Faculdade Pernambuca - FAPE Compilação Prof.: Flávio Gonçalves da Rocha [email protected].

Faculdade Pernambuca - FAPE

Compilação

Prof.: Flávio Gonçalves da [email protected]

Tradutores e Compiladores

Um tradutor é um programa que recebe como dado de entrada um programa escrito em uma linguagem de programação (a linguagem fonte) e produz como saída de seu processamento um programa escrito em outra linguagem (a linguagem objeto).

Se a linguagem fonte é uma linguagem de alto nível (Fortran, Pascal, C, etc), e a linguagem objeto é uma linguagem de baixo nível (Montagem ou de máquina), o tradutor é chamado de compilador.


Por esse enfoque, a execução de um programa escrito em linguagem de programação de alto nível é basicamente um processo de dois passos:– O programa fonte deve primeiro ser compilado, isto é,

traduzido para a linguagem objeto;

– Em seguida deve ser carregado na memória e executado.


Outros Tradutores:

Interpretadores– Certos tipos de tradutores transformam uma

linguagem de programação em uma linguagem simplificada, chamada de código intermediário, que pode ser diretamente “executado” por um programa chamado interpretador. Por exemplo, Basic, Prolog e Java, são freqüentemente interpretadas.


Outros Tradutores:

Interpretadores– Interpretadores são, em geral, menores que

compiladores e facilitam a implementação de construções complexas em linguagens de programação.

– Entretanto, o tempo de execução de um programa interpretado é geralmente maior que o tempo de execução desse mesmo programa compilado.


Outros Tradutores:

Pré-processadores– Pré-processadores traduzem programas escritos em

linguagens de alto nível em outros programas escritos também em linguagens de alto nível (p.ex. o pré-processador da linguagem C).

Compiladores

Logo, compilador é um programa que lê um programa escrito numa linguagem, a linguagem fonte, e o traduz num programa equivalente numa outra linguagem, a linguagem objeto ou alvo.

– Ou seja, um compilador traduz a linguagem fonte para a linguagem objeto.

Além disso, ele relata a seu usuário a presença de erros no programa fonte.

Compiladores

CompiladorPrograma fonte

Programa Alvo

Mensagem de Erro

Um Compilador

Compiladores

A variedade de compiladores pode parecer assustadora.

– Grande quantidade de linguagens fonte ( Fortran, Pascal, etc.).

– As linguagens alvo podem ser a linguagem de montagem ou uma linguagem de máquina de uma arquitetura qualquer.

Dependendo como tenham sido construídos ou qual a sua função, os compiladores podem receber as seguintes classificações:

Compiladores

– Compiladores de uma pasagem, de passagens múltiplas, otimizantes, etc.

Apesar da aparente complexidade, as tarefas básicas que qualquer compilador precisa realizar são essencialmente as mesmas. – Logo, pode-se construir compiladores para uma

ampla variedade de linguagens fonte e máquinas alvo, usando as mesmas técnicas básicas.

Compiladores

Os primeiros compiladores surgiram no início dos anos 50. – Muitos dos trabalhos iniciais lidavam com a tradução

de fórmulas aritméticas em código de máquina.

Ao longo dos anos 50 foram considerados programas difíceis de escrever.

Compiladores

A evolução tecnológica (novas linguagens de programação, ferramentas de software etc.) e a adoção de técnicas sistemáticas para o tratamento das principais tarefas facilitaram o desenvolvimento de compiladores.

Compiladores

O Modelo de Compilação de Análise e Síntese.

Existem duas partes na compilação: a análise e a síntese.

Na Análise:O programa fonte é dividido em suas partes constituintes e é criado uma representação

intermediária do mesmo.

Compiladores

Na Síntese:

O programa alvo desejado é construído a partir da representação intermediária.

Requer as técnicas mais especializadas.

Compiladores

AnálisePrograma fonte

Programa AlvoMensagem de Erro

Um Compilador – Análise e Síntese

SínteseRepresentaçãoIntermediária

Compilador

Compiladores

Durante a análise as operações implicadas pelo programa fonte são determinadas e registradas numa estrutura hierárquica, chamada de árvore.

– Freqüentemente, é utilizado um tipo especial de árvore, chamado árvore sintática, na qual cada nó representa uma operação e o filho de um nó representa o argumento da operação.

Qual seria a árvore sintática para a expressão abaixo?

Montante := depósito_inicial + taxa_de_juros * 60

Compiladores

:=

montante +

depósito_inicial *

taxa_de_juros 60

Árvore sintática para montante := depósito_inicial + taxa_de_juros * 60

Compiladores

Muitas ferramentas de software que manipulam programas fonte realizam primeiro algum tipo de análise. – Exemplos: editores de estruturas, verificadores

estáticos, interpretadores, etc.

