodes in Hinblick auf Speicherplatzbedarf und Laufzeitverhalten. Dazu benötigt man Algorithmen zum Entfernen überflüssiger Berechnungen, Ersetzung von Berechnungen zur Laufzeit durch Berechnungen zur Übersetzungszeit Erkennen von schleifeninvarianten Berechnungen und Verschieben dieser Teile vor den Schleifenbeginn viele weitere, zum Teil von der Zielmaschine abhängige Optimierungen.

38 Beispiel: Nach der Codeoptimierung ergibt sich für unser bisheriges Beispiel folgender Zwischencode: t1 := rate * 60.0 position := initial + t1

39 Aufgabe der Code-Erzeugung Erzeugung von verschiebbarem Maschinencode (d. h. eines Objektprogramms) bzw. von Assemblercode. Die größte Schwierigkeit besteht dabei darin, die Zuordnung der Hardware-Register so zu wählen, daß möglichst wenig Speicherzugriffe nötig sind. (Speziell wichtig und kompliziert bei modernen RISC-CPUs oder Parallelrechnern.)

40 Beispiel: Es wird angenommen, daß die beiden Floating-Point-Register R1 und R2 momentan frei sind. MOVF MULF MOVF ADDF MOVF rate, R2 #60.0, R2 initial, R1 R2, R1 R1, position