* הידור, למהדרין. שקפי הקורס מבוססים על שקפים מאת פרופ' מיכאל רודה. 236360 תורת הקומפילציה* * הידור, למהדרין. שקפי הקורס מבוססים על שקפים מאת פרופ' מיכאל רודה.
תורת הקומפילציה מרצה מתרגלים מר טל כהן רותם אושמן, מתרגלת אחראית ctal@cs.technion.ac.il לכלול את מספר הקורס בכותרת ההודעה אחרת אין לכם סיכוי לעבור את מסנני הזבל שלי. שעת קבלה – מיד בתום ההרצאה, בחדר 507 מתרגלים רותם אושמן, מתרגלת אחראית דני גז
חג שמח! Photograph by Toby Ord
לוגיסטיקה 30% - תרגילי בית 70% -- מבחן סוף הקורס 10% תרגילים "יבשים", רשות (מגן) 20% תרגילים "רטובים", חובה 70% -- מבחן סוף הקורס ציון נכשל בתרגילים הרטובים גורר כשלון בקורס, ללא קשר לציון המבחן. ציון נכשל במבחן גורר כשלון בקורס, ללא קשר לציון התרגילים.
ספרות ספר עיקרי ספר משני A.V. Aho, R. Sethi, and J.D. Ullman – “Compilers – Principles, Techniques, and Tools”, Addison-Wesley, 1985 ספר משני R. Wilhelm, and D. Maurer – “Compiler Design”, Addison-Wesley, 1995
הידור – נושא מורכב שפות תכנות מבני נתונים הנדסת תכנה קומפילציה מבנה מחשבים מערכות הפעלה שפות פורמליות אלגוריתמים מבני נתונים
הידור – מושגי יסוד זמן קומפילציה זמן ריצה compiler source program target program target program input output
שיטות הידור – שימושים יעד קוד מכונה: SPARC, P690, IA32 שפת אסמבלי קוד עבור אינטרפרטר: Java Virtual Machine, P-Code, … שפות עבוד טקסט: PostScript, TeX, html, RTF, … תוכנה למכשור קלט שפות תכנות:C, Pascal, Assembler,... שפות לעיבוד טקסט:PostScript, TeX, html, RTF,… שפות scripting: C-shell, emacs, perl, Hypercard,… שפות שאילתה לעבוד נתונים (SQL) שפות לתאור חומרה (VHDL) שפות בקרה
ההקשר הרחב – דוגמא compiler Skeletal source program Preprocessor Target assembly program Assembler Relocateable machine code Loader/Link-editor Absolute machine code compiler Library, releasable, object files
אינטרפרטציה = פרשנות source program interpreter output input
הידור / אינטרפרטציה – הכללות Just In Time -- תוך כדי פרשנות התכנית, ה-interpreter מבצע קומפילציה של חלקי תוכנית על מנת שהמשך הביצוע יהיה מהיר יותר. דוגמא: Java Source to Source Virtual Machine Pre-processors Eiffel program translator C program compiler Java program Java bytecode program with embedded pre-pocessing statements (e.g., C’s #include, macros) preprocessor “pure” program
קומפילציה – חשיבות התחום לפיתוח שמושים מתקדמים ניצול של כלים לפיתוח קומפיילרים להקלת מאמץ הפיתוח כל מה שצריך לקרוא קובץ קלט (קבצי קונפיגורציה ואילך) למפתחי תוכנה הבנה מעמיקה של האבחנה בין זמן קומפילציה לזמן ריצה שימוש נכון במבנים שונים של שפות התכנות ניצול נכון של ארכיטקטורת המחשב לאנשי ארכיטקטורה של מחשבים הבנה טובה של האיזון העדין שבין חומרה לתכנה לסטודנטים בפקולטה למדעי המחשב חובה להשלמת התואר
תורת הקומפילציה – תכנים עיקריים עקרונות מבנה הקומפיילר ניתוח מילוני (lexical analysis) ניתוח תחבירי (parsing) ניתוח סמנטי יצירת קוד נושאים מתקדמים: אופטימיזציה ניתוח סטטי Data-flow analysis קומפיילרים Just-In-Time ו-Virtual Machines
סקירה זריזה של שפות תכנות עיקריות קומפיילר של... סקירה זריזה של שפות תכנות עיקריות
שיקולים בבחירת שפה למימוש תחום השימוש הכלי הנכון למשימה המתאימה אין "השפה הכי טובה" יעילות התוכנה משך הפיתוח כתיבת התכנית הידור, בדיקה, וניפוי טעויות (לימוד, אימון) תחזוקה קריאות התכנית זמינות מימושים קודמים אינרציה (עצלות?)
