Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Классный час'
Когда появился человек, он был награжден разумом, способностью к мастерству и искусству. Человек стал добывать пищу, делать красивые вещи, строить жил...полностью>>
'Документ'
ТОВ «Солеанс Світ», надалі  ВИКОНАВЕЦЬ, в особі генерального директора Жулай Марини Миколаївни , який діє на підставі Статуту, та відповідно до ліценз...полностью>>
'Программа дисциплины'
Влияние рыночных отношений на занятость российских женщин. Проявление гендерной ассиметрии в России в сфере труда. Гендерная адаптация: семья, карьера...полностью>>
'Документ'
00 коп. Сумма платы за услуги руб. коп. Итого руб. коп. « » 0 г. Кассир С условиями приема указанной в платежном документе суммы, в т....полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Курс "Основы построения трансляторов"

Здесь размещены методические материалы по курсу "Основы построения трансляторов", который включен в дисциплину "Системное программное обеспечение". Курс читается в 8 семестре студентам заочного отделения специальности 2201 факультета Автоматики и вычислительной техники (АВТФ) Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).

По всем вопросам обращайтесь к автору курса Романову Евгению Леонидовичу romanow@ или на сайт кафедры вычислительной техники НГТУ .

Все изложенное уложено в /trans/tr.arj архив - 97Kb(Word) или /trans.arj архив - 356Kb(HTML).

1. Введение. Сущность трансляции. Основные термины и определения

1. Введение. Сущность трансляции. Основные термины и определения

1.1. Фазы трансляции и выполнения программы

Препроцессор

Трансляция и ее фазы

Модульное программирование, компоновка

Сущность трансляции. Компиляция и интерпретация

Структура транслятора

1.2. Связывание. Сравнительная характеристика языков программирования

2. Лексический анализ

2.1. Сущность лексического анализа

Простейший лексический анализатор

2.2. Лексический анализатор как конечный автомат

Диаграмма состояний и переходов лексического анализатора

Лексический анализатор на основе конечного автомата

3. Синтаксический анализ

3.1. Сущность синтаксического анализа

Регулярные грамматики и выражения в лексическом анализе

Методы и алгоритмы синтаксического анализа

3.2. Нисходящий разбор с возвратами

3.3. Рекурсивный спуск

3.4. Магазинные автоматы

Грамматики класса S (S-грамматики)

Грамматики класса Q (Q-грамматики)

Грамматики класса LL(1) (LL(1)-грамматики)

3.5. Восходящие методы анализа. Свертка-перенос

4. Семантический анализ

Пример: семантика данных для Си-компилятора

Понятие L-value

5. Генерация кода. Интерпретация

Особенности интерпретации управляющих структур программы

Особенности компиляции управляющих структур программы

6. Задания к контрольным и лабораторным работам

Задания к контрольной работе №1

Задания к контрольной работе №2

7. Список литературы

1. Введение. Сущность трансляции. Основные термины и определения

1.1. Фазы трансляции и выполнения программы

Если языки программирования имеет уже более или менее короткую историю развития, то сама технология подготовки программ, написанных на любом языке программирования, вообще сформировались в начале 60 годов и с тех пор не претерпела существенных изменений. Заложенные тогда принципы оказывают влияние на способы использования стандартных библиотечных функций и разработки больших программ, текст которой содержится в нескольких файлах (модульное программирование).

Подготовка программы начинается с редактирования файла, содержащего текст этой программы, который имеет стандартное расширение для данного языка. Затем выполняется его трансляция, которая включает в себя несколько фаз: препроцессор, лексический, синтаксический, семантический анализ, генерация кода и его оптимизация. В результате трансляции получается объектный модуль -некий "полуфабрикат" готовой программы, который потом участвует в ее сборке. Файл объектного модуля имеет стандартное расширение ".obj". Компоновка (сборка) программы заключается в объединении одного или нескольких объектных модулей программы и объектных модулей, взятых из библиотечных файлов и содержащих стандартные функции и другие полезные вещи. В результате получается исполняемая программа в виде отдельного файла (загрузочный модуль, программный файл) со стандартным расширением -".exe", который затем загружается в память и выполняется.