Na interpretação, em lugar de produzir um programa alvo como resultado da tradução, um interpretador realiza as operações especificadas pelo programa fonte.

Compiladores

Tradicionalmente, pensamos num compilador como um programa que transforma uma linguagem fonte, como Fortran, numa linguagem de montagem ou na linguagem de máquina de algum computador.

Há algumas áreas onde a tecnologia de compiladores é regularmente utilizada.– Por exemplo, a parte de análise é similar àquela de um

compilador convencional nos formatadores de texto, linguagens de consulta a banco de dados etc.

Compiladores

O Contexto de um Compilador

Adicionalmente ao compilador, vários outros programas podem ser necessários para se criar um programa alvo executável.

– Um programa pode ser dividido em módulos armazenados em arquivos distintos. A tarefa de coletar esses módulos é, algumas vezes, confiada a um programa distinto, chamado de pré-processador.

Compiladores

Numa compilação típica o programa alvo criado pelo compilador pode exigir processamento posterior antes que possa ser executado.

– O compilador cria um código de montagem que é traduzido no de máquina por um montador e, então, ligado a algumas rotinas de biblioteca, formando o código que é efetivamente executado em máquina.

Compiladores

pré-processador

compilador

montador

carregador

Esqueleto do programa fonte

Programa fonte

Programa alvo em linguagem de montagem

Código de máquina relocável

Código de máquina absoluto

Bibliotecas, arquivos objetos relocáveis

Uma Compilação Típica

Análise do Programa Fonte

Na compilação, a Análise consiste de em três fases:

Análise Linear ou Léxica Análise Hierárquica ou Sintática e Análise Semântica.


Análise Linear ou Léxica Num compilador, a análise linear é chamada de

análise léxica ou esquadrinhamento (scanning).– É a primeira fase de um compilador.– Nessa fase, o trabalho é feito por um módulo

chamado analisador léxico (scanner).

Nela um fluxo de caracteres constituindo um programa é lido da esquerda para a direita e agrupado em tokens, que são sequências de caracteres tendo um significado coletivo (grupos de símbolos).


Análise Linear ou Léxica

Ou seja, os caracteres de um programa fonte são lidos e agrupados num fluxo de tokens, onde cada token representa uma sequência de caracteres logicamente coesiva – Exemplo: nomes (identificadores) de variáveis e

procedimentos (X, SOMA), palavras-chave (if, while, etc), caracteres de pontuação ou operadores, tais como +, * e :=.

A seguência de caracteres que formam um token é chamada o lexema para aquele token.



Dado o enunciado de atribuição abaixo:

Os seus caracteres poderiam ser agrupados nos seguintes tokens:



Análise Linear ou Léxica– O identificador montante.– O símbolo de atribuição :=– O identificador depósito_inicial.– O sinal de adição.– O identificador taxa_de_juros.– O sinal de multiplicação.– O número 60.

Os espaços que separam os caracteres desses tokens são eliminados.



Certos tokens serão enriquecidos por um valor léxico.

Quando um identificador, como taxa_de_juros, é encontrado, o analisador léxico não somente gera um token, mas, também, instala o lexema taxa_de_juros em uma estrutura de dados conhecida como tabela de símbolos, se já não estiver lá.– O valor léxico do token gerado é a entrada na tabela de

símbolos que aponta para taxa_de_juros.



A sequência de tokens (sequência de símbolos) produzida pela análise léxica será utilizada como entrada para o analisador sintático.

Os tokens são geralmente representados por códigos (valores inteiros).


Análise Hierárquica ou Sintática

A análise hierárquica é chamada de análise gramatical ou análise sintática.

Nessa fase, o analisador sintático (passer) agrupa os símbolos (tokens) recebidos do analisador léxico em estruturas sintáticas.– Os três símbolos representando A + B poderiam ser

agrupados em uma estrutura sintática chamada expressão. Expressões poderiam ser posteriormente agrupadas para formar comandos, e assim por diante.


Análise Hierárquica ou Sintática

Dessa forma, nessa fase os tokens são agrupados hierarquicamente em coleções aninhadas utilizando, para isso, estruturas representadas por meio de árvores sintáticas.


Análise Semântica

A análise semântica verifica se as estruturas sintáticas criadas pelo analisador sintático, embora corretas sintaticamente, têm significado admissível na linguagem. – Por exemplo, A + B pode ser uma expressão

sintaticamente correta, mas pode não ter significado em muitas linguagens se A for inteiro e B for caracter.


Análise Semântica

Assim, a fase de análise semântica verifica os erros semânticos no programa fonte e captura as informações de tipo para a fase subseqüente de geração de código.

