1. * הידור, למהדרין. שקפי הקורס מבוססים על שקפים מאת פרופ' מיכאל רודה.
תורת הקומפילציה*
* הידור, למהדרין.
שקפי הקורס מבוססים על שקפים מאת פרופ' מיכאל רודה.

2. תורת הקומפילציה מרצה מתרגלים מר טל כהן רותם אושמן, מתרגלת אחראית
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

3. חג שמח!
Photograph by Toby Ord

4. 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.

5. 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

6. הידור – נושא מורכב שפות תכנות מבני נתונים הנדסת תכנה קומפילציה
מבנה מחשבים
מערכות הפעלה
שפות פורמליות
אלגוריתמים
מבני נתונים

7. הידור – מושגי יסוד זמן קומפילציה זמן ריצה compiler source program
target program
target
program
input
output

8. 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

9. 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

10. אינטרפרטציה = פרשנות
source program
interpreter
output
input

11. 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

12. 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

13. 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

14. סקירה זריזה של שפות תכנות עיקריות
קומפיילר של...
סקירה זריזה של שפות תכנות עיקריות

15. 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?)

16. 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

17. 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)

18. 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
Oberon, Oberon , 1992
Modula

19. 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

20. 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

21. 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?

22. 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

23. 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 )

24. 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

25. מבנה הקומפיילר – תמונה כללית
Wilhelm and Maurer – Chapter 6
Aho, Sethi, and Ullman – Chapter 1

26. 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

27. 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

28. 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"

29. למשל... int a, b; a = 2; b = a*2 + 1; a = 2 temp1 = a*2 b = temp1 + 1

30. 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

31. 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.

32. 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

33. 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

35. אנליזה של ביטוי

36. Abstract Syntax Tree – AST

37. Decorated/Annotated AST

38. כפל משמעות
איך נראה ה-AST של הביטוי:
9-5+2 ?

39. כפל משמעות + - ?? - 2 9 + 9 5 5 2

40. 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...

41. 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

42. שלב הסינתזה ((back-end
decorated syntax tree
target program
address assignment
code generation
peephole optimizer
machine dependent optimization

43. 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
a0
temp1 1
b2
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