FORTRAN, 1954-58, John Backus (IBM) תחום: חישוב מדעי אפיונים ביטויים אריתמטיים מערכים חסומים פרוצדורות common blocks call by reference קלט / פלט מודל מימוש דרישות שטח קבועות מראש דגש על אופטימיזציה של חישובים נומריים עדיין בשימוש
ALGOL 60, 57-60 Committee (Backus, McCathy, Naur, …) תחום: חישוב נומרי אפיונים הוגדר בקפידה – התחביר הוגדר ע"י BNF מבנה בלוקים פרוצדורות רקורסיביות הגדרה מפורשת של טיפוסים חוקי scoping העברת פרמטרים by value & ו-by name dynamic array bounds שימושים מעט, בעיקר באירופה השפעה רבה על התחום (על שפות מאוחרות יותר)
Pascal etc., 1971 (Niklaus Wirth) תחום: חישובים כללים, חינוך אפיונים פשטות במימוש ובשפה הגדרות של טיפוסים רבים מתודולוגיה של תכנות מובנה מתאים להוכחת נכונות של תכניות דיאלקטים שונים Modula-2 1970-81 Oberon, Oberon-2 1988-90, 1992 Modula-3 1988-89
COBOL 1959-61 DOD-led committee תחום: עבוד נתונים אפיונים תיאור ניפרד לנתונים מבנה נתונים של records תיאור קבצים ופעולות עליהם תחביר דמוי אנגלית עדיין בשימוש נרחב
C, 1972-1974, Dennis Ritchie (Bell Labs) תחום: תכנות מערכות (תכנות ה- Unix kernel והשירותים הנלווים) אפיונים כר נרחב של פעולות תחביר תמציתי תמיכה בגישה למשאבי המכונה בשימוש נרחב בכל תחום כמעט שפה פופולרית מאוד
C++, 1980-, Bjarne Stroustrup תחום: תכנות מערכות אבל גם פיתוח שימושים אפיונים הרחבה של C תמיכה עבור טיפוסים אבסטרקטיים (abstract data types) מונחת עצמים שפה עשירה ומסובכת בשימוש נרחב יותר נזק מתועלת?
Java, 1995-, Arnold & Gosling (Sun) תחום: מגוון רחב של שימושים, עם דגש על ניצול תשתיות תקשורת אפיונים ניהול אוטומטי של הזכרון (garbage collection) אי-תלות בחומרה (JVM) בשימוש נרחב
LISP, 1959-60, John McCarthy (MIT) תחום: בינה מלאכותית וחישובים סימבוליים אפיונים עיבוד רשימות (list processing) תחביר פשוט תכניות יכולות בקלות לנתח תכניות אחרות טיפוסים דינאמיים וריאציות רבות (Common Lisp, Scheme )
Prolog, 1972, Colmerauer and Kowalski שפת תכנות "לוגית" היוותה בסיס למחקר נרחב פרוייקט "הדור החמישי" ביפן מסדי נתונים רלציוניים, SQL בשימוש מועט הובילה לשפות לוגיות אחרות – כגון Datalog
מבנה הקומפיילר – תמונה כללית Wilhelm and Maurer – Chapter 6 Aho, Sethi, and Ullman – Chapter 1
החלק ה"קשה" לסטודנטים בקורס ייצוג ביניים + טבלת סמלים קומפילר – מבנה סכמתי תוכנית מקור תוכנית מטרה החלק ה"קשה" לסטודנטים בקורס analysis ייצוג ביניים + טבלת סמלים החלק הקשה בעולם האמיתי code optimization ייצוג ביניים code generation
ייצוג ביניים הניתוח מייצר קוד בשפה נמוכה מאוד מכילה בד"כ רק השמה, אריתמטיקה (פעולה אחת בשורה!), קפיצה (goto) וקפיצה מותנית משמשת כבסיס לייצור קוד מכונה כל שורה מכילה פקודה אחת אין ביטויים מורכבים