Essa fase utiliza a estrutura hierárquica determinada pela fase de análise sintática, a fim de identificar os operadores e operandos das expressões e enunciados.


Análise Semântica

Um importante componente da análise semântica é a verificação de tipos.– O compilador checa se cada operador recebe os

operandos que são permitidos pela especificação da linguagem fonte.

Exemplos: – Relato de erro se número real for utilizado para

indexar arrays.– Pode haver permissão para coerção de operandos. Na

soma de inteiro e real, o número inteiro é convertido para real.

As Fases de Um Compilador

A compilação é um processo complexo que não é razoável, do ponto de vista lógico e de implementação, considerá-lo como sendo desenvolvido em um único passo. – Por essa razão, é costume partir o processo de

compilação em uma série de subprocessos chamados fases.

Uma fase é uma operação que toma como entrada uma representação do programa fonte e produz como saída uma outra representação.


Logo, conceitualmente, um compilador opera em fases, cada uma das quais transforma o programa fonte de uma representação para outra.

As Fases de Um

Compilador

Analisador Léxico

Analisador Sintático

Analisador Semántico

Gerador de Código Intermediário

Otimizador de Código

Gerador de Código

Programa Alvo

Programa Fonte

Tratador de ErrosGerenciador da Tabela de Símbolos


Na prática algumas das fases podem ser agrupadas e a representação intermediária entre as mesmas não precisa ser explicitamente construída.

As três primeiras fases (Análise Léxica, Sintática e Semântica) forma o núcleo da parte de Análise.

Duas outras atividades, o gerenciamento da tabela de símbolos e a manipulação de erros, são mostradas interagindo com todas as fases.– Informalmente essas atividades são também

chamadas de fases.


Gerenciamento da Tabela de Símbolos

Uma função essencial do compilador é registrar os identificadores usados no programa fonte e coletar as informações sobre os seus diversos atributos.

Esses atributos podem providenciar informações sobre:– Memória reservada para o identificador, seu tipo,

escopo (onde é valido no programa);


Gerenciamento da Tabela de Símbolos No caso de nomes de procedimentos, coisas

tais como o número e os tipos de seus argumentos, o método de transmissão de cada um (valor ou referência por exemplo) e o tipo retornado, se algum.

O módulo de gerência de tabela de símbolos tem por função guardar informações a respeito de todos os nomes usados pelo programa e registrar informações importantes associadas a cada um, tais como seu tipo (inteiro, real, etc.), tamanho, escopo, etc.


Gerenciamento da Tabela de Símbolos

A estrutura de dados usada para registrar essas informações é chamada tabela de símbolos.

Essa tabela contém um registro para cada identificador, com os campos contendo os atributos do identificador.


Gerenciamento da Tabela de Símbolos Quando o analisador léxico detecta um

identificador no programa fonte, ele instala-o na tabela de símbolos.

Nessa fase, os atributos não podem ser normalmente determinados. Ex:

var montante, deposito_inicial, taxa_de_juros: real;


Gerenciamento da Tabela de Símbolos As fases remanescentes colocam informações

sobre os identificadores na tabela de símbolos e em seguida as usam de várias maneiras.


Detecção de Erros e Geração de Relatórios

Cada fase pode encontrar erros.– É preciso que o compilador lide com eles para que a

compilação continue.

O manipulador de erros é ativado sempre que for detectado um erro no programa fonte.

Ele deve avisar o programador da ocorrência do erro emitindo uma mensagem, e ajustar-se novamente à informação sendo passada de fase a fase de modo a poder completar o processo de compilação.


Detecção de Erros e Geração de Relatórios Mesmo que não seja mais possível gerar código

objeto, a análise léxica e sintática deve prosseguir até o fim.

As fases de análise sintática e semântica tratam usualmente de uma ampla fatia dos erros detectáveis pelo compilador.

A fase de análise léxica pode detectá-los quando os caracteres na entrada não formem qualquer token da linguagem.


Detecção de Erros e Geração de Relatórios Os erros, onde o fluxo de tokens viole as regras

estruturais (sintaxe) da linguagem, são determinados pela fase de análise sintática.

Durante a análise semântica, o compilador tenta detectar as construções que possuam a estrutura sintática correta


À medida que a tradução progride, a representação interna do compilador para o programa fonte muda. Ex: seja o enunciado:

Vamos examinar essa representação após cada fase:



À medida que a tradução progride, a representação interna do compilador para o programa fonte muda. Ex: seja o enunciado:

Vamos examinar essa representação após cada fase:

var montante, deposito_inicial, taxa_de_juros: real;

Análise Léxica

Analisador Léxico





Gerador de Código

Programa Alvo

Programa Fonte



Análise Léxica:

Geração dos tokens. Digamos: id1, id2, ... , idn.