Препроцессор

Собственно говоря, препроцессор не имеет никакого отношения к языку. Это предварительная фаза трансляции, которая выполняет обработку текста программы, не вдаваясь глубоко в ее содержание. Он производит замену одних частей текста на другие, при этом сама программа так и остается в исходном виде.

ПРЕПРОЦЕССОР -- предварительная фаза трансляции на уровне преобразования исходного текста программы

В языке Си директивы препроцессора оформлены отдельными строками программы, которые начинаются с символа "#". Здесь мы рассмотрим наиболее простые и "популярные".

#define идентификатор строка_текста

Директива обеспечивает замену встречающегося в тексте программы идентификатора на соответствующую строку текста. Наиболее часто она применяется для символического обозначения константы, которая встречается многократно в различных частях программы. Например, размерность массива:

#define SIZE 100

int A[SIZE];

for (i=0; i

В данном примере вместо имени SIZE в текст программы будет подставлена строка, содержащая константу 100. Теперь, если нас не устраивает размерность массива, нам достаточно увеличить это значение в директиве define и повторно оттранслировать программу.

#define идентификатор(параметры) строка_с_параметрами

Директива отдаленно напоминает определение функции с формальными параметрами, где вместо тела функции используется строка текста. Если препроцессор находит в тексте программы указанный идентификатор со списком фактических параметров в скобках, то он подставляет вместо него соотвествующую строку из директивы define с заменой в строке формальных параметров на фактические. Основное отличие от функции: если функция реализует подобные действия (подстановка параметров, вызов) во время работы программы, то препроцессор -еще до трансляции. Кроме этого, директива define позволяет оформить в таком виде любую часть программы, независимо от того, законченная это конструкция языка или ее фрагмент. В следующем примере стандартный заголовок цикла for представлен в виде директивы define с параметрами:

#define FOR(i,n) for(i=0; i

FOR(k,20) A[k]=0; // for(k=0; k<20; k++) A[k]=0;

FOR(j,m+2) {...} // for(j=0; j

В таком варианте директива define представляет собой МАКРООПРЕДЕЛЕНИЕ, а замена в тексте программы идентификатора с параметрами на строку - МАКРОПОДСТАНОВКУ.

#include <имя_файла>

#include "имя_файла"

В текст программы вместо указанной директивы включается текст файла, находящегося в системном или, соответственно, в текущем (явно указанном) каталоге. Наиболее часто в программу включаются тексты заголовочных файлов, содержащие необходимую информацию транслятору о внешних функциях, находящихся в других объектных модулях и библиотеках. Например,

#include

включает в программу текст заголовочного файла, содержащего объявления внешних функций из библиотеки стандартного ввода-вывода.

Аналогичные средства в других языках программирования носят название МАКРОПРОЦЕССОР, МАКРОСРЕДСТВА.

Трансляция и ее фазы

Собственно трансляция начинается с лексического анализа программы. ЛЕКСИКА языка программирования -это правила "правописания слов" программы, таких как идентификаторы, константы, служебные слова, комментарии. Лексический анализ разбивает текст программы на указанные элементы. Особенность любой лексики - ее элементы представляют собой регулярные линейные последовательности символов. Например, ИДЕНТИФИКАТОР - это произвольная последовательность букв, цифр и символа "_", начинающаяся с буквы или "_".

СИНТАКСИС языка программирования - это правила составления предложений языка из отдельных слов. Такими предложениями являются операции, операторы, определения функций и переменных. Особенностью синтаксиса является принцип вложенности (рекурсивность) правил построения предложений. Это значит, что элемент синтаксиса языка в своем определении прямо или косвенно в одной из его частей содержит сам себя. Например, в определении оператора цикла телом цикла является оператор, частным случаем которого является все тот же оператор цикла.

СЕМАНТИКА языка программирования - это смысл, который закладывается в каждую конструкцию языка. Семантический анализ -это проверка смысловой правильности конструкции. Например, если мы в выражении используем переменную, то она должна быть определена ранее по тексту программы, а из этого определения может быть получен ее тип. Исходя из типа переменной, можно говорит о допустимости операции с данной переменной.

