\chapter{Compilerbau} \index{Compilerbau|(} Wenn man über Compiler redet, meint man üblicherweise \enquote{vollständige Übersetzer}: \begin{definition}\xindex{Compiler}% Ein \textbf{Compiler} ist ein Programm $C$, das den Quelltext eines Programms $A$ in eine ausführbare Form übersetzen kann. \end{definition} Jedoch gibt es verschiedene Ebenen der Interpretation bzw. Übersetzung: \begin{enumerate} \item \textbf{Reiner Interpretierer}: TCL, Unix-Shell \item \textbf{Vorübersetzung}: Java-Bytecode, Pascal P-Code, Python\footnote{Python hat auch \texttt{.pyc}-Dateien, die Python-Bytecode enthalten.}, Smalltalk-Bytecode \item \textbf{Laufzeitübersetzung}: JavaScript\footnote{JavaScript wird nicht immer zur Laufzeit übersetzt. Früher war es üblich, dass JavaScript nur interpretiert wurde.} \item \textbf{Vollständige Übersetzung}: C, C++, Fortran \end{enumerate} Zu sagen, dass Python eine interpretierte Sprache ist, ist in etwa so korrekt wie zu sagen, dass die Bibel ein Hardcover-Buch ist.\footnote{Quelle: stackoverflow.com/a/2998544, danke Alex Martelli für diesen Vergleich.} Reine Interpretierer lesen den Quelltext Anweisung für Anweisung und führen diese direkt aus. \todo[inline]{Bild} Bei der \textit{Interpretation nach Vorübersetzung} wird der Quelltext analysiert und in eine für den Interpretierer günstigere Form übersetzt. Das kann z.~B. durch \begin{itemize} \item Zuordnung Bezeichnergebrauch - Vereinbarung\todo{?} \item Transformation in Postfixbaum \item Typcheck, wo statisch möglich \end{itemize} geschehen. Diese Vorübersetzung ist nicht unbedingt maschinennah. \todo[inline]{Bild} Die \textit{Just-in-time-Compiler}\xindex{Compiler!Just-in-time}\index{JIT|see{Just-in-time Compiler}} (kurz: JIT-Compiler) betreiben Laufzeitübersetzung. Folgendes sind Vor- bzw. Nachteile von Just-in-time Compilern: \begin{itemize} \item schneller als reine Interpretierer \item Speichergewinn: Quelle kompakter als Zielprogramm\todo{Was ist hier gemeint?} \item Schnellerer Start des Programms \item Langsamer (pro Funktion) als vollständige Übersetzung \item kann dynamisch ermittelte Laufzeiteigenschaften berücksichtigen (dynamische Optimierung) \end{itemize} Moderne virtuelle Maschinen für Java und für .NET nutzen JIT-Compiler. Bei der \textit{vollständigen Übersetzung} wird der Quelltext vor der ersten Ausführung des Programms $A$ in Maschinencode (z.~B. x86, SPARC) übersetzt. \todo[inline]{Bild} \section{Funktionsweise} Üblicherweise führt ein Compiler folgende Schritte aus: \begin{enumerate} \item Lexikalische Analyse \item Syntaktische Analyse \item Semantische Analyse \item Zwischencodeoptimierung \item Codegenerierung \item Assemblieren und Binden \end{enumerate} \subsection{Lexikalische Analyse}\xindex{Analyse!lexikalische}% In der lexikalischen Analyse wird der Quelltext als Sequenz von Zeichen betrachtet. Sie soll bedeutungstragende Zeichengruppen, sog. \textit{Tokens}\xindex{Token}, erkennen und unwichtige Zeichen, wie z.~B. Kommentare überspringen. Außerdem sollen Bezeichner identifiziert und in einer \textit{Stringtabelle}\xindex{Stringtabelle} zusammengefasst werden. \begin{beispiel} \todo[inline]{Beispiel erstellen} \end{beispiel} \section{Syntaktische Analyse}\xindex{Analyse!syntaktische}% In der syntaktischen Analyse wird überprüft, ob die Tokenfolge zur kontextfreien Sprache\todo{Warum kontextfrei?} gehört. Außerdem soll die hierarchische Struktur der Eingabe erkannt werden.\todo{Was ist gemeint?} Ausgegeben wird ein \textbf{abstrakter Syntaxbaum}\xindex{Syntaxbaum!abstrakter}. \begin{beispiel}[Abstrakter Syntaxbaum] TODO \end{beispiel} \section{Semantische Analyse}\xindex{Analyse!semantische}% Die semantische Analyse arbeitet auf einem abstrakten Syntaxbaum und generiert einen attributierten Syntaxbaum\xindex{Syntaxbaum!attributeriter}. Sie führt eine kontextsensitive Analyse durch. Dazu gehören: \begin{itemize} \item \textbf{Namensanalyse}: Beziehung zwischen Deklaration und Verwendung\todo{?} \item \textbf{Typanalyse}: Bestimme und prüfe Typen von Variablen, Funktionen, \dots \todo{?} \item \textbf{Konsistenzprüfung}: Wurden alle Einschränkungen der Programmiersprache eingehalten?\todo{?} \end{itemize} \begin{beispiel}[Attributeriter Syntaxbaum] TODO \end{beispiel} \section{Zwischencodeoptimierung} Hier wird der Code in eine sprach- und zielunabhängige Zwischensprache transformiert. Dabei sind viele Optimierungen vorstellbar. Ein paar davon sind: \begin{itemize} \item \textbf{Konstantenfaltung}: Ersetze z.~B. $3+5$ durch $8$. \item \textbf{Kopienfortschaffung}: Setze Werte von Variablen direkt ein \item \textbf{Code verschieben}: Führe Befehle vor der Schleife aus, statt in der Schleife \todo{?} \item \textbf{Gemeinsame Teilausdrücke entfernen}: Es sollen doppelte Berechnungen vermieden werden \todo{Beispiel?} \item \textbf{Inlining}: Statt Methode aufzurufen, kann der Code der Methode an der Aufrufstelle eingebaut werden. \end{itemize} \section{Codegenerierung} Der letzte Schritt besteht darin, aus dem generiertem Zwischencode den Maschinencode oder Assembler zu erstellen. Dabei muss folgendes beachtet werden: \begin{itemize} \item \textbf{Konventionen}: Wie werden z.~B. im Laufzeitsystem Methoden aufgerufen? \item \textbf{Codeauswahl}: Welche Befehle kennt das Zielsystem? \item \textbf{Scheduling}: In welcher Reihenfolge sollen die Befehle angeordnet werden? \item \textbf{Registerallokation}: Welche Zwischenergebnisse sollen in welchen Prozessorregistern gehalten werden? \item \textbf{Nachoptimierung}\todo{?} \end{itemize} \index{Compilerbau|)}