Quando um identificador como taxa_de_juros é encontrado, um token é gerado (id3) e o lexema correspondente é instalado na tabela de símbolos.


id1 := id2 + id3 * 60


Análise Léxica:

A representação interna de um identificador é diferente da sequência de caracteres que formam o identificador.

11 montante ...

22 Depósito_inicial ...

33 Taxa_de_juros ...44

Tabela de Símbolos

Análise Sintática

Analisador Léxico





Gerador de Código

Programa Alvo

Programa Fonte



Análise Sintática: A análise sintática impõe um estrutura

hierárquica ao fluxo de tokens através de árvores sintáticas.

id1 := id2 + id3 * 60

:= id1 + id2 * id3 60


Análise Sintática:

Uma estrutura de dados típica para a árvore sintática seria:

::==

++

**

idid 11

idid 22

idid 33 numnum 6060

Análise Semântica

Analisador Léxico





Gerador de Código

Programa Alvo

Programa Fonte



Análise Semântica: Entre outras coisas, a análise semântica verifica

os tipos. := id1 + id2 * id3 60

:= id1 + id2 * id3 inttoreal 60

Geração de Código

Intermediário

Analisador Léxico





Gerador de Código

Programa Alvo

Programa Fonte



Geração de Código Intermediário: O gerador de código intermediário usa as

estruturas produzidas pelo analisador sintático e verificadas pelo analisador semântico para criar uma seqüência de instruções simples dita código intermediário.– está entre a linguagem de alto nível e a linguagem de

baixo nível.

Podemos pensar dessa representação intermediária como um programa para uma máquina abstrata.


Geração de Código Intermediário: A representação intermediária pode ter uma

variedade de formas. – Ex: pode-se utilizar uma sequência de instruções

onde cada uma possui no máximo três operandos (Código de três endereços).


Geração de Código Intermediário: := id1 + id2 * id3 inttoreal 60

temp1 := inttoreal(60)temp2 := id3 * temp1temp3 := id2 + temp2Id1 := temp3


Geração de Código Intermediário: Propriedades da forma intermediária:

– Cada instrução de três endereços possui, no máximo, um operador, além do de atribuição.

Ao gerar essas instruções, o compilador precisa decidir sobre a ordem em que as mesmas devam ser realizadas.

– O computador precisa gerar um nome temporário para receber o valor computado em cada instrução.

– Algumas instruções de três endereços possuem menos do que três operandos.


Analisador Léxico





Gerador de Código

Programa Alvo

Programa Fonte



Otimizador de Código: O otimizador de código (independente de

máquina) é um módulo opcional (presente na grande maioria dos compiladores) que objetiva melhorar o código intermediário de modo que o programa objeto produzido ao fim da compilação seja menor (ocupe menos espaço de memória) e/ou mais rápido (tenha tempo de execução menor).

A saída do otimizador de código é um novo código intermediário.


Geração de Código Intermediário:

temp1 := inttoreal(60)temp2 := id3 * temp1temp3 := id2 + temp1Id1 := temp3

temp1 := id3 * 60,0Id1 := id2 + temp1


Otimizador de Código: Existe uma grande variação na quantidade de

otimizações de código que cada compilador executa. Naqueles que mais a realizam chamamos de “compiladores otimizantes”, uma porção significativa de seus tempos é gasta nesta fase.

Geração de Código

Analisador Léxico





Gerador de Código

Programa Alvo

Programa Fonte



Geração de Código: O gerador de código produz o código objeto

final(código de máquina ou código de montagem), tomando decisões com relação à:– Alocação de espaço para os dados do programa,

seleção da forma de acessá-los, definição de quais registradores da UCP serão usados, etc.

Projetar um gerador de código que produza programas objeto verdadeiramente eficientes é uma das tarefas mais difíceis no projeto de um compilador.


Geração de Código:

temp1 := id3 * 60,0Id1 := id2 + temp1

MOVF id3, R2MULF #60,0, R2MOVF id2, R1ADDF R2, R1MOVF R1, id1


Gerador de Código:

Nessa fase as localizações de memória são selecionadas para cada uma das variáveis. Então as instruções intermediárias são traduzidas numa sequência de instruções de máquina que realizam a mesma tarefa.

Um aspecto crucial é a atribuição das variáveis aos registradores.


Gerador de Código:

A maioria dos compiladores atuais tem, como parte integrante de seu gerador de código, um módulo adicional de otimização de código dependente de máquina que tem por objetivo melhorar o código de máquina produzido para melhor aproveitar os recursos específicos da arquitetura para a qual foi gerado.

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