טבלת הסמלים כוללת שורה עבור כל סמל בתוכנית מידע רלוונטי לכל סמל שמות משתנים, מחלקות, פונקציות, פרוצדורות, מתודות, וכו' – תלוי בשפת התכנות מידע רלוונטי לכל סמל טיפוס (עבור משתנים, פונקציות) ערך (עבור קבועים) פרמטרים וטיפוסיהם (עבור פונקציות, פרוצדורות, מתודות) וכו' קיים בעיקר בזמן הקומפילצייה קיים בזמן ריצה רק למטרות de-bugging, או בשפות עם מנגנוני Reflection (כגון Java, C#, Eiffel) יש חלק מהמידע גם בזמן ריצה "רגילה"
למשל... int a, b; a = 2; b = a*2 + 1; a = 2 temp1 = a*2 b = temp1 + 1
שימוש חוזר במרכיבי הקומפיילר ... שפה ב שפה א analysis n analysis 2 analysis 1 machine independent optimization machine dependent optimization code generation machine dependent optimization code generation … מכונה m מכונה 1
שימוש חוזר ברכיבים של מישהו אחר כיום, שפות רבות "חוסכות" את הצורך לכתוב optimizers טובים במיוחד לפלטפורמות שונות. פשוט מתרגמים את הקוד ל-C, ומניחים שלכל פלטפורמה יש קומפיילר C ראוי לשמו. "cross-platform assembly" גם תרגום לשפת C הוא תהליך קומפילציה... גם כאן יש מקום לאופטימיזציות.
machine independent optimization machine dependent optimization קומפילר – מבנה סכמתי תוכנית מקור תוכנית מטרה front end analysis back end machine independent optimization machine dependent optimization code generation
front end – שלב הניתוח תוכנית מקור scanner lexical analysis תוכנית מטרה scanner lexical analysis token stream parser syntax analysis syntax tree semantic analysis decorated syntax tree
אנליזה של ביטוי
Abstract Syntax Tree – AST
Decorated/Annotated AST
כפל משמעות איך נראה ה-AST של הביטוי: 9-5+2 ?
כפל משמעות + - ?? - 2 9 + 9 5 5 2
דקדוקים ומשמעויות המשמעות ה"נכונה" נבחרת בהתאם לדקדוק פעמים רבות ניתן לכתוב את אותם הכללים בעזרת דקדוקים חד-משמעיים או דו-משמעיים נחשו מה עדיף. לשפות מורכבות מאוד (קרי: מציאותיות) בדרך-כלל אין דקדוק חד-משמעי או שהוא מורכב להחריד. יש פתרונות אחרים לדו-משמעויות...
machine independent optimization שלב האופטימיזציה Decorated Syntax Tree machine independent optimization דוגמאות constant propogation common subexpressions dead code elimination איזון בין זמן קומפילצייה לזמן ריצה
שלב הסינתזה ((back-end decorated syntax tree target program address assignment code generation peephole optimizer machine dependent optimization
ה- back-end, דוגמא int a, b; a = 2; b = a*2 + 1; (front end) a = 2 temp1 = a*2 b = temp1 + 1 address assignment a0 temp1 1 b2 code generation a = 2 temp1 = a << 1 b = temp1 + 1 machine indep. optimization SET R1,2 STORE #0,R1 LOAD R1,#0 SHIFT R1,1 STORE #1,R1 LOAD R1,#1 ADD R1,1 STORE #2,R1 SET R1,2 STORE #0,R1 SHIFT R1,1 STORE #1,R1 ADD R1,1 STORE #2,R1 machine-dependent optimization