ГЕНЕРАЦИЯ КОДА - это преобразование элементарных действий, полученных в результате лексического, синтаксического и семантического анализа программы, в некоторое внутреннее представление. Это могут быть коды команд, адреса и содержимое памяти данных, либо текст программы на языке Ассемблера, либо стандартизованный промежуточный код (например, P-код). В процессе генерации кода производится и его оптимизация.

Модульное программирование, компоновка

Полученный в результате трансляции ОБЪЕКТНЫЙ МОДУЛЬ включает в себя готовые к выполнению коды команд, адреса и содержимое памяти данных. Но это касается только собственных внутренних объектов программы (функций и переменных). Обращение к внешним функциям и переменным, отсутствующим в данном фрагменте программы, не может быть полностью переведено во внутреннее представление и остается в объектном модуле в исходном (текстовом) виде. Но если эти функции и переменные отсутствуют, значит они должны быть каким-то образом получены в других объектных модулях. Самый естественный способ - написать их на том же самом Си и оттранслировать. Это и есть принцип МОДУЛЬНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ - представление текста программы в виде нескольких файлов, каждый из которых транслируется отдельно. С модульным программированием мы сталкиваемся в двух случаях:

- когда сами пишем модульную программу;

- когда используем стандартные библиотечные функции.

БИБЛИОТЕКА ОБЪЕКТНЫХ МОДУЛЕЙ - это файл (библиотечный файл), содержащий набор объектных модулей и собственный внутренний каталог. Объектные модули библиотеки извлекаются из нее целиком при наличии в них требуемых внешних функций и переменных и используются в процессе компоновки программы.

КОМПОНОВКА - это процесс сборки программы из объектных модулей, в котором производится их объединение в исполняемую программу и связывание вызовов внешних функций и их внутреннего представления (кодов), расположенных в различных объектных модулях. Подробно процесс компоновки применительно к языку Си рассмотрен в 4.6.

В заключение отметим, что источником объектного модуля может быть не только Си-программа, но и программа, написанная на любом другом языке программирования, например, на Ассемблере. Но в этом случае необходимы дополнительные соглашения по поводу "стыковки" вызовов функций и обращений к данным в различных языках.

Сущность трансляции. Компиляция и интерпретация

Под трансляцией в самом широком смысле можно понимать процесс восприятия компьютером программы, написанной на некотором формальном языке. При всем своем различии формальные языки имеют много общего и, в принципе, эквиваленты с точки зрения принципиальной возможности написать одну и ту же программу на одном из них.

КОМПИЛЯЦИЯ - преобразование объектов (данных и операций над ними) с входного языка в объекты на другом языке для всей программы в целом с последующим выполнением полученной программы в виде отдельного шага.

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ - анализ отдельного объекта на входном языке с одновременным выполнением (интерпретацией).

Следовательно, компиляция и интерпретация отличаются не характером и методами анализа и преобразования объектов программы, а совмещением фаз обработки этих объектов во времени. То есть при компиляции фазы преобразования и выполнения действий разнесены во времени, но зато каждая из них выполняется над всеми объектами программы одновременно. При интерпретации, наоборот, преобразование и выполнение действий объединены во времени, но для каждого объекта программы.

Если посмотреть на эти различия несколько с другой стороны, то можно заметить, что интерпретатор непосредственно выполняет действия, связанные с определением или преобразованием объектов программы, а компилятор - переводит их на другой (не обязательно машинный язык). Отсюда можно сделать несколько выводов:

- для выполнения программы, написанной на определенном формальном языке после ее компиляции необходим интерпретатор, выполняющий эту программу, но уже записанную на выходном языке компилятора;

- процессор и память любого компьютера (а в широком смысле и вся программная среда, создаваемая операционной системой, является ИНТЕРПРЕТАТОРОМ машинного кода);

- в практике построения трансляторов часто встречается случай, когда программа компилируется со входного языка на некоторый промежуточный уровень (внутренний язык), для которого имеется программный интерпретатор. Многие языковые системы программирования, называемые интерпретаторами, на самом деле имеют фазу компиляции во внутренне представление, на котором производится интерпретация.

Выходной язык компилятора может быть машинным языком для компьютера с другой архитектурой, нежели тот, в котором работает компилятор. Такой компилятор называется КРОСС-КОМПИЛЯТОРОМ, а сама система программирования КРОСС-СИСТЕМОЙ. Такие системы используются для разработки программ для архитектур, не имеющих собственных операционных систем или систем программирования (контроллеры, управляющие микропроцессоры).

Таким образом, граница между компиляцией и интерпретацией в трансляторе может перемещаться от входного языка (тогда мы имеем чистый интерпретатор) до машинного кода (тогда речь идет о чистом компиляторе).

Создание слоя программной интерпретации для некоторого промежуточного языка в практике построения трансляторов обычно встречается при попытке обеспечить совместимость для имеющегося многообразия языков программирования, операционных систем, архитектур и т.д. То есть определяется некоторый внутренний промежуточный язык, достаточно простой, чтобы для него можно было написать интерпретатор для всего имеющегося многообразия операционных систем или архитектур. Затем пишется одни (или несколько) компиляторов для одного (или нескольких) входных языков на этот промежуточный уровень. Приведем примеры такой стандартизации:

- для обеспечения совместимости и переносимости трансляторов на компьютеры с различной архитектурой или с различными операционными системами был разработан универсальный внутренний язык (P-код). Для каждой такой архитектуры необходимо реализовать свой интерпретатор P-кода. При этом все разнообразие имеющихся компиляторов с языков высокого уровня на P-код может быть использовано без каких-либо изменений.

- язык программирования Java аналогично был разработан для обеспечения переносимости различных приложений в среде Internet.

Структура транслятора

Самое главное в процессе трансляции состоит в том, что он не является линейным, то есть последовательным преобразованием фрагмента программы одного языка на другой. На процесс трансляции одного фрагмента обязательно оказывают влияние другие фрагменты программы. Поэтому трансляция представляет собой несколько последовательных фаз анализа программы, на каждой из которой текст программы разделяется на все более "тонкие" компоненты, а информация о них группируется в некоторое внутреннее представление программы (деревья, таблицы). Затем, или параллельно с этим осуществляется синтез программы уже на выходном языке программирования с использованием информации из внутреннего представления.

Отдельные фазы трансляции могут быть связаны между собой различным образом, через данные в памяти или через файл, что не меняет сущности процесса:

- каждая фаза транслятора получает файл данных от предыдущей фазы, обрабатывает его (линейным или каким-либо другим, например рекурсивным алгоритмом ), создает внутренние таблицы данных и по ним формирует выходной файл с данными для следующей фазы;

- фазы трансляции вызывают одна другую в процессе обработки соответствующих языковых единиц. Синтаксический анализ является обычно центральным в такой структуре. То есть основной программой транслятора является синтаксический анализатор, который при анализе структурной единицы языка, называемой предложением (выражение, оператор, определение типа или переменной), вызывает лексический анализатор, для чтения очередной лексической компоненты (идентификатора, константы), а по завершении разбора - семантическую процедуру, процедуры генерации кода или интерпретации. Из этой схемы выпадает только препроцессор, который обычно представляет собой независимую предварительную фазу трансляции.

1.2. Связывание. Сравнительная характеристика языков программирования

Трансляция и последующие действия по подготовке программы к выполнению представляют собой процесс преобразования программы, записанной на некотором формальном языке, в другую формальную систему - архитектуру компьютера, в которой она может быть выполнена (интерпретирована). Для понимания этого процесса, а также отличий, имеющихся в различных языках программирования, в [3] введено понятие СВЯЗЫВАНИЯ, а также ВРЕМЕНИ СВЯЗЫВАНИЯ.

СВЯЗЫВАНИЕ -- процесс установления соответствия между объектами и их свойствами программы на формальном языке программирования (операции, операторы, данные) и объектами архитектуры компьютера (команды, адреса.

ВРЕМЕНЕМ СВЯЗЫВАНИЯ называется соответственно фаза подготовки программы к выполнению (трансляция, компоновка, загрузка), на которой производится это действие. Заметим, что различные характеристики одного и того же объекта (например, переменной) могут связываться с различными элементами архитектуры в разное время, то есть процесс связывания не является одномоментным. Для начала перечислим возможные времена связывания:

  • при определении языка;

  • при реализации компилятора;

  • во время трансляции, включающей в себя:

  • препроцессор (макропроцессор)

  • лексический, синтаксический и семантический анализ, генерацию кода и его оптимизацию;

  • компоновку (связывание);

  • во время загрузки программы;

  • во время выполнения программы, в том числе:

  • при входе в модуль (процедуру, функцию);

  • в произвольной точке программы.

В качестве примера рассмотрим простейший фрагмент программы, для которого перечислим более-менее полный перечень времен связывания его различных свойств с элементами архитектуры компьютера:

int a,b; … a+b …

  1. Тип переменных int - как способ определения целой переменной в машинном слове стандартной длины (представление целого со знаком, дополнительный код), связывается с аналогичной формой представления данных в компьютере при определении языка. Язык Си характерен тем, что базовые типы данных в нем полностью совпадают с соответствующими формами представления данных в компьютере.

  2. Конкретная размерность переменной int определяется при реализации соответствующего компилятора.

  3. Имя a может быть определено в конструкции вида #define a 0x11FF. В этом случае имя (псевдо-переменная) связывается со своим значением на первой фазе трансляции - в препроцессоре.

  4. Если переменная определяется обычным способом в виде int a; то связывание переменной с соответствующим ей типом происходит во время трансляции (на фазе семантического анализа).

  5. Если переменная определяется как внешняя (глобальная, вне тела функции), то смысл ее трансляции заключается в распределении под нее памяти в сегменте данных программы, который создается для текущего модуля (файла). Но при этом сама распределенной памяти к конкретной оперативной памяти осуществляется в несколько этапов:

- при трансляции переменная привязывается к некоторому относительному адресу в сегменте данных объектного модуля (то есть ее размещение фиксируется только относительно начала модуля)

- при компоновке (связывании) сегменты данных и команд различных объектных модулей объединяются в общий программный файл, представляющий собой образ памяти программы. В нем переменная получает уже относительный адрес от начала всей программы.



Похожие документы:

  1. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Информатика» Основы алгоритмизации и программирования на языке

    Методические указания
    ... работе по курсу «Информатика» Основы алгоритмизации и ... первую очередь относятся: трансляторы с языков высокого уровня ... Read (a);   If a>0 then             x := x + 1;   Write (x); End.   б) построение алгоритма с использованием цикла Program primer_b ...
  2. Логические основы ЭВМ вопросы: Представление команд в ЭВМ

    Документ
    ... порядка. 5. Логические основы ЭВМ Теоретической основой построения ЭВМ являются специальные математические ... Паскаль введен в учебные курсы всех средних школ для ... имеющихся в распоряжении программистов трансляторов, наличие библиотек со стандартными ...
  3. И тематика групповых занятий по курсу «Инструментальная дидактика» средства, среды и технологии обучения

    Документ
    ... образования (на примере предметного курса). Педагогико-эргономический подход ... комплекс учебного оборудования как основа построения системы. Определение понятия. ... комплексы как источники и трансляторы модельных представлений: актуальность создания ...
  4. Вопросы для абитуриентов, поступающих на специальность 0712 (150302) «Триботехника» после окончания техникума, или после окончания 3-го курса техникума

    Документ
    ... такой перевод, называется транслятором или компилятором. Оттранслированная ... языки), однако, данный курс ограничивается процедурными языками. Всякий ... атомов». Основные закономерности, лежащие в основе построения периодической системы элементов Д. И. ...
  5. Курс лекций Министерство общего и профессионального образования

    Документ
    ... языки — трансляторы (переносчики). В качестве таких трансляторов (переносчиков) ... Коллективизация сельского хозяйства — экономическая основа индустриализации. 3/ Национально-государственное ... построению основ коммунизма к 1980 г. и провозглашен курс ...

Другие похожие документы..